郭明鑫，楊士發(fā)，陳遜賢，黃懷立，周廣宇，馮德鑾

（1、廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 廣州510006；2、廣州市自來(lái)水有限公司 廣州510600）

0 引言

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）［1］是由鋼筒、高強(qiáng)度核心混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼絲和砂漿保護(hù)層組成的復(fù)合管材，其中管徑大于3.0 m 的PCCP 稱(chēng)為超大直徑PCCP。PCCP 中的高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絲環(huán)向纏繞于核心混凝土表面，而管段間的接駁處采用鋼制承插口，承插口連接處使用防滲膠圈的柔性接頭，具有密封性強(qiáng)、強(qiáng)度高、抗?jié)B性能良好和耐腐蝕等性能。PCCP 兼有鋼材和混凝土的優(yōu)點(diǎn)，尤其適合用于超大口徑、高強(qiáng)度、埋深大的市政管線(xiàn)［2-4］。

目前PCCP 管已廣泛應(yīng)用于跨區(qū)域水源地之間的大型輸水工程，對(duì)PCCP 管在正常工作條件下的力學(xué)響應(yīng)［5-7］、沉降發(fā)展［8-9］和防滲性能［10-11］已有相關(guān)研究，但是，隨著超大城市群和粵港澳大灣區(qū)概念的出現(xiàn)，廣東省區(qū)域性經(jīng)濟(jì)融合程度不斷加強(qiáng)，城市之間的公共交通迅猛發(fā)展，高速公路或輕軌的建設(shè)通常需要穿過(guò)大口徑輸水管的埋設(shè)段或其保護(hù)區(qū)范圍，公共交通的施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程必然會(huì)對(duì)大口徑輸水管的安全運(yùn)營(yíng)造成影響，因此大口徑輸水管管線(xiàn)需要進(jìn)行必要的改遷［12-15］。大口徑管線(xiàn)改遷工程施工過(guò)程可能導(dǎo)致輸水管產(chǎn)生較大位移和不均勻沉降，造成管線(xiàn)的承插口脫落、輸水管爆漏等現(xiàn)象。本文以廣州市西江引水工程（佛山三水、南海段）與廣佛肇高速公路建設(shè)相涉段PCCP 輸水管管線(xiàn)改遷工程為依托，通過(guò)建立準(zhǔn)確的三維有限元模型，分析不同施工工況、不同影響因素下正常供水PCCP 輸水管的位移演化規(guī)律，明確管線(xiàn)改遷工程中的關(guān)鍵施工工況，確定周全的管線(xiàn)改線(xiàn)施工方案，避免相鄰管線(xiàn)擾動(dòng)過(guò)大，以確保施工質(zhì)量和安全。

1 工程概況

1.1 廣州市西江引水超大管徑PCCP 輸水管管線(xiàn)改遷工程

廣州市西江引水是廣州市重要水源的供給工程，原水供水量涉及1 000 多萬(wàn)市民的用水需求。本工程屬于城市生命線(xiàn)工程，自投產(chǎn)以來(lái)一直安全運(yùn)行。西江引水干管佛山南海段長(zhǎng)約28 km，佛山三水段長(zhǎng)約16 km，管材主要為內(nèi)徑3.6 m 的超大口徑PCCP 管，其特點(diǎn)是長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定，但對(duì)外圍擾動(dòng)敏感，因此，對(duì)于特殊地段（過(guò)路口、河涌、盾構(gòu)隧道等，約占15%）則采用鋼管。由于新建的廣佛肇高速公路騎壓于西江引水工程PCCP 輸水管埋設(shè)段，高速公路的施工及運(yùn)營(yíng)對(duì)超大口徑PCCP 輸水管的安全運(yùn)營(yíng)造成重大影響。廣佛肇高速公路建設(shè)方案中與西江引水工程相涉的管段總長(zhǎng)約5.5 km，其中，高速路出入口匝道在西江引水管道正上方（簡(jiǎn)稱(chēng)匝道騎壓段）的管段長(zhǎng)約3.6 km；高速路高架投影線(xiàn)在西江引水管道正上方（簡(jiǎn)稱(chēng)高架騎壓段）的管段長(zhǎng)約1.9 km。倘若新建高速公路施工過(guò)程中造成管道擾動(dòng)過(guò)大、管道破裂或爆開(kāi)，將引發(fā)國(guó)家安全公共事件?？紤]到西江引水工程的重要性，因廣佛肇高速公路的建設(shè)需求，需要對(duì)廣州市西江飲水工程中的原輸水管進(jìn)行局部改線(xiàn)。原雙線(xiàn)輸水管外徑為4.1 m、單節(jié)長(zhǎng)度為5.0 m 的大口徑PCCP 管，雙管水平距離為1.5 m，改遷后使用鋼管材料，應(yīng)業(yè)主要求，施工過(guò)程中仍需持續(xù)供水并且單管供水時(shí)間不可大于7 d，超過(guò)7 d必須恢復(fù)雙管供水。

