地铁站旁电力管沟防护与监测技术*

冯弘杨

(中铁十八局集团第三工程有限公司,河北 涿州 072750)

1 工程概况

济南轨道交通4号线燕山立交桥东站位于经十路与燕山立交桥交叉口东侧,沿经十路东西向设置。车站南侧占据经十路辅路,北侧为窑头小区和中润国际城绿地。车站东西两端均接盾构区间,东、西端头均为盾构始发。

该站主体基坑南侧有1道电力管沟,端头井位置与车站净距1.28m(结构内收50cm后),标准段与车站净距3.03m(见图1)。该电力管沟为供电管沟,距离地表1.4～1.6m,横截面尺寸为2.0m×2.1m,管沟底板埋深为4m。根据现场勘查,管沟为砖砌结构(墙体为三七墙),沟内既有110kV线路2回(姚燕线、姚和线),10kV电缆26根(燕泉线、转润线等)。现场配合电缆工区对电缆接头位置进行了摸排,并测取了坐标。现已对现状电力管沟进行结构鉴定,通过试验桩建立模型,模拟保护效果。

图1 电力管沟位置Fig.1 Location of power pipe trench

1.1 电力管沟现状调查及鉴定

根据现场勘查,电力管沟与检查井为砖砌结构(管沟墙体为三七墙),顶板和底板均为钢筋混凝土结构。经现场勘查,目前车站范围内管沟内部结构稳定,没有明显裂隙破损。

为确保电力管沟在车站围护桩施工过程中的安全性及稳定性,对现状电力管沟进行了鉴定,结果如下。

1)经现场核查,该段电力管沟均为现浇混凝土底板,南北两侧均为砖砌墙体,顶板埋深约为2.0m;井口周边区域及竖井为现浇混凝土,东数第3个井盖与第4个井盖之间顶板为现浇混凝土顶板,所检测其他部位顶板为预制混凝土顶板。

2)经现场检测,未发现该段电力管沟底板、墙体和顶板存在因承载力不足或者不均匀沉降引起的开裂现象。

3)通过现场检测,发现局部预制顶板板底钢筋的保护层厚度不足,且板底钢筋存在锈蚀现象。

4)所测该段电力管沟底板、预制顶板和现浇顶板的混凝土抗压强度推定值分别为31.6,37.3,33.4MPa,如表1所示。

表1 混凝土抗压强度检测结果Table 1 Test results of compressive strength of concrete

5)所测该段电力管沟内墙体中砂浆强度推定值为5.7MPa,如表2所示。

表2 砌体砌筑砂浆抗压强度检测结果Table 2 Test results of compressive strength of masonry mortar

6)所测该段电力管沟内墙体中砖强度推定等级满足MU10要求,如表3所示。

表3 砌体中砖的抗压强度检测结果Table 3 Test results of compressive strength of bricks in masonry

7)所测预制顶板板底的东西向分布钢筋配置偏差较大,基本可分为两种类别(板底露筋的间距偏大、不露筋的间距偏小),南北向受力筋间距基本在150mm左右;所测现浇顶板板底两个方向的钢筋间距基本均在140mm左右。

1.2 气候条件

济南地处中纬度地带,属于暖温带半湿润季风型气候。由于独特的地形作用,济南的气候极端性明显强于周边地区,年平均气温13.8℃,年平均降水量685mm。

1.3 工程地质特性

2 施工工艺

2.1 总体施工方案

车站标准段距离电力管沟净距>3m,根据现场模拟试验,围护桩全深度范围内采用旋挖钻机成孔对电力管沟的影响小于规范要求限值,故车站标准段围护桩施工暂不考虑采用隔离加固保护方案。

端头井范围围护桩距电力管沟最近1.28m,需进行保护。通过前期对电力管沟进行鉴定、现场模拟试验分析,并与电力部门充分沟通,端头井范围靠近电力管沟一侧围护桩拟采取隔离加固保护措施。

2.2 隔离加固范围及方法

燕山立交桥东站一期围挡施工完成后,采用微型隔离桩对电力管沟与车站端头井之间进行加固处理(端头钻孔桩外边各外延3m),标准段(距离电力管沟净距3.03m)根据试验桩模拟数据在不采取隔离措施的情况下,依据GB 50868—2013《建筑工程容许振动标准》第8.0.2条,本项目打桩成孔振动施工对电力管沟的影响在时域范围内的容许振动值为7.2mm/s,能满足规范要求。待微型隔离桩的水泥浆强度达到75%后,在微型隔离桩与电力管沟之间施工微型隔离砂桩,以减小后期钻孔灌注桩施工产生的振动对电力管沟的影响。微型桩施工布置如图2所示。采取隔振措施前后的振动与应力状况如表4所示。

