劉鵬晨

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

0 引 言

上海市瀕江臨海、地勢(shì)低平，中心城區(qū)部分道路排水管道管徑偏小、超期服役，管道的輸送能力存在不足，對(duì)地區(qū)排水造成了一定影響。近年來(lái)隨著上海市區(qū)道路積水改善工程的實(shí)施，對(duì)道路沿線排水管道進(jìn)行達(dá)標(biāo)改建，緩解了暴雨期間道路排水不暢和路面積水現(xiàn)象，保障了區(qū)域防汛排水安全。工程中排水管道穿越河道常采用頂管施工方法，此類非開(kāi)挖施工方法可有效減少大開(kāi)挖對(duì)地面建筑物和環(huán)境的影響，同時(shí)不受潮汛影響可以度汛施工，但其頂管工作井、接收井基坑施工和管道非開(kāi)挖施工對(duì)土體產(chǎn)生了擾動(dòng)，可能影響周圍防汛設(shè)施的安全[1-4]。

1 工程概況

為進(jìn)一步完善地區(qū)排水系統(tǒng)的建設(shè)，切實(shí)保障防汛排水安全，實(shí)施上海市虹口區(qū)某道路積水改善工程。結(jié)合該地區(qū)所屬排水系統(tǒng)規(guī)劃，工程擬建雨水管管徑DN1200，收集沿線兩側(cè)地塊雨水及上游轉(zhuǎn)輸萬(wàn)安路、池溝路、保寧路、萬(wàn)壽街、河灘西路、斗臺(tái)街雨水量后，由東向西接入水電路已建雨水總管內(nèi)。雨水管需在水電路東側(cè)倒虹過(guò)斜塘河，采用頂管施工，頂管長(zhǎng)度68m，按頂管距離規(guī)劃河底至少2m凈距來(lái)控制，設(shè)計(jì)頂管底標(biāo)高-3.5m，埋深7.7~8.71m，位于③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。頂管工作井設(shè)于斜塘河?xùn)|側(cè)綠化帶內(nèi)，頂管接收井?dāng)M設(shè)于水電路西側(cè)綠化帶內(nèi)（見(jiàn)圖1）。

圖1 雨水管穿越斜塘河段平面圖

根據(jù)頂管設(shè)計(jì)高程，頂管穿越防汛墻處與斜塘河兩岸現(xiàn)狀防汛墻樁基存在沖突（見(jiàn)圖2）。為了保證頂管的正常施工，需要預(yù)先將影響頂管施工的部分樁基拔除，對(duì)防汛墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行改建，恢復(fù)防汛墻后進(jìn)行頂管施工，防汛墻考慮整幅修復(fù)。

圖2 雨水管穿越斜塘河段縱斷面圖（單位：mm）

2 管道穿越段防汛墻改建設(shè)計(jì)

2.1 現(xiàn)狀防汛墻結(jié)構(gòu)形式

斜塘河兩岸現(xiàn)狀防汛墻為前板后方的漿砌塊石高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)，其中前排樁基采用220 mm×500mm×10 000mm的鋼筋混凝土板樁，樁尖標(biāo)高-8.0m，后排樁基采用220mm×280mm×10 000mm@1 000mm的鋼筋混凝土方樁，樁尖標(biāo)高-8.0m。

2.2 改建防汛墻斷面結(jié)構(gòu)

該工程擬建DN1200雨水管跨斜塘河段采用倒虹穿越斜塘河，采用頂管施工方法。根據(jù)頂管設(shè)計(jì)高程，管道穿越防汛墻處設(shè)計(jì)頂管底標(biāo)高-3.5m，與斜塘河兩岸現(xiàn)狀防汛墻樁基布置存在沖突，擬拔除防汛墻樁基，對(duì)防汛墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行改建，待恢復(fù)防汛墻后進(jìn)行頂管施工。據(jù)有關(guān)部門協(xié)調(diào)，此次考慮管道穿越斜塘河段兩岸各一整幅的防汛墻改建與修復(fù)。

