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刘 懿,张 胤,等.顶管施工对堤防稳定的影响分析
［ 作者：刘懿,张胤等 点击数： 更新时间：2023-05-08 责任编辑：学报编辑部］
顶管施工对堤防稳定的影响分析
刘 懿，张 胤，王翔宇，邵雨辰
（南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 212000）
Analysis on Influence of Pipe-jacking Construction on Dike Stability
LIU Yi，ZHANG Yin，WANG Xiangyu，SHAO Yuchen
（Nanjing Water Planning and Designing Institute.Co.，Ltd，Nanjing 210006，Jiangsu，China）
【来源】 (Source) |
《黄河水利职业技术学院学报》??2023,Vol.35??Issue(02):1-4 |
【分类号】 |
TV871 |
【文献标识码】 (Doi) |
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【专题】 |
水利水电工程;建筑科学与工程 |
【关键词】 (KeyWords) |
顶管施工；岸坡稳定；荷载取值；顶管埋深；顶管直径；处理方案 |
【摘要】 (Abstract) |
为了分析顶管施工对堤防岸坡的影响，以朱家山河某污水管穿堤工程为典型案例，分析了顶管施工期计算模型的荷载取值，探讨了顶管不同埋深及管径对岸坡稳定的影响，提出了该工程施工时的岸坡处理方案。 |
【引用本文】 |
刘懿，张胤，王翔宇，邵雨辰.顶管施工对堤防稳定的影响分析[J].黄河水利职业技术学院学报,2023,02:1-4 |
【全文获取】 |
刘 懿，张 胤，王翔宇，邵雨辰
（南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 212000）
摘 要：为了分析顶管施工对堤防岸坡的影响，以朱家山河某污水管穿堤工程为典型案例，分析了顶管施工期计算模型的荷载取值，探讨了顶管不同埋深及管径对岸坡稳定的影响，提出了该工程施工时的岸坡处理方案。
关键词：顶管施工；岸坡稳定；荷载取值；顶管埋深；顶管直径；处理方案
在城市发展规划中，长距离管道施工越来越普遍，采用下穿城中河的施工方案已不可避免［1－2］。顶管施工是继盾构施工之后发展起来的一种地下管道施工技术［3］。由于它具有对周边环境影响小的优点，被广泛应用在城市地下管线建设和改造中。
当顶管穿越堤防时，若遇到河床地基软弱、埋深较浅的线路，其施工过程可能引起地面沉降，从而影响堤防的安全稳定［4－6］。为了了解顶管穿堤施工对堤防的影响，陈杨等分析了顶管施工引起地表土体变形的趋势和不同横断面沉降幅度变化的原因［7－9］。李军等探讨了顶管穿堤施工的质量控制措施［10－11］。秦建设从顶管施工工艺入手，提出应尽量增加埋深以保证所穿堤防的安全［12］。这些研究大多是针对顶管垂直穿越河道的工程。对于顶管沿岸坡布置的工程，其施工对堤防安全稳定的影响研究尚不多见。笔者基于朱家山河某污水管线顺河布置的工程案例，探讨了管线沿岸坡布置时，顶管施工对堤防安全稳定的影响，以期为顶管技术在堤防工程中的应用提供参考。
某污水处理厂污水管道沿朱家山河北岸采用顶管方式敷设，涉河段位于朱家山河中段山丘区切岭段，总长约670 m，边坡等级为2 级。该河段上游距滁河分洪口约7.15 km，下游至浦泗路桥，距入江口约9.85 km，河底高程为4.27～4.61 m，河底宽为1～15.3 m，河口宽为86.4～136.4 m。河道北岸顶高程为21.12～25.88 m，迎水坡综合坡比为1∶3.5，无明显背水坡；南岸顶高程为20.68～23.38 m，迎水坡综合坡比为1∶2.6，无明显背水坡。查阅已有资料可知，朱家山河近10 年出现过3 次滑坡现象，均在右岸靠近大桥处，滑坡范围不超过300 m。经现场勘查发现，堤防迎水坡缺少有效的排水设施，汛期，堤顶的雨水通过裂缝渗入堤身，堤身内的水不能及时排出。堤身主要为粉质黏土，在水的浸润作用下，土体强度降低，造成了土体滑坡。
1.2.1 设计洪水位
朱家山河是南京浦口区内一条连接长江的重要河流，也是滁河的分洪道。拟建工程位于朱家山河中间切岭段。根据相关防洪规划，朱家山河防洪标准为100 年一遇，入江口设计洪水位为8.68 m，上游滁河岔口设计洪水位为10.48 m。通过内插法，得出工程段设计洪水位为9.75 m。
1.2.2 控制蓄水位
