蘇曉鋒

(遼寧省公路勘測(cè)設(shè)計(jì)公司 沈陽市 110006)

非開挖穿越施工技術(shù)具有不影響交通、不破壞環(huán)境、施工速度快、穿越精度高、不受季節(jié)限制、工程造價(jià)綜合成本低、社會(huì)效益顯著、不影響市民生活等優(yōu)點(diǎn)。非開挖穿越施工方法有很多，目前省內(nèi)運(yùn)用較多的是頂管法和定向鉆法，其中定向鉆法多用于軟土地基路段，所以在施工擾動(dòng)影響之后，超孔隙水壓力消散較慢，工后沉降歷時(shí)長(zhǎng)，工后沉降所占比例相對(duì)較大[1]。若工后沉降量過大，勢(shì)必影響到公路的服務(wù)水平以及行車的安全性、舒適性，增加了公路交通安全事故的風(fēng)險(xiǎn)程度，這也使得在涉路工程安全評(píng)價(jià)中，如何控制工后沉降成為安全評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。筆者結(jié)合在建的管線穿越工程項(xiàng)目，對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)、調(diào)查，并利用數(shù)學(xué)方法預(yù)測(cè)管線穿越公路后的沉降深度，通過實(shí)際的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)定向鉆法引起的工后沉降進(jìn)行探索研究。

1 沉降監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

1.1 工程概況

本次試驗(yàn)選擇了位于盤錦地區(qū)的盤錦國(guó)華燃?xì)庥邢薰咎烊粴馐姓袎汗艿腊惭b工程。此工程主要承擔(dān)為附近居民區(qū)提供天然氣的任務(wù)，穿越套管采用鋼質(zhì)套管，規(guī)格為DN500。分別在G305莊林線K226+300處、S210中新線K61+350處、K78+360處、K79+850處及XB03杜田線K13+780處采用定向鉆法穿越公路，文中道路名稱及編號(hào)為國(guó)省干線公路網(wǎng)調(diào)整前的原道路名稱及編號(hào)。

表1 土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.2 水準(zhǔn)基點(diǎn)的建立

水準(zhǔn)基點(diǎn)是沉降觀測(cè)的基準(zhǔn)點(diǎn)，它的設(shè)置必需牢固、安全，并且不易受到破壞，能客觀地反映路面的沉降情況。為了準(zhǔn)確直觀，水準(zhǔn)基點(diǎn)設(shè)在變形區(qū)之外，但不能離涉路工程過遠(yuǎn)且沉降觀測(cè)點(diǎn)之間高度差不應(yīng)過大，避免因多次轉(zhuǎn)站增加觀測(cè)的累積誤差，影響觀測(cè)精度?？紤]到水準(zhǔn)基點(diǎn)對(duì)本次試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果的重要程度，設(shè)專人負(fù)責(zé)，并建立定期校核制度，校核水準(zhǔn)基點(diǎn)的高程，若發(fā)現(xiàn)移位或損壞應(yīng)及時(shí)修復(fù)，保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本次試驗(yàn)在每個(gè)工程周圍各布設(shè)3個(gè)水準(zhǔn)基點(diǎn)—BM1、BM2、BM3，各工程由其水準(zhǔn)基點(diǎn)構(gòu)成水準(zhǔn)閉合環(huán)，高程系統(tǒng)采用獨(dú)立高程基準(zhǔn)。

1.3 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的建立

為了掌握定向鉆穿越路基的沉降情況，于各路基分別布置3個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在穿越軸線與路基交叉的路中心點(diǎn)及左右兩側(cè)硬路肩上，形成沉降觀測(cè)斷面，共計(jì)設(shè)置沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)15個(gè)。沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面布置方式見圖1。沉降觀測(cè)標(biāo)選取長(zhǎng)度不小于20cm的鋼釘，采用打入式設(shè)置，可保證沉降觀測(cè)標(biāo)不易被破壞。沉降量一般僅為幾毫米，沉降觀測(cè)精度要求很高，應(yīng)采用二等水準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量[2]。二等水準(zhǔn)高程控制測(cè)量依據(jù)《公路勘測(cè)規(guī)范》(JTG C10-2007)中的技術(shù)要求執(zhí)行。