1.2 水文地質(zhì)概況

PCCP 水管管線(xiàn)改遷工程位于佛山市南海區(qū)里水鎮(zhèn)，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告可知，相應(yīng)場(chǎng)地的地質(zhì)條件復(fù)雜，土質(zhì)情況較差，由上到下依次為填土、耕土、細(xì)砂、粗砂、淤泥和粗砂，地層分布不均，且存在較厚淤泥層且透水砂層厚度高達(dá)15 m，極易因施工擾動(dòng)而產(chǎn)生較大變形，甚至可能出現(xiàn)流沙與管涌等滲透破壞現(xiàn)象，會(huì)對(duì)PCCP輸水管的位移控制產(chǎn)生重大影響。

2 三維有限元模型的建立

2.1 基本情況

三維有限元模型的數(shù)值模擬范圍包括：原PCCP輸水管、PCCP 管座、原管槽支護(hù)體系（拉森Ⅳ鋼板樁+φ 500×12 鋼管支撐，水平間距5.0 m）、新管槽及其支護(hù)體系（拉森Ⅳ鋼板樁+φ 500×12 鋼管支撐，水平間距5.0 m）、新鋼管管槽開(kāi)挖深度及其影響范圍內(nèi)的巖土層。PCCP輸水管外徑4.1 m，內(nèi)徑3.6 m，上覆土層6.1 m，兩管水平距離1.5 m；新鋼管管槽開(kāi)挖寬度為10.2 m；當(dāng)新鋼管管槽開(kāi)挖深度不大于6.4 m 時(shí)，新鋼管管槽支護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 道鋼支撐；當(dāng)新鋼管管槽開(kāi)挖深度大于6.4 m 時(shí)，新鋼管管槽支護(hù)結(jié)構(gòu)采用2道鋼支撐。計(jì)劃開(kāi)挖鋼管管槽與原輸水管槽的位置關(guān)系如圖1 所示。有限元數(shù)值模擬分別分析：①新鋼管管槽開(kāi)挖深度；②PCCP 輸水管管槽與新鋼管鋼槽水平間距；③地下水位變化；④新鋼管管槽支護(hù)結(jié)構(gòu)位移；⑤PCCP 輸水管單管改遷共5 個(gè)因素對(duì)PCCP 輸水管位移的影響規(guī)律。三維有限元模型取60 m×20 m×30 m（長(zhǎng)×寬×深）的區(qū)域，上部為自由邊界，底部全約束，各側(cè)邊限制向基坑方向的水平位移，三維有限元模型如圖2 所示。其中，新鋼管管槽的模擬開(kāi)挖深度分別為5.4 m、6.4 m、7.7 m 和8.4 m；擬設(shè)計(jì)新鋼管與原輸水管管槽水平距離分別為2.0 m、3.0 m、4.0 m 和6.0 m；新鋼管管槽開(kāi)挖時(shí)地下水位深度分別為0.0 m、1.0 m、2.0 m、3.0 m和4.0 m（數(shù)值表示距離地表的豎直距離）。

圖1 擬挖新鋼管與原輸水管管槽的位置關(guān)系Fig.1 Plane Relationship between the New Steel Pipe Groove to be Excavated and the Original PCCP Water Pipe Groove （mm）

圖2 Midas/GTS有限元模型Fig.2 Midas/GTS Finite Element Model

2.2 基本假定

本文建立的模型基本假定如下：①土體模型采用莫爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)體系本構(gòu)模型采用線(xiàn)性彈性模型，各材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示；②假定各土層都為成層均質(zhì)水平分布；③不考慮地下水在開(kāi)挖過(guò)程中的影響；④不考慮開(kāi)挖過(guò)程中的時(shí)間因素。