表4 电力管沟振动速度与Mises应力结果Table 4 Results of vibration velocity and Mises stress in cable duct

图2 微型桩施工布置Fig.2 Construction layout of micro pile

φ150@300微型隔离桩布置1排。在旋挖钻机施工过程中,首先可以通过隔离施工区域和被保护构筑物之间的区域,以减少旋挖施工对电力管沟的影响。其次,采取措施减少旋挖施工过程中孔壁坍塌和孔壁侧向变形,从而降低孔壁坍塌引起的变形对邻近电力沟造成的不利影响。

φ150@300隔离砂桩梅花形布置2排,孔内回填黄砂。砂桩的应用能够有效减小振动波的传播,迅速衰减振动波的能量并有助于释放,从而降低旋挖钻机施工对电力管沟的影响。

2.2.1隔离桩施工工艺

1)采用SDY-500钻机成孔,套管护壁,施工工艺流程如下:放线定位→钻机就位→钻进成孔→钢管焊接→钢管置入→注浆。

2)采用地形仪测量放线对桩位进行定位。

3)采用SDY-500钻机成孔。

4)用钻机卷扬提升下入孔内或用吊车提升下入孔内。

5)使用BW200注浆泵注浆,将浆料从孔底注入,直至浆料从孔口返出。

2.2.2微型隔振砂桩施工工艺

1)采用SDY-500钻机成孔,套管护壁,施工工艺流程如下:放线定位→钻机就位→钻进成孔→填砂。

2)采用地形仪测量放线对桩位进行定位。

3)采用SDY-500钻机成孔。

4)孔内填入黄砂的同时,利用高压水枪将黄砂冲至孔底,经过24h,待黄砂自然沉降后再次进行黄砂填充,以确保填充物的密实性。

2.2.3微型桩工艺质量要求

1)成孔

本工程采用微型注浆焊管桩,桩径为150mm。成孔前为保证桩的垂直度,需用水平尺前后、左右调整好钻机的水平度,为控制桩位偏差,成孔前先用仪器精确定出桩位,每个桩位上插上钢筋头(φ6钢筋制作),开钻时,钻头中心对准钢筋头上方可开钻。

钻孔过程中不断检测桩中心及直径,并随时观察土质变化,对照复核地质报告,出入较大时应和勘察、设计单位联系,采取处理措施。

2)钢管制作与安装

钢管材料采用φ108×6无缝焊管。应采取可靠定位措施确保钢管对中,定位器应沿钢管纵向均匀布置。钢管下部6m长度范围内每间隔1m开2个对称φ20小孔,上下排小孔呈对称正交布置。

钢管接长时,上下两段钢管之间采用套管连接。钢管接长焊接时,应沿两边对称同时施焊;钢管焊接采用两面帮焊,焊接要饱满、稳固,接口连接要笔直,不得弯曲;焊缝质量应满足相关要求。

3)水泥砂浆配制要求

桩孔内注浆采用水泥砂浆,强度等级为M25,水灰比≤0.5。为保证压浆成功,浆体须满足小管径输送的要求,施工应确保砂浆在满足强度要求的前提下具有足够的流动性、和易性。施工前应确定砂浆的最佳配合比。砂应采用细砂或特细砂,应添加适量减水剂。

4)注浆

钢管顶端设计成尖状,桩底端两侧分别开设“V”形缺口,以便部分浆体流入管外侧,起到对管与侧壁土体之间的充填和加固作用。对于干挖孔,可选择先投管后注浆或先注浆后投管的施工顺序。注浆管下至孔底后提起300mm,注浆从孔底开始,边注边提,确保浆体的密实性。待浆体初凝后,进行开放式注浆,直至孔口冒出纯浆为止。在此过程中,要及时对管壁内外进行补浆处理,以确保桩孔充盈。

注浆后,由于浆体的凝固收缩及沉淀,要及时进行桩管内补浆及采用水泥浆充填密实钢管与水泥砂浆间隙,所以施工中在水泥浆初凝后,必须对其空隙进行补灌浆处理。

5)拆管

当浆液至管口时,即停止灌浆,关闭进浆阀,拆除注浆胶管。

6)施工检查

施工过程中对每个施工班组及时检查,检查重点是桩长、水灰比、水泥用量。桩长可直接测量注浆钢管长度;水灰比可直接用比重计现场监测;每注完10根桩以后,要及时核实水泥实际用量,如果以上不符合设计要求要及时调整,并对已施工过的桩进行补灌。