2 沉降預(yù)測(cè)和試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 定向鉆法穿越的沉降預(yù)測(cè)

在定向鉆穿越施工時(shí)，定向鉆的鉆進(jìn)破壞了原有地層的狀態(tài)，勢(shì)必會(huì)造成地層產(chǎn)生一定隆起或下沉。在管道鋪設(shè)完成后，由于擴(kuò)孔直徑與所鋪管道直徑之間留有一定的間隙，也可能會(huì)造成后續(xù)的地層變形。

1969年，Peck提出了地表沉降槽符合高斯分布的概念(沉降槽的橫向分布見圖2)，認(rèn)為地層移動(dòng)由地層損失引起，施工引起的地面沉降是在不排水條件下且土體體積不可壓縮，從而假定地表沉降體積等于底層損失體積[3]，得出橫向地面沉降估算公式：

(1)

式中：Smax—地表最大沉降量，m；

Vs—單位長(zhǎng)度底層損失的體積，m3/m；

i—沉降槽半寬度，m；

式中：D1—最后一級(jí)擴(kuò)孔直徑；

D2—管道直徑；

k—底層損失折算系數(shù)，取0.6～0.7。

O’Reilly等通過統(tǒng)計(jì)各種地質(zhì)條件下開挖隧道時(shí)產(chǎn)生的地面沉降測(cè)試值，提出了一種簡(jiǎn)便的定義i值的方法，i的取值與管道軸線埋深大致成線性關(guān)系[4]。由于本工程穿越的土體粘性土含量較高，故適用于本次試驗(yàn)的公式為：

i=0.43z+1.1

(2)

式中：z為管道軸線埋深，即離管道軸線正上方的距離。

鑒于定向鉆法穿越施工采用的是新技術(shù)、新材料、新設(shè)備、新工藝，并且省內(nèi)定向鉆施工工藝并不十分成熟，故本次試驗(yàn)底層損失折算系數(shù)按0.7取用。

2.2 定向鉆法穿越的沉降觀測(cè)和預(yù)測(cè)結(jié)果分析

在各個(gè)工程施工結(jié)束的3至5個(gè)月后，對(duì)15個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了沉降數(shù)據(jù)采集，在數(shù)據(jù)整理分析后繪制出沉降量觀測(cè)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖。從圖3中不難看出，公式推算的沉降值與實(shí)測(cè)值比較接近，擬合度較高。

而且從沉降量與管線埋置深度關(guān)系圖中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)穿越管線位于公路重型汽車的影響范圍以外時(shí)，沉降量是隨著埋置深度的降低而增大的，詳見圖4。

管線的埋置深度是影響工后沉降量的重要因素，但在現(xiàn)行的公路規(guī)范中，只規(guī)定了穿越公路保護(hù)套管的埋置深度，卻未規(guī)定穿越公路后的工后容許沉降量。所以在日后的涉路工程安全評(píng)價(jià)中，除對(duì)管線的埋置深度進(jìn)行評(píng)價(jià)外，還應(yīng)對(duì)工后沉降量規(guī)定限值。由于其他行業(yè)規(guī)范中對(duì)定向鉆法的工后沉降的相關(guān)規(guī)定也不多，所以限值可考慮參考其他非開挖穿越方法中對(duì)地面沉降控制的相關(guān)要求，比如油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范(GB 50424-2015)中第9.8.2條規(guī)定：“盾構(gòu)法穿越公路、大堤的地面沉降量應(yīng)控制在-30mm～10mm”；《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS 246:2008)中第13.2.4規(guī)定：“頂管穿越公路造成的地面沉降量應(yīng)小于或等于20mm”。通過上述規(guī)定并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為在涉路工程安全評(píng)價(jià)中規(guī)定穿越公路的工后沉降量不應(yīng)大于或等于20mm較為合適。

3 結(jié)語

通過對(duì)盤錦國(guó)華燃?xì)庥邢薰咎烊粴馐姓袎汗艿腊惭b工程的觀測(cè)、分析、總結(jié)，可知在管線采用定向鉆法穿越公路后，利用Peck公式進(jìn)行工后沉降估算相對(duì)可靠，對(duì)今后類似工程具有借鑒意義。