改建防汛墻結(jié)構(gòu)將原防汛墻上部漿砌塊石墻身和鋼筋混凝土底板全部拆除，頂管穿越段改建防汛墻為管道軸線兩側(cè)各2m范圍，需拔出原防汛墻樁基，將在管道兩側(cè)新建三排600×10 000mm鉆孔灌注樁，兩側(cè)樁凈距為2.2 m，滿足頂管的穿越條件（見(jiàn)圖3）；穿越段兩側(cè)為標(biāo)準(zhǔn)段防汛墻，對(duì)原有樁基保留利用，并在后側(cè)增加一排600×10 000mm鉆孔灌注樁，間距2 000mm（見(jiàn)圖4）。改建防汛墻樁位布置如圖5所示。

圖3 管道穿越段改建防汛墻結(jié)構(gòu)斷面

圖4 標(biāo)準(zhǔn)段改建防汛墻結(jié)構(gòu)斷面

改建防汛墻上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土L形擋墻，墻前設(shè)漿砌塊石護(hù)坡以1∶2.5放坡至河底。

圖5 改建防汛墻樁位布置

3 基坑工程對(duì)防汛墻安全的影響分析

頂管工作井位于斜塘河?xùn)|側(cè)，平面內(nèi)凈尺寸為8 500mm×4 100mm，工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)西側(cè)距現(xiàn)狀斜塘河防汛墻約12m；頂管接收井位于斜塘河西側(cè)，平面內(nèi)凈尺寸為3 900mm×3 500mm，接收井圍護(hù)結(jié)構(gòu)東側(cè)距現(xiàn)狀斜塘河防汛墻約30m。斜塘河?xùn)|西兩側(cè)基坑開(kāi)挖深度均為9.5 m，坑底位于③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。

考慮到該項(xiàng)目頂管工作井和接收井距離河道較近，斜塘河兩岸防汛墻均在基坑開(kāi)挖的4倍范圍內(nèi)，故必須分析土方開(kāi)挖引起的防汛墻變形沉降及河道高水位工況下基坑自身滲透穩(wěn)定問(wèn)題，避免基坑發(fā)生滲透破壞，進(jìn)而導(dǎo)致防汛墻的坍塌[5]。

3.1 基坑開(kāi)挖引起的防汛墻沉降影響分析

該項(xiàng)目基坑開(kāi)挖對(duì)防汛墻的主要影響在于土方開(kāi)挖引起的防汛墻土體的變形沉降。為分析基坑開(kāi)挖對(duì)斜塘河兩側(cè)防汛墻的影響，采用有限元分析軟件Plaxis建立了基坑開(kāi)挖過(guò)程對(duì)斜塘河防汛墻影響的二維有限元模型，進(jìn)行了彈塑性有限元計(jì)算，預(yù)測(cè)基坑施工引起的防汛墻沉降變形。

模型參數(shù)如下：

（1）土體采用Hardening–soil模型。

（2）土層參數(shù)采用管道穿越范圍的地質(zhì)資料設(shè)置。

（3）坑外水位取地面以下0.5 m；坑內(nèi)水位取坑底下1m。

（4）超載按實(shí)際情況考慮，按20 kN/m2計(jì)算。

（5）采用彈塑性無(wú)厚度Goodman接觸面單元模擬地下結(jié)構(gòu)與土體和加固體之間相互作用。

（6）計(jì)算區(qū)域：深度取距坑底以下30m計(jì)，模型寬度50m。水平為X向，豎直為Y向，且對(duì)X邊界施加Y向位移約束，Y邊界施加X(jué)向約束。采用等三角形15節(jié)點(diǎn)平面單元模擬土體。

