管道穿越河道防汛安全影响分析

刘鹏晨

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

0 引 言

上海市濒江临海、地势低平，中心城区部分道路排水管道管径偏小、超期服役，管道的输送能力存在不足，对地区排水造成了一定影响。近年来随着上海市区道路积水改善工程的实施，对道路沿线排水管道进行达标改建，缓解了暴雨期间道路排水不畅和路面积水现象，保障了区域防汛排水安全。工程中排水管道穿越河道常采用顶管施工方法，此类非开挖施工方法可有效减少大开挖对地面建筑物和环境的影响，同时不受潮汛影响可以度汛施工，但其顶管工作井、接收井基坑施工和管道非开挖施工对土体产生了扰动，可能影响周围防汛设施的安全[1-4]。

1 工程概况

为进一步完善地区排水系统的建设，切实保障防汛排水安全，实施上海市虹口区某道路积水改善工程。结合该地区所属排水系统规划，工程拟建雨水管管径DN1200，收集沿线两侧地块雨水及上游转输万安路、池沟路、保宁路、万寿街、河滩西路、斗台街雨水量后，由东向西接入水电路已建雨水总管内。雨水管需在水电路东侧倒虹过斜塘河，采用顶管施工，顶管长度68m，按顶管距离规划河底至少2m净距来控制，设计顶管底标高-3.5m，埋深7.7~8.71m，位于③层灰色淤泥质粉质黏土。顶管工作井设于斜塘河东侧绿化带内，顶管接收井拟设于水电路西侧绿化带内（见图1）。

图1 雨水管穿越斜塘河段平面图

根据顶管设计高程，顶管穿越防汛墙处与斜塘河两岸现状防汛墙桩基存在冲突（见图2）。为了保证顶管的正常施工，需要预先将影响顶管施工的部分桩基拔除，对防汛墙结构进行改建，恢复防汛墙后进行顶管施工，防汛墙考虑整幅修复。

图2 雨水管穿越斜塘河段纵断面图（单位：mm）

2 管道穿越段防汛墙改建设计

2.1 现状防汛墙结构形式

斜塘河两岸现状防汛墙为前板后方的浆砌块石高桩承台结构，其中前排桩基采用220 mm×500mm×10 000mm的钢筋混凝土板桩，桩尖标高-8.0m，后排桩基采用220mm×280mm×10 000mm@1 000mm的钢筋混凝土方桩，桩尖标高-8.0m。

2.2 改建防汛墙断面结构

该工程拟建DN1200雨水管跨斜塘河段采用倒虹穿越斜塘河，采用顶管施工方法。根据顶管设计高程，管道穿越防汛墙处设计顶管底标高-3.5m，与斜塘河两岸现状防汛墙桩基布置存在冲突，拟拔除防汛墙桩基，对防汛墙结构进行改建，待恢复防汛墙后进行顶管施工。据有关部门协调，此次考虑管道穿越斜塘河段两岸各一整幅的防汛墙改建与修复。

改建防汛墙结构将原防汛墙上部浆砌块石墙身和钢筋混凝土底板全部拆除，顶管穿越段改建防汛墙为管道轴线两侧各2m范围，需拔出原防汛墙桩基，将在管道两侧新建三排600×10 000mm钻孔灌注桩，两侧桩净距为2.2 m，满足顶管的穿越条件（见图3）；穿越段两侧为标准段防汛墙，对原有桩基保留利用，并在后侧增加一排600×10 000mm钻孔灌注桩，间距2 000mm（见图4）。改建防汛墙桩位布置如图5所示。

图3 管道穿越段改建防汛墙结构断面

图4 标准段改建防汛墙结构断面

改建防汛墙上部结构采用钢筋混凝土L形挡墙，墙前设浆砌块石护坡以1∶2.5放坡至河底。

图5 改建防汛墙桩位布置

3 基坑工程对防汛墙安全的影响分析

顶管工作井位于斜塘河东侧，平面内净尺寸为8 500mm×4 100mm，工作井围护结构西侧距现状斜塘河防汛墙约12m；顶管接收井位于斜塘河西侧，平面内净尺寸为3 900mm×3 500mm，接收井围护结构东侧距现状斜塘河防汛墙约30m。斜塘河东西两侧基坑开挖深度均为9.5 m，坑底位于③层灰色淤泥质粉质黏土层。