2.2.4微型隔离桩和隔离砂桩施工工艺要求

1)微型隔离桩

开孔前,桩位应定位准确,且通过甲方、监理验收合格签字。微型桩桩位允许偏差为10mm,垂直度偏差为0.2%。钢管下部2/3长度范围内每间隔0.5m开2个对称φ10小孔,上下排小孔呈对称正交布置。微型桩孔内应充填密实,灌注过程中应防止钢管上浮。钢管的接头承载力不应小于母材承载力。

水泥浆应拌和均匀,一次拌和的水泥浆应在初凝前使用;注浆前应将孔内残留的虚土清除干净;注浆时,宜采用将注浆管与钢管同时插入孔内并由孔底注浆的方式;注浆管端部至孔底的距离不宜大于200mm;注浆及拔管时,注浆管口应始终埋入注浆液面内,应在新鲜浆液从孔口溢出后停止注浆;注浆后,当浆液液面下降时,应进行补浆。浆体应搅拌均匀并立即使用,开始注浆前、中途停顿或作业完毕后须用水冲洗管路。

2)隔离砂桩施工要求

开孔前,桩位应定位准确,且通过甲方、监理验收合格签字。微型桩桩位允许偏差为10mm,垂直度偏差为0.2%。孔内填入黄砂,同时用高压水枪将黄砂冲到孔底,24h后黄砂自然沉降后再次填充黄砂。

2.2.5微型隔离桩和隔离砂桩对电力管沟的影响

1)在微型隔离桩和隔离砂桩施工过程中,振动较小,但由于钻孔距离电力管沟较近,可能会引起桩体周围地面的下沉、移位,从而造成电力管沟的沉降、倾斜、移位等。

2)电力管沟位置主要为杂填土,进行微型隔离桩、隔振砂桩及钻孔桩施工时,土体挤压可能造成电力管沟开裂、破坏。

3)进行微型隔离桩和隔离砂桩施工时,可能对管线产生较大影响,导致周边管线断裂或破坏。

3 监测措施

3.1 监测目的

监测工作可分为对电力管沟位置地表监测和对电力管沟本身的监测。在微型隔离桩和隔离砂桩施工过程中,由于振动较小,选择仅对地表进行监测。考虑到钻孔距离电力管沟较近,因此在施工期间进行监测,以了解周边环境的沉降、位移变化情况,以及是否可能导致地下管线的沉降、倾斜或移位。

对于旋挖钻孔桩施工,考虑到振动较大,建议在对地表进行监测的同时,在施工对应位置电力管沟内壁安装传感器,对振动进行动态实时监测。这样可以全面了解振动对电力管沟的影响,并及时采取必要措施,以确保电力管沟及周边环境的稳定性。

3.2 监测点布置

3.2.1布设原则

地表监测点布设在强电管沟上部路面上,地下管线位于主要影响区时,竖向位移监测点的间距宜为5m;位于次要影响区时,竖向位移监测点的间距宜为30m。具体布设位置根据现场情况可适当调整。监测标志埋设时特别注意要保证能在点上垂直置尺和良好的通视条件。

3.2.2布设位置

考虑到现场施工存在一定困难,暂时不对电力管沟进行迁改。为了监测变化,计划在电力管沟上部地面沿其走向布设水平和竖向位移监测点。钻孔桩施工过程中监测点布置于电力管沟内壁上中间位置,如图3所示。管沟内监测传感器随钻孔桩施工位置变化适时移动。

图3 传感器位置示意Fig.3 Sensor location

3.2.3监测点埋设方式

监测点布设根据现场施工情况进行,本工程位置为原沥青路面,为了较为准确地反映电力管沟沉降及水平位移,硬化路面采用钻孔取芯后埋设,监测点埋设在原状土层里,采用直径≥16mm、长度≥0.8m的钢筋打入,然后用细砂回填,钢筋头打磨加工便于水准测量。

3.3 监测频率

1)在隔离桩及钻孔桩施工前测出各测点的初始值。

2)在隔离桩及钻孔桩施工阶段,对电力管沟进行跟踪监测,做到信息化施工,确保管线安全。

3)隔离桩及钻孔桩结束3天后,分别再观测一次,了解电力管沟稳定情况。

4)在施工主体围护桩时,同时观测电力管沟监测点位移情况,同步采用电力管沟内壁上安装的监测传感器实时监测电力管沟振动速度,一旦超过规范允许值立即停止施工,采取相应措施确保管沟安全后方可施工。