目前，朱家山河上游至滁河岔口处尚无控制建筑物，下游与长江相通，距入江口300 m 处已建有节制闸。由于朱家山河上游进口处的滁河段通过另一条分洪道马汊河与长江相通，所以该段滁河水位受长江水位涨落影响明显。枯水期，长江最低水（潮）位时，该段滁河基本无水，导致朱家山河内也基本无水。汛期高水位时，朱家山河水位受滁河、长江影响。非汛期，关闸蓄水，蓄水位为6.58 m。
工程场地位于朱家山河 （浦泗路—龙泰路）北岸，为山丘区。该河段河底高程为4.00～4.50 m，堤顶高程为21.30～25.70 m，无堤顶道路，坡面植被、树木发育。工程区属老山周围岗地工程地质亚区，属岗台地、岗间洼地相间地貌，地形波状起伏，相对高差为10～20 m。岗台地以中—低压缩性黏性土为主，岗间洼地分布中—高压缩性黏性土、淤泥质土等，土岩接触段常分布薄层黏性土混卵砾石，土层厚度一般为5～20 m，自上而下为素填土①1、粉质黏土②1、粉质黏土②3、含细沙粉质黏土③1、含砾粉质黏土④、强风化沙质泥岩⑤1、中等风化沙质泥岩⑤2。各土层岩性特征如下：（1）素填土（粉质黏土）①1。普遍分布，弱透水，土质均匀性较差，力学强度较低，工程性质较差，厚度约为3～5 m。（2）粉质黏土②1。普遍分布，力学强度一般，抗冲刷能力一般，工程性质一般，厚度约为4～6 m。（3）粉质黏土②3。局部分布，力学强度较低，抗冲刷能力较差，工程性质较差，厚度约为8～10 m。（4）含细沙粉质黏土③1。普遍分布，力学强度较高，抗冲刷能力较强，工程性质较好，厚度约为10～12 m。（5）含砾粉质黏土④。广泛分布，力学强度高，埋深较大，工程性质较好，厚度约为1～1.5 m。（6）强风化沙质泥岩⑤1。普遍揭露，力学强度高，工程性质较好，厚度约为1～2 m。（7）中等风化沙质泥岩⑤2。普遍揭露，力学强度高，工程性质好，分布厚度约为10～15 m。各土层物理力学指标如表1 所示。
表1 勘探土层物理力学指标推荐值表
Tab.1 Recommended values of physical and mechanical indexes of exploration soil layer
该工程采用顶管为DN1200 钢筋混凝土Ⅲ级专用顶管，主要穿越土层为含砾粉质黏土层。施工时，采用专用工具和起吊设备对管道进行搬运、吊装和运输，所以需考虑的荷载主要为运输吊车自重、顶管机头自重、顶管推力和注浆压力。由于顶管推力方向垂直于计算断面，可不予考虑。
经分析，施工荷载取值为：12 t 起重机1 台，每次吊放顶管1 节，总荷载为39.2 kN，均布荷载为3.1 kN ／m2；渣土车1 辆，满载时质量为22 t，均布荷载为17.2 kN／m2；土方堆载按照半径5 m、高3 m 的圆锥计算；挖掘机1 台，均布荷载为17.6 kN／m2；现场顶管按10 根单层堆放，总荷载为225.4 kN，均布荷载为7.84 kN／m2；沉井位置综合取坡顶均布荷载50 kN／m2；工作井位置综合取坡顶均布荷载25 kN／m2。顶管处断面计算考虑顶管自重及注浆压力。DN1200顶管机头自重为11.76 kN。注浆压力一般控制在1～2 MPa，本次计算选用2 MPa。
由于垂直于顶管顶进方向的土体受力相似，因此可将其计算模型概化为纵向厚度为1 m 的拟三维模型，进行平面应力分析［13－14］。管线与周围地层摩擦力为地层竖向压力乘以土体的摩擦系数，摩擦系数一般取0.2～0.3。由于工程段为切岭段，本次堤防稳定分析仅对迎水坡进行计算。
基本假定：（1）只考虑顶管施工时管侧摩阻力对堤防土体的影响，不考虑注浆压力的影响；（2）土体为匀质、线弹性半无限体；（3）顶管施工一次成功，轨迹单一，不考虑钻头机纠偏、旋转的影响；（4）侧摩阻力沿穿越轨迹均匀分布；（5）模型计算过程不考虑时间效应，仅为空间位置上的变化。
顶管穿越管线顶部距离河床底部的垂直距离为顶管埋深。分别计算顶管埋深为3 m、6 m、9 m、12 m、15 m 时，顶管施工对堤防安全稳定性的影响，计算结果如图1 所示。
由图1 可知，随着顶管埋深的增加，堤防的安全稳定系数也随之增加，且近似为线性变化，并有向原堤防安全系数值逼近的趋势。这说明，顶管埋深越深，其施工对堤防的影响越小。当埋深小于5 倍洞径时，顶管施工对堤防的影响较大，堤防安全系数降幅约为70%，建议优化顶管设计；当埋深为5～9 倍洞径时，建议对岸坡进行适当的加固处理；当埋深超过9 倍洞径时，顶管施工对堤防的影响较小，可以忽略不计。
图1 顶管穿越管线埋深对堤防安全稳定性的影响
Fig.1 Influence of buried depth of pipe-jacking crossing pipeline on safety and stability of dike
