滑坡地质环境下管节破坏分析与施工对策

王 羽,肖盛燮,张元才

(1.重庆交通大学应用技术学院,重庆 400074;2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都 610059)

1 工程概况

重庆市主城排水工程为污水截流顶管工程,管径为φ 2.2 m,全长约2 500 m,整条线路沿长江南岸滩内侧人行道布置,分四个工作井(编号为 1#、2#、3#、4#)施工。该工程管顶最大覆盖土层的厚度为 2.90 m,最浅覆盖土层的厚度为 0.5 m,平均厚度为 0.95 m,属超浅层顶管[1]。在2 508 m长的顶管轴线有1 120.7 m是圆弧曲线,曲率半径最小的为 400 m,最大的为1 200 m,显然,也属于曲线顶管。

施工区域于两年前沿长江岸滩回填新建人行道下,与滨江路相伴而行。管道沿线范围内的土层条件,由上而下为回填土、砂岩、页岩,呈现很大的不均匀性。人行道路基已填筑 2～3年,路基沉降已基本完成,可以作为地基持力层。地面高程在 186.90～195.53 m之间,最大的相对高差仅 8.63 m。由于设计变更的原因,顶管需要穿越一段滑坡坡趾部分砂岩岩层,位置如图1。

2 管节破坏

2.1 事故发生的位置

事故发生区域处在约 100 m山体滑坡坡趾范围地段内(如图1),距 1#工作井 97 m处有 10多 m山体滑坡明显,地面开裂,最大缝宽约 5 cm,并处在路边一巨型广告牌下方。在此处土层为连续山岩,在管内观测其土体有明显呈水平及向外倾斜状土层分布带,土层裂隙破碎、泥与岩石交错(如图2)。当时 24 h凿基岩顶管进尺平均只有 80 cm。为加快施工进度,施工单位曾拟文上报,要求采用静态爆破等措施加快施工进度。相关工程师进行了施工现场分析,得到的结论是:该段属于岩土层不稳定地段,目前机头内岩土层情况好转,基岩逐渐减少暂时不适宜采用静态爆破施工,继续采用人工凿除岩石法缓慢顶进施工。

图2 破坏管节横断面

2.2 事故过程描述

在 1#工作井至 2#工作井之间,顶管顶进至距 1#工作井 132 m(顶进到 45#管)的过程中,距 1#工作井 87 m位置处 16#与 17#管节接头处 16#管的后端部右下口处混凝土突然裂开,裂缝沿管环端部长度约 20 cm,宽度约 20 cm,呈峰谷状。随即对整条管线进行检查,发现机头后 30 m(距 1#工作井 100 m位置处)以后的 11～16#共计 6节管 18 m长范围内,每节管节在后端右上口部径向开裂、后端右下部及正上部出现纵向裂缝和不明显的细小斜裂缝,其中 14#、16#管比较严重,其余管裂缝较轻。另外,在两节管节接头处出现错缝,其中 15#和 16#管节接口错位尤为严重,初期达 28 mm、现在已达 35 mm。除 11～16#管节外,其余管节未发现类似破坏情况。根据上述情况,决定该段顶管暂时停工。

经事故分析处理并对破裂管节进行修复后重新试顶,试顶时顶进约 1 m多,又在 17#管右上侧和 18#管右下侧新发现局部裂纹,立即停顶。此时 2#中继站最大顶力为7 300 k N,油缸压力 23 MPa,1#中继站与总站顶力约1 590 k N,油缸压力 5 MPa。经商定,1#工作井停止顶进,顶管机头停止在大约距1#工作井 133 m处。