考虑到该项目顶管工作井和接收井距离河道较近，斜塘河两岸防汛墙均在基坑开挖的4倍范围内，故必须分析土方开挖引起的防汛墙变形沉降及河道高水位工况下基坑自身渗透稳定问题，避免基坑发生渗透破坏，进而导致防汛墙的坍塌[5]。

3.1 基坑开挖引起的防汛墙沉降影响分析

该项目基坑开挖对防汛墙的主要影响在于土方开挖引起的防汛墙土体的变形沉降。为分析基坑开挖对斜塘河两侧防汛墙的影响，采用有限元分析软件Plaxis建立了基坑开挖过程对斜塘河防汛墙影响的二维有限元模型，进行了弹塑性有限元计算，预测基坑施工引起的防汛墙沉降变形。

模型参数如下：

（1）土体采用Hardening–soil模型。

（2）土层参数采用管道穿越范围的地质资料设置。

（3）坑外水位取地面以下0.5 m；坑内水位取坑底下1m。

（4）超载按实际情况考虑，按20 kN/m2计算。

（5）采用弹塑性无厚度Goodman接触面单元模拟地下结构与土体和加固体之间相互作用。

（6）计算区域：深度取距坑底以下30m计，模型宽度50m。水平为X向，竖直为Y向，且对X边界施加Y向位移约束，Y边界施加X向约束。采用等三角形15节点平面单元模拟土体。

防汛墙变形沉降计算有限元模型如图6、图7所示。

图6 工作井施工对斜塘河东岸防汛墙的变形沉降计算有限元模型

图7 接收井施工对斜塘河西岸防汛墙的变形沉降计算有限元模型

经过模型分析，基坑施工过程中引起的防汛墙墙顶最大水平位移为3.65mm，墙顶最大垂直位移为8.59mm，基坑施工过程中引起的防汛墙变形均控制在10mm以内，但墙顶垂直位移接近报警值，考虑到理论计算与实际情况存在一定差别，施工过程中应增加监测，如发现位移超过报警值，应及时与相关部门、建设责任单位和设计单位联系，采取必要措施，保证防汛墙安全。待基坑工程施工结束后，应对沿线防汛墙进行一次全面的安全鉴定，如存在损坏，应立即修复；如存在安全隐患，也应采用有效的对策措施，保证防汛安全。

3.2 基坑自身渗透稳定性分析

该项目穿越斜塘河顶管工作井、接收井紧邻斜塘河，河道水体的变化将对基坑自身的渗透稳定带来直接影响。在基坑施工过程中，当河道高水位时，由于水头差较大，土体可能会造成渗透破坏，因此需要对此情况进行复核。

计算选取斜塘河高水位4.44m，基坑开挖到底时作为复核工况，采用二维平面渗流有限元分析软件Slide进行计算，验证基坑开挖至坑底遭遇河道高水位时的渗透稳定情况。

基坑渗流计算有限元模型如图8、图9所示。

图8 斜塘河高水位工况下工作井的渗流计算有限元模型

图9 斜塘河高水位工况下接收井的渗流计算有限元模型

经过模型分析，该项目工作井、接收井坑底最大出逸坡降小于0.60，最大渗透流量为1.47×10-5m3/（d·m）。根据《地基基础设计标准》（DGJ 08-11—2018）给出的上海地区土层的允许渗流坡降[6]可知，基坑围护止水措施严格按照设计方案施工并确保施工质量的前提下，该项目基坑理论上不会发生渗透破坏等问题。