根據(jù)勘察報(bào)告可得該施工現(xiàn)場(chǎng)的土層參數(shù)，如表1所示。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 模擬結(jié)果

3.1.1 新鋼管管槽開(kāi)挖深度對(duì)PCCP 輸水管位移影響結(jié)果

Midas/GTS 有限元模型中，分別設(shè)置新鋼管管槽的開(kāi)挖深度為5.4 m、6.4 m、7.7 m 和8.4 m，其中新舊管槽間距為2.0 m、4.0 m 和6.0 m，限于篇幅，僅給出新舊管槽間距為2.0 m的模擬結(jié)果，如圖3～圖6所示。

表1 有限元模型各材料物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 The Physical and Mechanical Parameters of Each Material in The Finite Element Model

3.1.2 新舊管槽水平間距對(duì)PCCP輸水管位移影響結(jié)果

Midas/GTS 有限元模型中，分別設(shè)置新鋼管管槽的開(kāi)挖深度為5.4 m、6.4 m、7.7 m和8.4 m，其中新舊管槽間距為2.0 m、4.0 m和6.0 m，限于篇幅，僅給出新鋼管管槽開(kāi)挖深度為8.4 m的模擬結(jié)果，如圖7～圖10所示。

圖3 管槽間距2.0 m，新管槽開(kāi)挖深度5.4 mFig.3 Slot Spacing 2.0 m，Excavation Depth of New Steel Pipe Groove 5.4 m

圖4 管槽間距2.0 m，新管槽開(kāi)挖深度6.4 mFig.4 Slot Spacing 2.0 m，Excavation Depth of New Steel Pipe Groove 6.4 m

圖5 管槽間距2.0 m，新管槽開(kāi)挖深度7.4 mFig.5 Slot Spacing 2.0 m，Excavation Depth of New Steel Pipe Groove 7.4 m

圖6 管槽間距2.0 m，新管槽開(kāi)挖深度8.4 mFig.6 Slot Spacing 2.0 m，Excavation Depth of New Steel Pipe Groove 8.4 m

圖7 新舊管槽水平間距2.0 mFig.7 Horizontal Distance Between New and Old Pipe Grooves 2.0 m

圖8 新舊管槽水平間距4.0 mFig.8 Horizontal Distance Between New and Old Pipe Grooves 4.0 m

3.1.3 新管槽施工時(shí)，地下水位對(duì)既有PCCP 管的位移影響結(jié)果

圖9 新舊管槽水平間距6.0 mFig.9 Horizontal Distance Between New and Old Pipe Grooves 6.0 m

圖10 新鋼槽開(kāi)挖對(duì)PCCP輸水管位移影響結(jié)果Fig.10 Summary of the Results of the Excavation of the New Steel Pipe Channel on the Displacement of the PCCP Water Pipe

由圖10 可知，當(dāng)新舊管槽水平間距小于4.0 m或新鋼管管槽開(kāi)挖深度大于6.4 m 時(shí)，PCCP 管的位移快速增加，因此，建議實(shí)際工程中，新管槽與原管槽水平間距設(shè)置為4.0 m，新鋼管管槽開(kāi)挖深度為6.4 m。在此基礎(chǔ)之上，為考慮不同地下水位狀態(tài)下，新管槽施工對(duì)原PCCP 輸水管的不同影響，Midas/GTS 三維有限元模型中設(shè)置新舊管槽間距為4.0 m，新鋼管管槽開(kāi)挖深度為6.4 m，地下水位為0.0 m、1.0 m、2.0 m、3.0 m和4.0 m。新管槽施工時(shí)地下水位深度對(duì)PCCP 輸水管位移模擬影響結(jié)果如圖11～圖16所示。

圖11 地下水位為0.0 mFig.11 Groundwater Level 0.0 m

圖12 地下水位為1.0 mFig.12 Groundwater Level 1.0 m

圖13 地下水位為2.0 mFig.13 Groundwater Level 2.0 m

圖14 地下水位為3.0 mFig.14 Groundwater Level 3.0 m

圖15 地下水位為4.0 mFig.15 Groundwater Level 4.0 m

3.1.4 新鋼管管槽支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移對(duì)PCCP 輸水管位移影響結(jié)果