3 事故原因分析

3.1 边坡自稳定性降低

通过对该边坡进行工程地质勘察,主要地层为人工填土、粉质黏土、强风化粉砂岩互层、中等风化砂岩互层、强风化泥灰岩、中等风化泥灰岩。受区域构造、风化剥蚀影响,岩体较破碎,风化岩体节理裂隙极发育。据调查分析滑坡的形成原因:①地形条件 该处原始地貌为一斜坡地带,坡度 30°～50°,较陡,存在边坡失稳的地形因素;②地层结构 滑坡地层主要呈土状,厚度较大,渗透性好,渗水后引起强风化岩体强度降低,加上雨季暴雨沿风化裂隙入渗形成通道,渗水后强度降低,既增加了滑坡体的载荷,又给滑坡创造了条件,这是滑坡形成的内在因素;③下伏基岩作用 测区岩层多为顺坡及小角度斜交,节理裂隙发育,岩体较为破碎,结构呈碎裂 ～碎裂镶嵌块体结构,岩体组合不利于边坡稳定。全顺坡结构容易引起内部强风化岩层的顺层滑动及地下水渗流浸润作用,这也是滑坡形成的内在因素之一。而且在发生滑坡前,开挖管沟时发现边坡土体有明显的地质断层痕迹,强风化砂砾岩有较清晰的滑动面特征。另一个重要原因是施工单位没有处理好顶管施工中抽水及排水问题,开挖的土体含粉砂量很大,经水浸泡,马上变成流质土,致使管沟根基不稳。

3.2 顶管轴线曲率半径减小[2]

3.2.1 顶管轴线出现偏移的原因

该段顶管为曲线顶管,设计要求是曲率半径为600 m的圆弧曲线,处在约 100 m山体滑坡坡趾范围地段内。在滑坡坡趾范围内施工就要求在施工时必须对顶管轴线进行监测,通过监测发现,在滑坡坡趾处发现明显的下滑迹象,造成在距 4#工作井 102 m位置处轴线偏移达 6.2 cm,量测结果见图3。这是由于顶管内下侧为破碎岩石、外侧为高填方松散土层、连续几天强降雨,造成山体加速下滑,破坏了曲线顶管的被动土压力平衡;从而需要曲线外侧的土体提供被动土压力来平衡,因此造成该处已顶进顶管轴线偏移。

图3 山体滑坡发育引发的顶管轴线偏移

3.2.2 滑坡发育导致轴线曲率半径减小

对于管顶覆盖土层只有 2.5 m、管节外径为 2.64 m及曲线的曲率半径只有 600 m的大型顶管来说,要求的管节接缝宽度 Δa较大,从而导致曲线顶管管节接缝处的左右两侧受力不均匀加剧。对于该工程的右偏曲线上的管节,其接缝处右侧的应力远远超出左侧;另外,如图1所示,正在发育的滑坡体也在轴线的右侧,事故发生前的连续强降雨促使滑坡发育加快,使该处的顶进顶管轴线向左(靠长江一侧)侧发生横向位移,进而导致该处顶管管节接头位置的曲率半径骤减;这样就进一步加剧了这些管节接头位置左右两侧的不均匀受力,在其右侧一定会出现应力集中现象。集中应力一旦超出管节混凝土的抗压极限强度,就会在管节后端的接缝处出现径向裂缝,直至混凝土破坏。

3.2.3 管节长度急剧变化导致轴线曲率半径减小

该段的管节布置情况是,机头后的十节管节长均为 2 m,紧接着的是 1#中继站长 1.8 m,1#中继站之后的管节长均为 3 m。曲线顶管轴线由一小段一小段直线形成,每小段的长度(即顶管管节长度)越小,顶管轴线的曲率半径相应的越小。当某一小段的长度发生变化,即顶管管节改变时,就会在发生变化的区段内使轴线的曲率半径也发生变化,管节由长变短,轴线的曲率半径可以相应增大,反之,则轴线的曲率半径可以相应减小。对该处的曲率半径只有 600 m曲线顶管来说,管节长度出现由 2 m变为 1.8 m,再变为 3 m,曲率半径出现先变大后变小的较大波动。在顶管轴线曲率半径减小和在机头遇坚硬岩石的强行硬顶的共同作用下,导致了事故发生在长为 2 m和 3 m管节的交接面之后的 11～16#管节段。

