張欽杰，田利勇，曹睿哲

(上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200061)

海塘是指長(zhǎng)江口、東海和杭州灣沿岸以及島嶼四周修筑的堤防(含堤防構(gòu)筑物)及其護(hù)灘、保灘工程，是上海抵御風(fēng)暴潮災(zāi)害的第一道防線，是最重要的安全屏障，其安全可靠性和防御能力直接關(guān)系到上海沿河地區(qū)安全[1]。近年來(lái)隨著上海地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展，海塘管理范圍內(nèi)新建管線(包括給水、排水、輸油、燃?xì)狻㈦娏?、通訊?等穿堤項(xiàng)目越來(lái)越多，構(gòu)筑物穿越海塘可能會(huì)影響海塘堤防結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)，產(chǎn)生堤岸結(jié)構(gòu)變形或河床沖刷、淤積等現(xiàn)象，甚至造成海塘堤防結(jié)構(gòu)損壞，發(fā)生險(xiǎn)情。上海新建海塘90%以上都采用了有別于傳統(tǒng)的水力充填堤壩結(jié)構(gòu)，以砂性土充填土工織物外加結(jié)構(gòu)護(hù)面，在對(duì)海塘進(jìn)行穿堤結(jié)構(gòu)物建造的時(shí)候，如何保證海塘穩(wěn)定及減輕對(duì)海塘變形影響是需要解決的問(wèn)題。目前上海地區(qū)穿堤管道主要以非開(kāi)挖施工工藝為主，其中水平定向鉆技術(shù)是其中的一種[2]，是近年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，將石油工業(yè)的定向鉆進(jìn)技術(shù)和傳統(tǒng)的管線施工方法結(jié)合，主要用于穿越道路、河道、建筑物等障礙物。與傳統(tǒng)大開(kāi)挖埋管施工方式相比，水平定向鉆技術(shù)具有施工速度快、精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，目前已在上海地區(qū)多個(gè)構(gòu)筑物穿越海塘的工程項(xiàng)目中得以應(yīng)用[3]。

1 定向鉆施工對(duì)海塘影響分析

1.1 海塘滲流穩(wěn)定影響分析

穿堤工程中構(gòu)筑物與海塘的連接部位是較為薄弱的環(huán)節(jié)。涵洞、涵管等穿堤構(gòu)筑物與同部位海堤的基礎(chǔ)處理和結(jié)構(gòu)型式有所不同，有可能會(huì)造成沉降量的不同，導(dǎo)致基底托空，特別是穿堤構(gòu)筑物在有水位差工況下運(yùn)行時(shí)，托空處即為一個(gè)滲漏通道，將直接影響海塘的安全[4]。因此穿構(gòu)筑物與海堤連接處滲流穩(wěn)定極其重要，必須采取必要的防滲流處理措施。

1.1.1影響因素分析

各類(lèi)穿堤構(gòu)筑物施工無(wú)可避免會(huì)對(duì)土體造成擾動(dòng)，且由于材質(zhì)的不同，穿堤構(gòu)筑物管壁與地基土的接觸面并非如土顆粒之間緊密有序，因此接觸面為薄弱面。若地基土為無(wú)粘性土，接觸面則很容易發(fā)生接觸沖刷，導(dǎo)致土體流失，而土體的流失使得接觸面間隙變大，相應(yīng)的滲透速度也變大，繼而加速?zèng)_刷，進(jìn)入惡性循環(huán)，最終危及大堤安全。所以，穿堤構(gòu)筑物對(duì)大堤安全的重要影響就是防止接觸沖刷[5]。由于外海潮位是變動(dòng)的，滲透水流實(shí)際上是具有雙向滲流特性。鑒于此特點(diǎn)，接觸面的水頭及地下水滲透速度是影響穿構(gòu)筑物與海堤連接處滲流穩(wěn)定的主要因素[6]。

1.1.2滲流控制的目的

為保障穿構(gòu)筑物與海堤連接處滲流穩(wěn)定，需進(jìn)行滲流控制。滲流控制的目的一方面保證壩體和壩基的滲透穩(wěn)定，其抗?jié)B水力比降或滲透流速滿(mǎn)足穩(wěn)定要求；另一方面控制下游水頭，防止管壁和土體之間接觸沖刷，保證大堤安全。

1.1.3滲控措施要求

(1)防滲處理措施

目前對(duì)于穿堤構(gòu)筑物(以非開(kāi)挖施工工藝為主的)常用的防滲處理有堤身大面積壓密注漿和截滲墻方案兩大類(lèi)[7]。壓密注漿對(duì)控制地基沉降和管道防滲有優(yōu)勢(shì)，但全斷面施工費(fèi)用較高。截滲墻施工工藝適應(yīng)性強(qiáng)，防滲體應(yīng)具有較強(qiáng)的變形適應(yīng)能力和具有較好的可修補(bǔ)性[8]。

