污水管顶管下穿东深供水渠的安全影响分析

陈小丹，马 勇，邓义钊，林治平

(1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2.广东省岩土工程技术研究中心，广东 广州 510635)

东深供水工程是向香港、深圳以及沿线城镇提供东江原水的大型跨流域调水工程，跨越东莞、深圳两市，工程级别为Ⅰ级工程。为确保东深供水工程运行安全和水质保护，工程沿线划分了管理范围和保护范围。因东深供水工程具有跨度大、建筑物种类多、保护要求严格等特点，当沿途拟建的其他工程处于其管理或保护范围内时，需通过严格和科学的评估后方可实施。

本文以东莞市某污水管顶管下穿东深供水渠的建设工程为背景，采用数值模拟及Peck法沉降槽理论两种分析方法，对污水管顶管下穿时的东深供水渠的变形进行了分析和评估，以期指导本工程实施。

1 工程概况

本工程位于东莞市飞达路与东深供水渠的交界处，拟建污水管斜下穿现状东深供水渠，平面交叉角约54°，平面位置关系如图1所示。

污水管道为D820 mm×12 mm钢管，共分两条(下称左、右顶管) ，两管道中心距为2.0 m。顶管机采用泥水平衡形式，机头直径为836 mm，穿越管道长约75 m。工作井为6 m×4 m，井壁厚0.5 m，井顶地面高程为7.97 m，井底高程为-2.17 m，井壁结构距东深供水渠结构最近距离为14.69 m； 接收井为4 m×4 m，井壁厚为0.5 m，井顶地面高程为8.45 m，井底高程为-2.37 m，井壁结构距东深供水渠结构最近距离为13.82 m。工作井和接收井均采用沉井法施工。东深供水渠渠底及护坡均采用0.15 m厚的素砼进行硬化，两侧设置浆砌片石挡土墙，渠底高程为3.00 m，穿越钢管顶面高程为-0.73 m，管顶与渠道底净空距离3.73 m。污水管和东深供水渠的空间位置关系如图2所示。

场地自上而下地层分别为素填土、黏土、淤泥质土、粉质粘土、粉土、中粗砂，各岩土层的物理力学参数如表1所示。

2 数值模拟分析变形

采用Midas GTS有限元软件建立三维数值模型如图3所示。模型长度为128 m(包络东深供水渠的保护范围)，宽度为100 m，高度为25 m，位移边界为模型四周及底部均约束相应的法向位移。

岩土层采用修正摩尔库仑模型，三维实体单元；沉井结构、顶管钢管采用线弹性模型，二维板单元。

顶管顶进模拟中，在掌子面通过施加相应的静止土压力近似模拟泥水平衡作用力，在钢管外侧面施加相应的摩擦力近似模拟土体对钢管的摩阻力。

施工模拟工况为: 工作井(工况1)→接收井(工况2)→左顶管(工况3)→右顶管(工况4)(如图4所示)，各工况细分为若干工序。其中顶管按每管节3.0 m顶进，顶管顶进时，通过钝化相应管节处的土体模拟开挖过程，同时把挖去土体处的管节及其摩阻力和掌子面的压力激活，然后求解计算。重复上述步骤，直至施工结束，即可模拟整个顶管施工过程。本次模拟考虑地层损失效应，顶管机半径和管道半径之差为地层损失厚度范围(8 mm厚)，对该范围内的土体采用较小的模量(1 kPa)进行等效模拟。

统计各工况下东深供水渠的沉降结果，绘制其位移变化曲线如图5所示，由此可见，在工作井和接收井施工期间，东深渠水渠基本不受影响，随着左右顶管先后推进，东深渠水渠沉降明显增大，且在顶管全部完成后达到最大值，最大值为3.05 mm，对应的竖向位移云图示意如图6所示

参考《给水排水工程顶管技术规程》(CECS 246 2008)中“顶管造成的地面沉陷不应造成道路开裂，公路沉陷量小于或等于20 mm”条款，考虑东深供水渠的重要性，渠道沉降变形的控制值取为10 mm，因此，东深供水渠的计算沉降值可满足要求。

3 Peck法沉降槽理论分析变形

Peck法的沉降槽理论在预测管道或隧道的沉降方面已有广泛应用，如文献[1-5]。本工程根据该理论，对顶管穿越后的渠道底部变形进行预测。

Peck提出的地面沉降槽理论是假定施工在不排水情况下发生，所以地面沉降槽的体积等于地层损失的体积，地面沉降可视土质情况、覆土深度、顶管机类型、操作水平等因素而不同。以双线间距的中心点为x原点，双线管道的地面沉降横向分布公式如下[6]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中s(x)为计算位置处的地面沉降;smax1，smax2分别为左、右管道轴线上方的最大地面沉降量;Vs1，Vs2分别为左、右管道单位长度地层损失量;D1为扩孔后的直径，即顶管机直径;D2为管道直径;i1、i2分别为左、右管道沉降槽宽度系数;H为管道中心距离地面的覆土厚度;L为左右顶管的中心距离;Φ为土体的内摩擦角。

本工程中D1=0.836 m，D2=0.820 m，Φ=32°，H=3.73 m，L=2.0 m，通过上述公式计算东深供水渠的沉降最大值为5.77 mm，发生在两管道间距中心处，因此,可满足10 mm的控制值要求。

4 计算结果及监测结果对比分析

数值模拟和Peck沉降槽理论计算得出的东深供水渠的最大沉降值分别3.05 mm和5.77 mm，数值模拟得出的东深供水渠的沉降值比Peck法沉降槽理论结果偏小。

根据目前沉降监测资料，东深供水渠的最大沉降值为7.58 mm，与Peck沉降槽理论计算结果较为接近。

5 结语

1) 结合相关规范要求及考虑东深供水渠的重要性，东深供水渠的沉降变形控制值取10 mm。

2) 数值模拟结果表明，污水管顶管的工作井和接收井施工期间，东深渠水渠基本不受影响，随着左右两根顶管先后推进，东深供水渠的沉降值明显增大，在顶管全部完工后达到最大值，为3.05 mm<10 mm控制值。

3) 采用Peck法的沉降槽理论计算东深渠水渠的沉降值为5.77 mm<10 mm控制值。

4) 数值模拟得出的东深供水渠的沉降值比Peck法沉降槽理论结果偏小，且现场监测结果与Peck法结果较为接近，均可满足东深供水渠的位移限值要求，因此,可认为污水管顶管施工对东深供水渠的影响是可控的。