3.4 检测技术要求

1)竖向位移

竖向位移监测采用几何水准测量法。几何水准测量使用电子精密水准仪观测,采用电子水准仪自带记录程序,记录外业观测数据。竖向位移监测精度要求如表5所示。

表5 竖向位移监测精度Table 5 Monitoring accuracy of vertical displacement

2)水平位移

使用全站仪及配套棱镜组等进行水平位移监测。

3)电力管沟内部监测传感器安装监测

将拾振器粘贴于电力管沟侧墙中间部位,对既有结构无损伤,分别监测管沟侧墙竖向、水平(纵向和横向)的速度振动响应,磁电式速度传感器自动监测各类环境中产生的微振动,测试过程中通过屏蔽电缆线与地面采集设备连接,自动监测。

3.5 数据计算

1)竖向位移

观测数据采用电子水准仪自带程序进行记录,观测完成后形成电子观测文件,通过数据传输软件传输至计算机,严格控制测量过程,确保测量数据在各项限差内,监测数据合格后,计算各点高程值。

对计算出的沉降量进行分析,相邻两期沉降量小于最大测量误差(取两倍中误差),可认为该测点在周期内没有沉降或沉降不明显。对多起变形进行观测,相邻周期变形量小,多期呈现明显变化趋势,视为有变动。

2)水平位移

测试坐标经坐标变换后,与上次测试值比较计算单次变形量,与初始值比较计算累积变形量。

3)电力管沟内监测传感器数据处理

利用MIDAS GTS NX有限元分析软件进行数值计算,评估基坑围护桩成孔施工振动对电力管沟的影响。

根据拟建场地最不利地层条件建立岩土体-电力管沟-隔离桩三维整体有限元模型,模型尺寸为 30m×20m×20m(长×宽×高),岩土体、隔离砂桩均采用弹塑性本构Mohr-Coulomb本构模型,电力管沟、微型钢管桩采用线弹性本构模型,模型四周设置黏弹性边界,底部采用固定边界。整体有限元模型如图4所示,细部有限元模型如图5所示。

图4 整体有限元模型Fig.4 Overall finite element model

图5 细部有限元模型Fig.5 Detailed finite element model

岩土体参数如表6所示,电力管沟及微型钢管桩等结构构件参数取值如表7所示。

表6 岩土层参数Table 6 Parameter of rock and soil layers

表7 结构构件参数取值Table 7 Parameter of structural components

3.6 警戒值的确定

根据规范设计要求,本工程的管线监测报警控制值为:电力管道:警戒值为日变化量≤2mm,累计量≤30mm;雨污水管道:警戒值为日变化量≤2mm,累计量≤20mm;供水管道:警戒值为日变化量≤2mm,累计量≤30mm。

该电力管道为砖砌三七墙,与雨污水管道类似,警戒值采用雨污水管道的监测报警控制值,达到此值应立即报警,并采取相应措施。

4 施工应急预案

4.1 电力管沟开裂、破坏、坍塌

在微型隔离桩和隔离砂桩施工过程中,一旦发现电力管沟出现开裂、变形或破坏,应立即停止作业,在现场拉设警戒带,将出现事故区域进行隔离,并安排人员警戒。同时立即上报监理及业主,同时上报管线相关产权单位。

4.2 周边管线断裂、破坏

该站南侧管沟(线)众多,存在燃气、给水、通信、路灯等各种管线。进行微型隔离桩和隔离砂桩施工时,可能对这些管线产生较大的影响,导致周边管线断裂或破坏。为此,在施工前需对有关管沟(线)进行探测,采取相应的措施进行保护,并制定相应的应急抢险预案。

当出现管线沉降,未出现渗漏水时,立即上报监理及业主,同时上报管线产权单位,请求进行管线沟检修,加强监测,提供管线及初期支护后地表沉降发展趋势,指导施工。当管线出现渗漏、中断或破坏时,立即上报监理及业主,同时上报管线相关产权单位,请求关闭附近闸阀,项目部立即组织抢险物资及机械设备和人员配合产权单位抢修专业队伍进行抢修,并封闭管线上方通道。

5 结语

在本工程围护桩施工中,通过运用微型隔离桩和隔离砂桩等技术方案,成功解决了电力管沟与车站端头井之间关键区域的加固难题。在施工过程中,严格按照规范要求实施隔离加固,确保了工程安全进行。同时对地表沉降、位移变化和电力管沟振动进行全面监测,通过实时跟踪施工过程,有效掌握了施工对周边环境和电力管沟的潜在影响。