由滑坡发育和管节长度急剧变化的共同作用,使顶管轴线曲率半径在管节接缝处骤减,导致该处的局部出现应力高度集中,从而在管节后端出现径向裂缝。为什么在管节前端的接缝处不发生开裂呢?因为在顶管管节的前端有一圈宽 30 cm厚 10 mm的止水钢环包裹在混凝土的外侧,对该处的混凝土有很好的套箍作用[3],对该处的混凝土起到很好的保护作用。

3.3 瓶颈效应

本工程施工环境复杂,一方面在顶管管道正上方有巨型广告牌混凝土基础(如图2),尺寸 1.2 m×1.2 m,深度 2.5 m,其垂直荷载直接作用在管道上,尽管已经通知相关单位对广告牌进行加固,但广告牌混凝土基础还是有所沉降,直接压在顶进通道上,在管节周边形成卡口的一条受力约束边。另一方面,顶管采用的是人工风镐凿岩开挖方式,开挖断面比管节外径大约2 cm,形成管线通道。在曲线顶进和山体下滑并带动管节位移后管节通道发生改变,破裂岩石带及大块硬岩石也在管道周边形成另一条约束边。这样广告牌混凝土基础及破裂岩石带及大块硬岩石等外界约束对管道顶进通道形成瓶颈,在强行硬顶使顶管管节通过瓶颈时,使其发生挤压(尤其是在管节的右下范围内),导致通过该处的管节在局部出现应力集中现象,虽然进行了土体注浆和管节外周打蜡等减阻措施,但由于瓶颈效应造成严重的卡锁作用,致使减阻措施失效,所以就引发了接缝错位、管节径向爆裂,甚至管节纵向裂缝出现贯通等现象[2]。

3.4 管周岩体应变能的释放

施工开挖必然导致部分应力释放以及应力重分布。本工程顶管采用的是人工风镐凿岩开挖技术,在围岩开挖过程中使滑坡坡趾岩体的部分原岩应力解除,出现应力释放现象。滑坡坡趾岩体具有较高的天然应力,在开挖卸荷及特殊地质构造作用引起开挖周边岩体应力高度集中,并集聚了较高的弹性应变能,当开挖岩体中应力超过岩体的容许极限状态,导致大量的弹性应变能的释放。在对顶管施工过程中,一定会对管周围岩产生扰动,也易发弹性应变能的释放,导致管周围岩对管节产生严重的挤压作用,造成钢筋混凝土管节错缝、突然爆裂等[4]。

3.5 管节强度未达标

顶管管节破坏的内因,重点在本项目顶管管节混凝土强度部分未达到设计要求 C 50。事故发生后,检测部门对该段管节强度用回弹仪进行了一一检测,检测结果表明,50节管中强度超过 50 MPa为 26节约占52%,45～50 MPa范围内的为 12节约占 24%,小于45 MPa的为 12节约占 24%。这说明管节的强度存在一定的问题。

4 处理方案

4.1 滑坡治理方案

4.1.1 深层排水处理

由于地下水主要赋存于第四系松散坡残积层及基岩裂隙中,采用锚索处理时,必然有部分水泥浆液渗入到块石缝隙中,这会对固定块石、加固边坡、提高边坡的稳定有一定好处,但同时可能封闭了部分地下水排泄通道,造成地下水继续下渗。为了保证地下水能有效地排除,采取深层即导水孔排水。导水孔钻孔直径为 100 mm,导水管采用 φ 60 mmPVC带孔波纹管,管外用透水无纺土工布包裹。导水孔上仰与水平夹角为10°。本工程实际运用中根据边坡情况、边坡水出露位置、抗滑桩开挖后实际的地下水埋深、层位等作了适当加深。