由上述模擬結(jié)果可得，新管槽施工會(huì)對(duì)原有PC?CP 管造成較大影響。倘如新管槽施工過(guò)程中，其支護(hù)體系位移過(guò)大，進(jìn)而造成原有PCCP 管的不均勻位移過(guò)大，更甚則直接導(dǎo)致輸水管爆裂。因此，在新管槽施工過(guò)程中必須對(duì)其支護(hù)體系進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)置預(yù)警值。本節(jié)重點(diǎn)分析新管槽支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移對(duì)既有PCCP 管位移的影響規(guī)律，進(jìn)而確定管槽支護(hù)體系的位移監(jiān)測(cè)報(bào)警值，為工程監(jiān)測(cè)提供客觀(guān)依據(jù)。Midas/GTS 三維有限元模型中，設(shè)置新舊管槽間距為4.0 m，新鋼管管槽開(kāi)挖深度為6.4 m，新鋼管管槽支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移對(duì)原PCCP 管位移影響結(jié)果如圖17 所示。新鋼管管槽支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移對(duì)既有PCCP 管位移影響結(jié)果如圖18所示。

圖16 地下水位與各特征位移的關(guān)系Fig.16 Relationship between Groundwater Level and Various Characteristic Displacements

圖17 新鋼管管槽水平位移對(duì)PCCP輸水管位移影響結(jié)果Fig.17 The Effect of the Horizontal Displacement of the New Steel Pipe Trough on the Displacement of the PCCP Water Delivery Pipe

圖18 新鋼管管槽支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移與既有PCCP輸水管位移的關(guān)系Fig.18 The Relationship between the Horizontal Displacement of the New Steel Pipe Trough Supporting Structure and the Displacement of the Existing PCCP Water Delivery Pipe

3.1.5 PCCP 輸水管單管改遷對(duì)另一正常供水PCCP輸水管位移影響結(jié)果

由于遷管段地基存在深厚的砂層（10.65 m）和淤泥（3.4 m），因此，有必要研究單管改遷施工工況對(duì)既有PCCP 管的影響效果。本節(jié)重點(diǎn)分析PCCP 輸水管單管改遷過(guò)程中另一正常供水PCCP 輸水管的位移演化規(guī)律。Midas/GTS 三維有限元模型中，設(shè)置新舊管槽間距為4.0 m，新鋼管管槽開(kāi)挖深度為6.4 m，主要模擬工況為：①新管槽開(kāi)挖完成；②既有PCCP 管槽開(kāi)挖完成；③切割共用管座；④單管停水；⑤單管改遷。PCCP 輸水管單管改遷對(duì)另一正常供水的PCCP 輸水管位移影響結(jié)果如圖19和表2所示。

3.2 結(jié)果分析

由圖3～圖10可知，隨著新管槽開(kāi)挖深度增加以及新舊管槽水平距離的減小，PCCP輸水管的位移逐漸增加，而新鋼管管槽開(kāi)挖深度大于7.7 m或新舊管槽水平間距小于4.0 m時(shí)，PCCP輸水管的位移快速增加。

由圖11～圖16 可知，新鋼管管槽支護(hù)結(jié)構(gòu)位移、地面沉降和既有PCCP 輸水管位移都對(duì)地下水位深度有較大的的敏感性，故采取何種措施有效控制地下水位，減小新管槽施工對(duì)原PCCP 輸水管的影響變得尤為重要。由圖16 可以直觀(guān)看出，當(dāng)?shù)叵滤幌陆禃r(shí)，地面沉降增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)體系位移減少，而既有PCCP輸水管位移呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。主要原因是地下水位可改變作用在新管槽支護(hù)體系的孔隙水壓力同樣可影響既有輸水管地基的有效應(yīng)力。倘若地下水位降低，直接使作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的孔隙水壓力變小，間接使支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移減??；同時(shí)作用在輸水管地基上的有效應(yīng)力增大，PCCP 管沉降隨之增加；因此地下水位對(duì)既有PCCP 管的實(shí)際影響程度極其復(fù)雜。借助有限元軟件對(duì)其進(jìn)行合理分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)叵滤粸?.0 m時(shí)，既有PCCP 輸水管的位移最小，特別是遠(yuǎn)側(cè)PCCP管。因此建議地下水位降水處理至2.0 m左右為宜。

