海峡段施工方案比选及围堰最优化分析

石 雷,李志华,穆檄江,关永平

(1.东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳110819;2.中国建筑第五工程局有限公司,湖南长沙410004)

近年来,随着城市的快速发展,市政管道工程随之增多,沟槽越来越多的应用于供水工程。由于供水管线线路上地质情况复杂、沟槽附近建筑物、沟槽断面形式选择不合理、降水不利和施工工艺不科学等因素,常常发生槽底泡水、沟槽断面不符合要求等情况,甚至导致边坡塌方,给施工带来麻烦,从而影响工程的质量和进度。合理的沟槽施工工艺对于沟槽的稳定性至关重要,常采用的施工工艺有顶管法施工方案、钢板桩支护法和两侧土石方围堰法等。沟槽断面形式有直槽、梯形槽、混合槽等;当有两条或多条管道共同埋设时,还需采用联合槽[1]。

本文依托大连长兴岛临港工业区二期供水工程海峡段,对施工工艺进行比选,最后通过数值模拟来优化围堰宽度,现场实施情况证明数值模拟结果准确,可供类似沟槽工程参考。

1 工程概况及施工环境

1.1 工程概况

大连长兴岛临港工业区二期供水工程主要供水对象为长兴岛临港工业区的长兴岛街道、交流岛街道。工程设计任务是满足受水区2020年的用水需求。工程设计年输水量1×108m3,其中长兴岛支线日输水量约18×104m3,交流岛支线日输水量约6×104m3。输水线路起始于东风水库高位水池坝下DN1800连接钢管,途经瓦房店市太阳升街道、复州城镇、杨家满族乡、三台子满族乡、泡崖乡、谢屯镇,及长兴岛临港工业区的长兴岛街道及交流岛街道,终止于长兴岛街道净水厂与交流岛街道净水厂。穿越的主要地物为:沈大高速公路、哈大高速铁路、202国道、复州河、复州湾海峡等。

输水管线由两部分组成:长兴岛线路49.86 km,交流岛支线路24.46 km,输水线路总长度74.32 km。

本工程设计输水管线桩号41+381.96～42+124.97段穿越复州湾海峡,穿越长度为743.01 m,此处施工为三根直径为DN1200的钢管同沟槽铺装。

1.2 现场施工环境

该工程工期短,线路长,工程量大。在输水管线线路中,地质情况复杂,必要时要进行爆破处理,因此带来较大安全隐患。在跨海段,因为周围养殖场的关系,两边水体需要联通,不可阻断水路,以及对施工污水排除带来很大影响。海底情况复杂,施工中,不可预见性问题多。

桩号41+381.96～42+124.97段管道穿越复州湾海峡,地质主要是粉细砂和淤泥质粉质粘土。管道铺设于海底淤泥段中,管道敷设于海底自然地面以下2.8 m处,海水深约1 m左右。42+124.97处附近与滨海路相接。如图1所示。

图1 复州海峡

2 施工工艺比选

在管道工程中,沟槽工程占有很重要的地位,所以沟槽的质量应得到高度重视。由于该工程需要穿越复州岛海峡,工程量大且工期较短,所以工程技术人员和相关专家提出了几套方案进行比选。

方案1:顶管过海峡方案

所谓顶管法施工,即在工作坑内借助于顶进设备产生的顶力,克服管道与周围土壤的摩擦力,将管道按设计的坡度顶入土中,并将土运走,一节管子完成顶入土层之后,再下第二节管子继续顶进[2]。

顶管法具有鲜明的优点,不需要开挖,能够穿越建筑物、道路和地下管线等。顶管法能够连续顶进的距离越来越长[3],还能够将工作面由线变成点,大大降低了工程量,从而降低了工程造价。顶管法能够在不影响地上活动和交通的情况下正常施工,施工噪音也比较小,施工速度也比较快,周期短,从而与其他施工方法相比,减少了对线路周围居民正常生活的影响。

若采用此方案有如下难点:(1)本段管线需要穿越海峡区,由于地质主要是粉细砂和淤泥质粉质粘土,可能发生塌方的危险。(2)海底施工,施工难度大。(3)跨海峡长度达743.01m,距离过长,导致施工难度增大和造价俱增。

综上所述,顶管法虽具有很多优点,但具体应用到本工程中难点过大,所以该方案很难实现。

方案2:钢板桩支护法

钢板桩支护法是依靠钢板桩之间的锁口扣接,形成一道整体性强的挡土墙,既能挡土,又能止水[4]。

钢板桩支护法也有其鲜明的特点。可回收多次利用,施工机具简单,施工灵活,工期较短,噪音较小,对周围已有建筑物及市政设施影响较小[5]。另外其能够保证沟槽的稳定性,从而保证施工的安全性。

但其也有一定的难度:(1)地质主要是粉细砂和淤泥质粉质粘土,容易导致桩体不稳,从而引起沟槽失稳,甚至坍塌。(2)可能由于钢板强度不够引起坍塌,从而影响工程进度,增加工程造价。