4.1.2 抗滑桩桩身及桩顶横梁的预应力锚索加固

在 K 3+217～K 3+326段左侧边坡上设置一排钢筋混凝土预应力锚索抗滑桩,共计 10根,以抵抗滑坡体的剩余推力。抗滑桩桩顶高程与对应桩号左侧第二级平台高程相同,其断面尺寸为 1.8 m×2.5 m,中心间距为 8 m。抗滑桩桩身及桩顶横梁均设置预应力锚索,借以增大抗滑桩的抗滑力。桩身及桩顶横梁布设8φJ15.24高强度低松弛钢绞线,钢绞线标准强度不小于1 860 MPa;每孔张拉力 800 k N,对应采用 O V M 15-8型锚具,锚孔下倾角为 30°,孔径为 φ 150。该处设置锚索的目的是改变抗滑桩的受力条件,减少抗滑桩的截面尺寸及含筋率。本处设计设置锚索 19根,总延长950 m。

4.1.3 实时监控

实施滑坡治理措施,并量测边坡位移发展状况,确保滑坡得到有效控制。监控 11#～16#管的裂缝开展趋势,在裂缝没有继续扩大,同时在保证下一节顶管的完好无损的情况下,试顶推进 1#工作井的顶管。

4.2 管道处理方案

1)凿除破裂岩石带及大块硬岩石,及时消除顶管施工的瓶颈地段,使管道在继续向前顶进的过程中,减少行径通道的摩擦力,避免应力集中。

2)选用高强度环氧树脂砂浆,修补混凝土管破碎的部位,确保修补强度不低于 C 50。同时采用中港二航局 801胶修补混凝土管的裂缝,该产品可将混凝土与混凝土、混凝土与钢板之间粘结在一起,粘结强度超过混凝土本材强度。

3)及时取出破坏的混凝土管节,置换强度及质量经过检测的新管,加强施工质量控制。

5 结论

通过本工程,积累了大量经验和教训,今后在曲线顶管工程设计和施工中应着重注意以下几点:

1)首先要查清现场的地质状况,根据地质情况的不同选择不同的施工方案。由于滑坡是一个动态复杂的灾变过程[5],处于滑坡坡趾范围内的顶管工程,始终受到滑坡体的威胁,只有彻底解决该滑坡体问题,才能从根本上解决顶管工程在施工阶段和使用阶段的安全。

2)精心施工,减少纠偏幅度,严格控制顶管轴线偏差。顶进操作中要勤测勤纠,这样,可减少管道局部挠曲而增加对管周地层的扰动。在顶管工程设计中,尽量使管节长度一致,防止在出现局部曲率半径急剧变化的情况;在线路设计时,尽量避免小直径圆弧曲线。

3)设备的选型尽量符合土层的物理力学性质、应力分布状况。在机头(工具管)内取(岩)土可小幅度超挖,特别是在机头穿越岩层时,应当适当超挖,超挖量宜大于机头直径 3 cm。

4)顶管外周空隙注浆。由于顶管工具管与管道外径差异、工具管纠偏形成管道外周空隙、工具管及管道外周附着一层黏土而形成管道外周空隙,须精心压注触变泥浆予以填充。同时,利用管道注浆减摩。采用触变泥浆,向管道外壁压入一定量的减阻泥浆,在管道外围形成一个泥浆套,减小管节外壁和土层间的摩阻力。

[1]符礼斌.超浅层顶管施工控制技术[D].重庆:重庆交通学院,2004.

[2]杨转运.超浅层曲线顶管施工控制技术[D].重庆:重庆交通学院,2006.

[3]朱伯龙.钢筋混凝土结构[M].上海:同济大学出版社,1998.

[4]吴德伦,黄质宏,赵明阶.岩石力学[M].重庆:重庆大学出版社,2002.

[5]肖盛燮,钟佑明,郑义,等.三维滑坡可视化演绎系统及破坏演变规律跟踪[J].岩石力学与工程学报,2006(增 1):2618-2628.