取顶管埋深为3 m，分别计算顶管直径为500 mm、800 mm、1 000 mm、1 200 mm、1 500 mm 时，顶管施工对堤防安全稳定性的影响，计算结果如图2所示。
图2 顶管穿越管线直径对堤防安全稳定性的影响
Fig.2 Influence of diameter of pipe-jacking crossing pipe on safety and stability of dike
由图2 可知，随着顶管直径的增加，堤防的安全稳定系数随之降低。这说明，顶管直径越大，对堤防安全稳定的影响越大，且其近似呈线性变化。
考虑本文污水管工程受用地及进出口标高限制，沿河管线埋深约为5～6 倍管径，不满足影响分析中大于9 倍洞径的要求，故岸坡需进行相应加固处理。
本文提出灌注桩及削坡增设平台2 种岸坡处理方案。灌注桩方案是在15.4 m 高程处灌注单排桩，桩径为0.8 m，桩长为15 m，桩间距为2.0 m。削坡增设平台方案是在19.0 高程处设置10 m 宽平台，进行1∶2 削坡；在11.3 m 高程处灌注单排桩，桩径为1.0 m，桩长为15 m，桩间距为2.0 m。
分别计算正常运行条件和非正常运行条件下工程段岸坡典型断面安全稳定性。具体工况为：（1）正常运行条件。控制蓄水位稳定期和设计洪水位（9.78 m）稳定期。（2）非正常运行条件I。设计洪水位骤降期和施工期。（3）非正常运行条件II。控制蓄水位（6.58 m）或遭遇7 度地震。
经计算，3 种工况条件下，工程段岸坡典型断面的安全稳定性如表2 所示。由表2 可知，2 种方案均使岸坡迎水侧的安全系数达到规范要求。但在削坡需要占地面积较大的情况下，采用灌注桩加固方案更为简单。
表2 工程段岸坡典型断面安全稳定计算结果
Tab.2 Calculation results of safety and stability of typical bank slope section of project
顶管管线埋深与堤防的安全稳定系数存在正比关系，其中，当埋深超过约9 倍管径时，顶管施工对堤防的影响较小，可忽略不计。顶管管径与堤防的安全稳定系数存在反比关系，且近似为线性变化。在顶管埋深小于5 倍管径时，顶管穿越后的堤防迎水坡安全系数降低为穿越前的1／3。因此，在施工过程中，应选取适当的顶管管径和埋深，加强对堤防变形的安全监控，尽量减少对堤防的影响。考虑施工顺序对岸坡稳定的影响较大，建议先进行岸坡处理，再进行污水管工作井及顶管施工。结合局部削坡形成打桩工作平台，坡面由上而下分级、分层挖除，挖除土体应立即运离施工现场。土方外运路线应与坡顶线保持一定安全距离。
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Analysis on Influence of Pipe-jacking Construction on Dike Stability
LIU Yi，ZHANG Yin，WANG Xiangyu，SHAO Yuchen
（Nanjing Water Planning and Designing Institute.Co.，Ltd，Nanjing 210006，Jiangsu，China）
Abstract： In order to analyze the influence of pipe－jacking construction on dike bank slope，aiming at a sewage pipe crossing project of Zhujiashan River，the load value of calculation model during the construction period of pipe jacking is analyzed.The influence of different buried depth and pipe diameter of pipejacking on bank slope stability is discussed，and the bank slope treatment scheme is put forward during the project construction.
Key Words： Pipe－jacking construction；bank slope stability；load value；pipe－jacking buried depth；pipe－jacking diameter；treatment scheme
作者简介：刘 懿（1989—），女，安徽安庆人，工程师，硕士，主要从事水工结构和农田水利设计工作。
[责任编辑 杨明庆]
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