防汛墻變形沉降計(jì)算有限元模型如圖6、圖7所示。

圖6 工作井施工對(duì)斜塘河?xùn)|岸防汛墻的變形沉降計(jì)算有限元模型

圖7 接收井施工對(duì)斜塘河西岸防汛墻的變形沉降計(jì)算有限元模型

經(jīng)過(guò)模型分析，基坑施工過(guò)程中引起的防汛墻墻頂最大水平位移為3.65mm，墻頂最大垂直位移為8.59mm，基坑施工過(guò)程中引起的防汛墻變形均控制在10mm以內(nèi)，但墻頂垂直位移接近報(bào)警值，考慮到理論計(jì)算與實(shí)際情況存在一定差別，施工過(guò)程中應(yīng)增加監(jiān)測(cè)，如發(fā)現(xiàn)位移超過(guò)報(bào)警值，應(yīng)及時(shí)與相關(guān)部門、建設(shè)責(zé)任單位和設(shè)計(jì)單位聯(lián)系，采取必要措施，保證防汛墻安全。待基坑工程施工結(jié)束后，應(yīng)對(duì)沿線防汛墻進(jìn)行一次全面的安全鑒定，如存在損壞，應(yīng)立即修復(fù)；如存在安全隱患，也應(yīng)采用有效的對(duì)策措施，保證防汛安全。

3.2 基坑自身滲透穩(wěn)定性分析

該項(xiàng)目穿越斜塘河頂管工作井、接收井緊鄰斜塘河，河道水體的變化將對(duì)基坑自身的滲透穩(wěn)定帶來(lái)直接影響。在基坑施工過(guò)程中，當(dāng)河道高水位時(shí)，由于水頭差較大，土體可能會(huì)造成滲透破壞，因此需要對(duì)此情況進(jìn)行復(fù)核。

計(jì)算選取斜塘河高水位4.44m，基坑開(kāi)挖到底時(shí)作為復(fù)核工況，采用二維平面滲流有限元分析軟件Slide進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證基坑開(kāi)挖至坑底遭遇河道高水位時(shí)的滲透穩(wěn)定情況。

基坑滲流計(jì)算有限元模型如圖8、圖9所示。

圖8 斜塘河高水位工況下工作井的滲流計(jì)算有限元模型

圖9 斜塘河高水位工況下接收井的滲流計(jì)算有限元模型

經(jīng)過(guò)模型分析，該項(xiàng)目工作井、接收井坑底最大出逸坡降小于0.60，最大滲透流量為1.47×10-5m3/（d·m）。根據(jù)《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DGJ 08-11—2018）給出的上海地區(qū)土層的允許滲流坡降[6]可知，基坑圍護(hù)止水措施嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案施工并確保施工質(zhì)量的前提下，該項(xiàng)目基坑理論上不會(huì)發(fā)生滲透破壞等問(wèn)題。

4 頂管施工對(duì)防汛墻安全的影響分析

該工程擬建DN1200雨水管跨斜塘河段采用倒虹穿越斜塘河，采用頂管施工方法。頂管穿越斜塘河?xùn)|、西岸防汛墻處正下方頂管管頂標(biāo)高約-2.30m，改建防汛墻樁基在頂管穿越位置采用門洞式布置，管道正上方無(wú)樁基結(jié)構(gòu)，此處防汛墻底板底標(biāo)高為1.80m，管道管頂距離防汛墻底板4.1m左右，因此管道施工過(guò)程中不會(huì)發(fā)生與防汛墻底板的直接碰撞。同時(shí)頂管頂部距規(guī)劃斜塘河河底高程的埋置深度大于100 cm，滿足《上海市跨、穿、沿河構(gòu)筑物河道管理技術(shù)規(guī)定（試行）》第3.1條的規(guī)定[7]。

4.1 頂管施工引起的防汛墻沉降影響分析

管道頂進(jìn)過(guò)程中，需穿越?jīng)鐾そㄖ?、斜塘河、水電路道路和地下管線，對(duì)地面的沉降要求較高，頂管進(jìn)出洞時(shí)需穿越鉆孔灌注樁圍護(hù)與高壓旋噴樁止水帷幕以及壓密注漿土體加固區(qū)，對(duì)掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭的切削能也有一定的要求，同時(shí)刀盤(pán)開(kāi)口率應(yīng)滿足在粉性砂土層施工要求。綜合以上因素，為有效保護(hù)周圍構(gòu)（建）筑物及地下管線，該工程頂管掘進(jìn)時(shí)采用對(duì)地面沉降影響較小的平面大刀盤(pán)泥水平衡式頂管掘進(jìn)機(jī)。