圖19 PCCP輸水管單管改遷對(duì)另一正常供水PCCP管位移影響結(jié)果Fig.19 The Result of PCCP Water Delivery Pipe Relocation Affecting the Displacement of Another Normal Water Supply PCCP Pipe

表2 遷管過(guò)程中各遷管工況對(duì)另一正常工作PCCP管位移的影響Tab.2 The Influence of Each Pipe Relocation Condition on the Displacement of Another Normal Supply PCCP pipe

由圖17～圖18 可知，新鋼管管槽支護(hù)結(jié)構(gòu)位移對(duì)既有PCCP 輸水管位移影響較大?！督ㄖ庸こ瘫O(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50497—2019》規(guī)定新管槽施工對(duì)臨近管道的位移需不大于10～30 mm，因?yàn)楸卷?xiàng)目關(guān)系到廣州市大部分市民的供水情況，故管槽施工對(duì)既有輸水管造成的位移宜控制在10 mm以?xún)?nèi)。根據(jù)有限元分析結(jié)果（見(jiàn)圖18），當(dāng)PCCP 管位移為10 mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移為16 mm，因此新管槽施工過(guò)程中，應(yīng)對(duì)其支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將其位移為16 mm 設(shè)置為報(bào)警值，當(dāng)位移趨近該報(bào)警值時(shí)，需立刻采取針對(duì)性措施對(duì)既有PCCP管進(jìn)行保護(hù)。

由圖19 和表2 可知，在整個(gè)PCCP 輸水管改線(xiàn)工程施工過(guò)程中，有2 個(gè)工況對(duì)正常工作的PCCP 管產(chǎn)生影響較大：①新管槽開(kāi)挖后，另一正常工作的輸水管出現(xiàn)8.5 mm 的位移；②待改遷的輸水管停水后，鄰近正常工作的輸水管已出現(xiàn)18.4 mm 的位移。因此，在施工過(guò)程中，對(duì)這2個(gè)工況尤為特別注意，確保管槽開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)其支護(hù)體系變形及位移數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)；單管停水時(shí)，需加強(qiáng)對(duì)正常供水PCCP 管位移的監(jiān)測(cè)頻率，保證能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取合理的保護(hù)措施。

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)分析了PCCP 輸水管遷管過(guò)程中各施工工況對(duì)正常供水PCCP 輸水管位移的影響規(guī)律，可為西江引水管線(xiàn)改遷工程的前期施工設(shè)計(jì)提供參考建議，確保單管遷移施工過(guò)程中原PCCP 管輸水工作的安全運(yùn)營(yíng)，也可為高度發(fā)展的地區(qū)管線(xiàn)改遷工程提供參考依據(jù)，具體結(jié)論如下：

⑴ 在使用拉森Ⅳ鋼板樁+φ 500×12 鋼管支撐@5 000的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式對(duì)新管槽進(jìn)行支護(hù)的情況下，新鋼管管槽開(kāi)挖對(duì)PCCP 輸水管的影響在安全范圍之內(nèi)，當(dāng)新舊管槽水平距離大于4.0 m 且新鋼管管槽深度小于7.7 m 時(shí)，新管槽施工對(duì)原PCCP 管的影響累積位移值不大于10 mm，確保輸水工作的正常進(jìn)行。

⑵新鋼管管槽支護(hù)結(jié)構(gòu)位移、地面沉降和既有PCCP 輸水管位移都對(duì)地下水位深度有較大的敏感性。因此，如何采取措施控制地下水位，就可減小新鋼管管槽施工對(duì)既有PCCP 輸水管位移的影響，以確保輸水工作的安全運(yùn)營(yíng)；分析結(jié)果結(jié)果表明，施工過(guò)程中降水應(yīng)將地下水位控制在2.0 m左右。

⑶新鋼管管槽支護(hù)結(jié)構(gòu)位移對(duì)既有PCCP 輸水管位移影響較大，應(yīng)控制既有PCCP 管位移在10 mm內(nèi)，其對(duì)應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移為16 mm 以?xún)?nèi)，方能保證PCCP輸水管的正常供水。

⑷單管改遷施工過(guò)程中，新管槽施工和輸水管單管停水對(duì)另一正常工作的PCCP輸水管影響較大。