综上所述,钢板桩法虽有很多优点,但也不能回避其在此地质条件下的危险程度和施工难度。

方案3:两侧土石方围堰法

围堰法是指在水利工程建设中,为建造永久性水利设施,修建的临时性围护结构。其作用是防止水和土进入建筑物的修建位置,以便在围堰内排水,开挖基坑,修筑建筑物。土石方围堰与一般土石坝相比,在结构、施工和运行上有其自身的特点,主要是因为围堰作为一种临时性坝工,仅在施工导流期间承担阻挡洪水,给主体工程创造干地施工的条件,因而具有了围堰自身所固有的一些特点[6]。

土石方围堰法也有一些优点,如造价低,施工方法简单,施工难度小。但其也有缺点,如需要较大的场地,在本段跨海区域地质主要为粉细砂和淤泥质粉质粘土,容易发生围堰坍塌等事故。

通过对上面三种方法进行比较,再综合工程进度、工程造价和施工安全等因素后,工程技术人员和相关专家决定采用方案3。

在选择了施工工艺后,具体的施工工序为:施工准备→测量放线→围堰→防渗→沟槽开挖→地基强夯→管道敷设施工→管道接口及防腐施工→回填及防护施工。本段管线施工围堰在离管线左右侧90 m位置各布置一道施工围堰挡水,回填开山石料、抛填100 kg～150 kg块石护脚。围堰剖面图如图2。过海围堰在围堰内进行垂直防渗,垂直防渗采用土工膜防渗,用链槽机开槽铺设垂直防渗复合土工膜。高潮时水位是2.1 m,过海围堰堰顶高出高潮水位1.5 m～1.6 m。因为海峡段地质主要为粉细砂和淤泥质粉质粘土,所以采用抛石挤淤。

图2 围堰剖面图

3 海峡段施工数值模拟

3.1 计算模型

围堰的安全直接关系到工程的进度及安全性,甚至人身安全[7]。围堰边坡的边坡比和宽度,对于围堰的稳定性起着十分重要的作用。所以说合理的边坡坡度和堰体宽度十分重要,通过数值计算来确定一个科学的坡度和掩体宽度,在满足设计要求的情况下,选取一个最优值,达到节省工程造价的效果。选取K41+924处的围堰在Ansys[8]里面建立数值计算模型,数值计算模型如图3。经过现场实测得到材料物理参数,如表1。

图3 围堰数值模拟计算模型

表1 材料物理参数

3.2 模拟结果

通过改变围堰的宽度和边坡比,大量模拟计算后,得到围堰达到极限状态时宽度和边坡比,具体尺寸见图4。数值计算结果见图5和图6。

图4 围堰具体参数

图5 水平位移云图

图6 位移矢量示意图

3.3 计算结果分析

从K41+924处围堰的数值模拟结果看以看出:(1)开山石料围堰的重量会影响坝体下方的土体内力分布,进而影响坝体稳定。(2)在围堰高出涨潮高度1.5 m以上时,海水达到涨潮水位后,围堰有滑动的趋势,但依然能够保持稳定。所以建议可以适当增加围堰高度。(3)当围堰下边坡的边坡比为1∶2,上面边坡的边坡比为1∶1.5时,围堰底角的位移达到9 mm,接近极限状态,所以建议施工时在保证围堰高度的前提下,采用更缓点的坡降比,也可以在非沟槽侧再添加一段边坡,该边坡的坡降比与围堰上边坡坡降相同,如图7。

图7 建议围堰形式

4 结 语

本文通过分析各种沟槽施工工艺的优缺点,并与大连长兴岛临港工业区二期供水工程具体工程地质相结合,对不同的施工工艺方案进行比选。最终选择了土石方围堰这个较为科学合理的方案。降低了施工难度,在保证施工质量的同时,降低了工程造价。最后通过数值模拟对围堰的具体参数进行了优化,在保证围堰稳定的前提下,提高了工程进度,降低了工程造价。结合数值模拟结果为工程提出了相应的建议。可为类似工程提供参考。

[1]刘丽红.浅谈市政工程沟槽开挖设计及工程质量技术措施[J].价值工程,2011,30(32):104.

[2]李素平,褚晓丽.顶管施工技术研究[J].中国新技术产品,2011,(8):43.

[3]黄国平,金 俊,姚永斌,等.顶管在管道建设行业中的应用[J].科技与企业,2011,(11):97-98

[4]叶继杰,徐光辉.软土土质中管道沟槽开挖施工技术[J].山西建筑,2009,35(21):156-157.

[5]张 敏.软土基坑钢板桩支护数值分[C]//中国土木工程学会.2006年中国交通土建学院学术论文集.成都:西南交通大学出版社,2006:1029-1034.

[6]石蹈波.大型水电站高土石围堰安全研究[D].南京:河海大学,2007.

[7]卢晓春,田 斌.土石围堰边坡安全性研究[J].地下空间与工程学报,2007,3(Z1):1284-1286,1290.

[8]李新坡,袁文忠.ANSYS结构计算二次开发技术研究及应用[J].岩土工程技术,2004,18(2):100-102.