(2)跟蹤注漿

為了進(jìn)一步降低非開(kāi)挖施工對(duì)土體造成的擾動(dòng)，在穿堤管壁四周可采用跟蹤注漿工藝，以減少管壁與地基土的接觸面間的接觸沖刷。

(3)止水措施

為有效地防止出滲點(diǎn)帶出堤身土料，穿堤管道外壁與接收井連接間應(yīng)設(shè)置必要的止水措施，并且為防止海水從管內(nèi)回灌入堤內(nèi)，穿堤施工時(shí)應(yīng)注意密封處理。

1.2 海塘變形影響分析

定向鉆施工對(duì)周邊環(huán)境的影響機(jī)理主要表現(xiàn)為地面或建構(gòu)筑物隆起和沉降，造成的隆起主要是由于擴(kuò)孔器對(duì)周邊土體的擠壓和通道泥漿的壓力，造成的沉降主要是因管道周邊泥漿的塑性變形引起土體變形及擾動(dòng)后土體的固結(jié)變形[9]。對(duì)于定向鉆施工，因采用管徑相對(duì)較小，成孔后采用泥漿護(hù)壁，在不出現(xiàn)坍孔的正常情況下，對(duì)環(huán)境的影響范圍及擾動(dòng)一般小于同等條件下的盾構(gòu)、頂管等類(lèi)似非開(kāi)挖工藝造成的影響。

2 工程案例

2.1 工程概況

上海地區(qū)某通信工程為滿(mǎn)足國(guó)際通信需要，鋪設(shè)海底光纜，光纜設(shè)計(jì)登陸點(diǎn)位于上海臨城新港東南部的南匯嘴海岸，其路由走向從南匯嘴海岸下海后向東南方向。工程位置示意圖如圖1所示。

2.2 海纜穿堤方案設(shè)計(jì)

本次海纜登陸需要穿越的堤防為臨港新城二期圍堤工程。該段堤防為上海市一線海塘，防洪標(biāo)準(zhǔn)高，海纜穿堤施工應(yīng)盡量減少對(duì)大堤防洪安全及正常運(yùn)行的不利影響。

根據(jù)布置需要，在大堤內(nèi)坡腳以?xún)?nèi)40m登陸點(diǎn)位置進(jìn)行非開(kāi)挖定向鉆施工，共埋設(shè)兩根海纜保護(hù)套管。水平定向鉆進(jìn)穿越鋪設(shè)施工首先采用鉆進(jìn)導(dǎo)向孔，然后擴(kuò)孔，最后回拉鋪管的施工技術(shù)[10]。光纜保護(hù)套管采用MPP管材，外徑22.5cm，管壁厚20mm。穿堤平面布置及斷面如圖2—3所示。

圖1 工程位置示意圖

圖2 穿堤平面布置圖

2.3 穿堤處防滲處理方案

為保障穿構(gòu)筑物與海堤連接處滲流穩(wěn)定，對(duì)海纜穿越大堤處采用截滲墻方案進(jìn)行防滲處理[11]。截滲墻方案可分為以下三類(lèi)：

(1)攪拌成墻施工法，實(shí)際上就是利用深層攪拌機(jī)械在堤身、堤基一定深度范圍內(nèi)鉆進(jìn)攪拌，就地將土體與輸入的水泥(或石灰)等固化劑充分拌和，使固化劑與土體產(chǎn)生一系列的物理—化學(xué)變化而凝結(jié)成墻體達(dá)到防滲目的。攪拌成墻機(jī)械又分為單頭、雙頭和多頭攪拌樁，三軸攪拌樁(SMW)，橫向連續(xù)切削式地下連續(xù)墻工法(TRD)，雙輪銑深攪工藝(CSM)等[12]。

(2)置換成墻施工法，是將堤身、堤基一定深度內(nèi)的需置換土體挖除成槽，再填筑或鋪設(shè)塑性混凝土、防滲膜等防滲墻體材料并連成整體的防滲墻，根據(jù)成槽工藝又分為：垂直鋪塑法、鋸(拉)槽法、射水法、抓斗法等。置換成墻防滲工程均需進(jìn)行泥漿護(hù)壁。

圖3 光纜穿堤斷面圖

(3)高壓噴漿成墻施工法，是以高壓噴射流直接沖擊破壞土體，漿液與土攪拌固結(jié)來(lái)建造防滲墻。高壓噴漿按其噴射方式分為旋噴、擺噴和定噴三種；接其噴管數(shù)目又可分為單管、二重管、三重管和多重管四種[13]。