4 顶管施工对防汛墙安全的影响分析

该工程拟建DN1200雨水管跨斜塘河段采用倒虹穿越斜塘河，采用顶管施工方法。顶管穿越斜塘河东、西岸防汛墙处正下方顶管管顶标高约-2.30m，改建防汛墙桩基在顶管穿越位置采用门洞式布置，管道正上方无桩基结构，此处防汛墙底板底标高为1.80m，管道管顶距离防汛墙底板4.1m左右，因此管道施工过程中不会发生与防汛墙底板的直接碰撞。同时顶管顶部距规划斜塘河河底高程的埋置深度大于100 cm，满足《上海市跨、穿、沿河构筑物河道管理技术规定（试行）》第3.1条的规定[7]。

4.1 顶管施工引起的防汛墙沉降影响分析

管道顶进过程中，需穿越凉亭建筑、斜塘河、水电路道路和地下管线，对地面的沉降要求较高，顶管进出洞时需穿越钻孔灌注桩围护与高压旋喷桩止水帷幕以及压密注浆土体加固区，对掘进机机头的切削能也有一定的要求，同时刀盘开口率应满足在粉性砂土层施工要求。综合以上因素，为有效保护周围构（建）筑物及地下管线，该工程顶管掘进时采用对地面沉降影响较小的平面大刀盘泥水平衡式顶管掘进机。

为了分析顶管施工对斜塘河两岸改建防汛墙沉降位移的影响，采用有限元分析软件Plaxis建立顶管施工过程对斜塘河两岸防汛墙影响的二维有限元模型，进行弹塑性有限元计算，预测顶管施工引起的防汛墙变形。

模型参数如下：

（1）土体采用Hardening–soil模型。

（2）土层参数采用管道穿越范围的地质资料。

（3）地下水位取地面以下1.0m。

（4）地面荷载为5 kN/m2。

（5）采用弹塑性无厚度Goodman接触面单元模拟地下结构与土体和加固体之间相互作用。

（6）计算区域：深度取距离顶管以下足够深度，为20m；模型宽度考虑顶管穿越范围以外上、下游各20m，即40m。水平为X向，竖直为Y向，且对X边界施加Y向位移约束，Y边界施加X向约束。采用等三角形15节点平面单元模拟土体。

（7）有限元计算中土层损失率取0.3%。

顶管施工引起防汛墙沉降计算云图如图10、图11所示。

图10 顶管施工引起斜塘河西岸防汛墙沉降计算云图

由图10、图11可知，斜塘河西岸防汛墙最大沉降量1.12mm，斜塘河东岸防汛墙最大沉降量1.16mm，均控制在10mm以内。因此在确保施工质量的前提下，理论上顶管施工不会影响防汛墙的安全。

4.2 预防和减轻顶管施工对防汛墙安全影响的对策措施

（1）合理设置施工参数，在穿越防汛墙前后15m范围内，适当控制掘进速度，保证施工精度，避免频繁纠偏对土体造成反复扰动。

（2）不得在防汛墙下方停机，保证一次性通过。同时控制压浆质量，最大可能地减小土层损失，将防汛墙变形控制在最小值。

图11 顶管施工引起斜塘河东岸防汛墙沉降计算云图

（3）加强动态信息化施工的技术含量，使监测数据能以最短的时间得到传递、反馈，以便调整参数、及时验证，从而使施工过程始终处于最优化状态进行。

（4）做好防汛预案，配备充足的防汛抢险物资和器材，组织好抢险队伍，如接到报警可随时进行抢险工作。

5 结 语

管道采用顶管施工方法穿越河道节点时，应根据管道设计平、纵、横断面与现状防汛设施相对关系提出穿越段防汛设施改造方案，同时设计方案应充分考虑施工过程对防汛安全的影响：

（1）顶管工作井、接收井基坑施工对周围防汛设施的变形沉降影响分析。

（2）河道高水位工况下基坑自身的渗透稳定分析。

（3）顶管施工对周围防汛设施的变形沉降影响分析。

本文以上海市虹口区某道路积水改善工程为例，采用有限元计算软件分析了顶管穿越河道施工对防汛安全的影响。模型计算表明，施工期间满足防汛设施的安全运行，为保证实际施工过程中防汛设施的安全，应采取信息化施工，加强对防汛设施的沉降位移监测，确保施工安全和工程质量。