為了分析頂管施工對(duì)斜塘河兩岸改建防汛墻沉降位移的影響，采用有限元分析軟件Plaxis建立頂管施工過(guò)程對(duì)斜塘河兩岸防汛墻影響的二維有限元模型，進(jìn)行彈塑性有限元計(jì)算，預(yù)測(cè)頂管施工引起的防汛墻變形。

模型參數(shù)如下：

（1）土體采用Hardening–soil模型。

（2）土層參數(shù)采用管道穿越范圍的地質(zhì)資料。

（3）地下水位取地面以下1.0m。

（4）地面荷載為5 kN/m2。

（5）采用彈塑性無(wú)厚度Goodman接觸面單元模擬地下結(jié)構(gòu)與土體和加固體之間相互作用。

（6）計(jì)算區(qū)域：深度取距離頂管以下足夠深度，為20m；模型寬度考慮頂管穿越范圍以外上、下游各20m，即40m。水平為X向，豎直為Y向，且對(duì)X邊界施加Y向位移約束，Y邊界施加X(jué)向約束。采用等三角形15節(jié)點(diǎn)平面單元模擬土體。

（7）有限元計(jì)算中土層損失率取0.3%。

頂管施工引起防汛墻沉降計(jì)算云圖如圖10、圖11所示。

圖10 頂管施工引起斜塘河西岸防汛墻沉降計(jì)算云圖

由圖10、圖11可知，斜塘河西岸防汛墻最大沉降量1.12mm，斜塘河?xùn)|岸防汛墻最大沉降量1.16mm，均控制在10mm以內(nèi)。因此在確保施工質(zhì)量的前提下，理論上頂管施工不會(huì)影響防汛墻的安全。

4.2 預(yù)防和減輕頂管施工對(duì)防汛墻安全影響的對(duì)策措施

（1）合理設(shè)置施工參數(shù)，在穿越防汛墻前后15m范圍內(nèi)，適當(dāng)控制掘進(jìn)速度，保證施工精度，避免頻繁糾偏對(duì)土體造成反復(fù)擾動(dòng)。

（2）不得在防汛墻下方停機(jī)，保證一次性通過(guò)。同時(shí)控制壓漿質(zhì)量，最大可能地減小土層損失，將防汛墻變形控制在最小值。

圖11 頂管施工引起斜塘河?xùn)|岸防汛墻沉降計(jì)算云圖

（3）加強(qiáng)動(dòng)態(tài)信息化施工的技術(shù)含量，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能以最短的時(shí)間得到傳遞、反饋，以便調(diào)整參數(shù)、及時(shí)驗(yàn)證，從而使施工過(guò)程始終處于最優(yōu)化狀態(tài)進(jìn)行。

（4）做好防汛預(yù)案，配備充足的防汛搶險(xiǎn)物資和器材，組織好搶險(xiǎn)隊(duì)伍，如接到報(bào)警可隨時(shí)進(jìn)行搶險(xiǎn)工作。

5 結(jié) 語(yǔ)

管道采用頂管施工方法穿越河道節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)管道設(shè)計(jì)平、縱、橫斷面與現(xiàn)狀防汛設(shè)施相對(duì)關(guān)系提出穿越段防汛設(shè)施改造方案，同時(shí)設(shè)計(jì)方案應(yīng)充分考慮施工過(guò)程對(duì)防汛安全的影響：

（1）頂管工作井、接收井基坑施工對(duì)周圍防汛設(shè)施的變形沉降影響分析。

（2）河道高水位工況下基坑自身的滲透穩(wěn)定分析。

（3）頂管施工對(duì)周圍防汛設(shè)施的變形沉降影響分析。

本文以上海市虹口區(qū)某道路積水改善工程為例，采用有限元計(jì)算軟件分析了頂管穿越河道施工對(duì)防汛安全的影響。模型計(jì)算表明，施工期間滿足防汛設(shè)施的安全運(yùn)行，為保證實(shí)際施工過(guò)程中防汛設(shè)施的安全，應(yīng)采取信息化施工，加強(qiáng)對(duì)防汛設(shè)施的沉降位移監(jiān)測(cè)，確保施工安全和工程質(zhì)量。