根據(jù)以上各施工工藝的技術(shù)原理、特點(diǎn)可知，攪拌成墻和置換成墻必須在定向鉆施工前完成，對(duì)定向鉆的施工造成困難，而高壓噴漿施工工藝可以在定向鉆施工完成后進(jìn)行防滲處理，而且高壓噴漿壓力高，墻體與管道的銜接好，另外，漿液對(duì)接觸面間隙具有一定的填充補(bǔ)強(qiáng)的作用，對(duì)防滲有利，所以推薦采用高壓噴漿施工工藝。

高壓旋噴樁豎向深度取20m，為減少繞滲，高壓旋噴樁同時(shí)向海纜兩側(cè)各延伸20m。根據(jù)工程特點(diǎn)，確定施工參數(shù)如下：雙排高壓旋噴樁，施工工藝為新單管法，樁徑Ф600，相鄰樁體搭接長(zhǎng)度不小于200mm，注槳材料采用42.5普通硅酸鹽水泥，水泥用量每米樁長(zhǎng)不少于250kg，樁身強(qiáng)度不小于2MPa，防滲墻的滲透系數(shù)不大于1×10-6cm/s[14]。具體布置形式如圖4所示。

圖4 防滲墻布置圖

高壓旋噴樁防滲長(zhǎng)度按下式計(jì)算：

L=C×△H

(1)

式中，L—壩基防滲長(zhǎng)度，m；△H—上、下游水位差，m；C—允許滲徑系數(shù)。

根據(jù)地勘資料，樁基位于②-1層粉砂～砂質(zhì)粉土層，允許滲徑系數(shù)C可取7～5，取中值C=7。水頭差最大為3m，則防滲長(zhǎng)度要求為L(zhǎng)=3×7=21m。高壓旋噴樁有效防滲長(zhǎng)度長(zhǎng)20+1+8=29m。按照設(shè)計(jì)，實(shí)際高壓旋噴樁防滲長(zhǎng)度為29m>21m，因此高壓旋噴樁防滲滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2.4 定向鉆施工對(duì)大堤沉降的影響

埋設(shè)海纜保護(hù)套管，采用非開(kāi)挖定向鉆施工。穿管前，需先擴(kuò)孔，再回拉鋪管。根據(jù)施工工藝，本工程擴(kuò)孔系數(shù)取1.5倍的系數(shù)，最大土層損失為33.3%。由于管道周?chē)嬖谳^大空隙，待管道拖拉施工完成后，周?chē)馏w會(huì)出現(xiàn)一定量的收縮，從而引起海堤的沉降變形[15]。若防浪墻沉降過(guò)大，可能產(chǎn)生基礎(chǔ)破壞、墻體開(kāi)裂等現(xiàn)象，影響程度大。

采用有限元分析軟件模擬管道穿越后對(duì)防浪墻沉降的影響，以定量地反映管道穿越海塘的影響程度。圖5是土層損失分別為33.3%和10%時(shí)的總體位移圖。

圖5 土層損失33.3%及土層損失10%時(shí)總體位移圖

管線穿越海塘，周?chē)謩e出現(xiàn)33.3%、10%土層損失時(shí)，防浪墻頂位移量見(jiàn)表1。

表1 不同土層損失量下防浪墻頂位移量

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，兩種土層損失方案下防汛墻頂位移量均在允許范圍內(nèi)。但考慮計(jì)算的精度及施工的不確定性，為避免防汛大堤沉降過(guò)大，導(dǎo)致墻體變形、開(kāi)裂等不良影響，施工中，施工單位必須采取有效措施，即在拖拉完成后對(duì)管壁四周跟蹤注漿，注漿壓力控制在0.3～0.5MPa，并及時(shí)注入速凝劑、水泥，加快管道周?chē)馏w固結(jié)[16]。根據(jù)同類(lèi)工程已有的經(jīng)驗(yàn)，采取上述措施后，防汛大堤沉降可控制在允許范圍內(nèi)。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)為保障穿堤構(gòu)筑物施工期間海塘安全穩(wěn)定，穿堤構(gòu)筑物施工過(guò)程中，應(yīng)考慮穿堤建(構(gòu))筑物與海堤的連接部位的滲流穩(wěn)定，并進(jìn)行必要防滲處理措施。

(2)對(duì)于采用定向鉆施工工藝的穿堤管道，一般管道埋深較深，管徑不大，推薦采用截滲墻的滲控措施。通過(guò)不同截滲墻施工工藝方案比選，推薦采用高壓噴漿施工工藝。

(3)因穿堤管道施工完成后周?chē)馏w會(huì)出現(xiàn)一定量的收縮，從而引起海堤的沉降變形?？刹捎糜邢拊治龇椒ǎ紤]相應(yīng)土層損失，模擬管道穿越后對(duì)海塘沉降的影響。