近年来顶管施工技术在我国得到迅速发展,并广泛应用于各类工程中^[1~3]。其中关于顶管穿越堤坝的研究主要有:贾国强等^[4]介绍了大直径顶管穿越长江大堤构筑物时所采取的控制施工参数、改善顶进断面的土体特性及补偿地层损失等控制堤面沉降的技术措施;钟媛等^[5]介绍了某过海顶管穿越块石海堤工程,为防止海堤变形和确保顶管顺利穿越,经方案比选,采用钻孔注浆加固海堤方案;马碧山^[6]阐述了挤压式泥水平衡法顶管施工在穿堤工程中的应用;陈世格等^[7]介绍了杭州市七格污水处理厂三期顶管穿堤变形监测设计;龚云强等^[8]在介绍了复杂地质条件下长距离大直径水平平行顶管施工技术的基础上,对顶管施工引起的地层变形进行了监测与分析,并提出了相应的海堤变形控制措施;郑烨等^[9]在现场沉降监测基础上,分析了海堤产生沉降的原因,提出适用的施工方案对其进行加固补救,基于加固前后的沉降数据,验证了加固措施可行性;李志堂等^[10]对穿堤工程中采用的泥水平衡式顶管关键技术和锥探灌浆防渗技术进行了探索,验证了非开挖顶管技术结合防渗技术在管道穿堤工程建设中的应用价值。顶管穿越堤坝的工程实践有一定数量,但研究主要集中在施工方案及措施方面,未有对顶管穿越海堤时地层变形及堤坝变形进行动态时空特性分析。本文以某穿越海堤顶管工程为例,介绍了长距离大直径水平平行顶管穿堤时预加固和后加固控制措施,对顶管穿越海堤前陆域地层变形和穿堤时堤坝沉降进行了动态时空特性分析,研究结果以期为类似工程设计与施工提供借鉴与参考。

　　 某污水处理厂排江工程穿堤顶管分为排江主管和应急排放管,其平面布置如图1所示,排江主管道长458m,采用C50钢筋混凝土预制F型管,具体参数为:外径2.88m,内径2.4m,厚度240mm,节长2.5m;扩散器管长为97.5m,采用Q235b钢管焊制,壁厚28mm,外径为2.88 m,设计节长为3.0 m和2.0m(具体节长在顶进时按井的实际空间长度而定),局部有加强纵肋和环肋,垂直顶升竖管参数为:外径1.04m,内径1.0m,厚度20mm,采用Q235b钢管焊制,每隔11m设置1根,共计9根。应急排放管长392m,与排江主管平行布置,两管道中心间距为7.5m。事故排放管管道前段为371.5m,采用同正常排放管结构的混凝土F型管,事故排放管在末端的水平管采用与排江主管相同的钢管管道,并设计有2根竖管,竖管管径为1.0m,间距为11m。

　　 根据室内土工试验资料并结合野外钻探分析,场地在50.4m深度内的地层,海堤所在范围内土层分布情况见图2所示,详细物理力学参数见表1。

　　 顶管施工过程中会对堤防产生一定的不利影响,根据工程防洪评估报告,结合工程所在位置的地质和水文资料,为减少这种影响,需对穿堤管两侧48m的防洪堤进行水泥灌浆预加固和水泥灌浆后加固处理,图3为预加固和后加固布置方式的纵剖面示意。预加固安排工期为2个月,应在顶管顶至堤防范围前7天完成。并根据沉降监测结果确定是否安排后加固,如最大沉降超过防洪评价提出的沉降控制值1.2cm,则需要进行后加固,后加固安排在顶管穿堤后10天开始。

　　 预加固和后加固具体布置为:①对大堤堤身穿堤管量测48m范围进行水泥灌浆的预加固,管道中线两侧共9排灌浆孔底高程为-22 m,再外侧各4排灌浆孔底高程为-10 m,其余灌浆孔底高程0m;海塘横向布置12行,行距2 m;纵向布置29排,中间9排排距1.5m,其余排距2m;②若预加固后堤深沉降仍超过限定标准,需对大堤堤身进行后加固,后加固布置方式为:临近管道中线两侧共9排设压密灌浆,孔底高程-22m,灌浆顶高程-14m。

　　 灌浆施工是堤坝加固的重要环节,灌浆施工前应做灌浆试验,观测灌浆压力、吃浆量及泥浆容量等。试验结束后应分析资料,总结经验,修改参数,完善和熟练灌浆工艺,然后方可全面施工。灌浆施工技术主要包括以下9个方面:

　　 (1)初步拟定压密注浆参数如下:压密注浆的压力为0.1~0.3 MPa,浆液水灰比为0.8∶1,浆液配比(质量比)采用水泥∶粉煤灰∶膨润土∶水玻璃=1∶0.2∶0.2∶0.04。

　　 (2)初步拟定静压灌浆的压力为0.03~0.05MPa,浆液水灰比为1∶1。

　　 (3)灌浆所用浆液都应进行试验。试验包括:容重、粘度、稳定性等。

　　 (4)施工前应对照设计图核实孔位处有无妨碍施工和影响安全的障碍物。如遇有电缆线、煤气管、涵洞等穿堤结构时应与设计、监理、业主单位协商解决,需调整孔位时应按加密钻孔的原则布置。造孔必须按序进行,一般要求2~3序。

　　 (5)灌浆水泥采用42.5的普通硅酸盐水泥,拌制水泥浆的水要符合混凝土拌和标准。每批水泥进场时要有水泥出厂生产合格证和化验单,现场对水泥要严加保管,不得淋雨受潮。施工方还须对各批次水泥进行检验,合格的方能使用。

　　 (6)钻孔孔位误差应小于5cm,垂直度偏差不大于1%。用干法造孔,不得用清水循环钻进。

　　 (7)在静压灌浆中,应先对第一序孔轮灌,采用“少灌多复”的方法。待第一序孔灌浆结束后,再进行第二序孔,第二序孔灌浆结束后,再进行第三序孔。每次最大灌浆量为50L/延米。每孔灌浆不得少于5次。当浆液升至孔口,经连续复灌3次不再吃浆时,即可终止灌浆。

　　 (8)压密注浆流量一般为7~10L/min,不得大于20L/min。采用塑料阀管注浆时,注浆芯管每次上拔高度宜为33cm;采用花管注浆时,花管每次上拔高度宜为50cm。

　　 (9)在钻孔和注浆施工过程中,要做好各种机械设备和电路的检查工作,消除各种不安全因素的存在。在拆除管路及注浆操作时应戴防护眼镜,以免浆液溅入人眼,并做好劳动防护,作业人员必须佩带胶手套。做好现场的文明施工,及时做好泥浆清理工作,不得直排入江中,施工完毕及时清理现场。

　　 对于顶管的陆域观测区域,观测范围为大堤内坡脚外230.00 m的位置,在排江管/应急管的顶管轴线上每隔5m布置1个测点,每根顶管共布置46个垂直位移观测点,由污水处理厂到海堤方向,排江管测点编号依次为AS01~AS46,应急管编号排序为BS01~BS46。不同顶管进尺时排江管和应急管轴线上地层沉降变形情况如图4所示(假设坐标轴正向为污水处理厂至海堤方向,坐标零点为海堤内坡脚,海堤变形时空特性分析中亦采用同样的坐标假定),其中x轴表示测点与海堤坡脚之间的距离。

　　 从图4可总结出顶管施工引起的地层沉降变形几点规律:

　　 (1)图4a与图4b显示排江管轴线上地层变形比应急管轴线上地层变形要大,说明后行的应急顶管施工对先行的排江管侧沉降产生了一定影响。

　　 (2)顶管向前顶进,各测点地层沉降以较大速率增大,随着顶管施工面远离测点,增大幅度逐渐变小,当顶管施工超过测点30m后,沉降变形变化较小,最后趋于稳定。

　　 (3)以距海堤内坡脚75m为分界线,距内坡脚100~0m的测点土体沉降变形情况可划分为2类:Ⅰ类是-100~-75m,顶管施工距内坡脚较远时,该段范围特征为,当顶管施工向海堤方向推进,特征反转测点沉降变形与距内坡脚距离成反比;Ⅱ类是-75~0m,测点沉降变形与距内坡脚距离始终成正比。

　　 顶管穿越海堤时,需要实时监测堤坝变形情况,变形监测项目有海堤沉降监测、水平位移监测和深层水平位移监测3项,本文以海堤沉降为研究对象,详细分析了水平平行顶管穿堤时空特性。

　　 海堤沉降监测呈4排布置,内坡脚1排,堤顶内口侧1排,挡浪墙顶1排,外江坡角处1排,共44个测点,具体布置如图5所示。

　　 顶管施工引起的不同位置处海堤沉降水平分布曲线如图6所示(坐标零点为2个顶管管道中线)。由图6可知,不同位置处海堤沉降纵向分布曲线基本呈漏斗状,排江顶管轴线处沉降最大,向两侧逐渐减小,具有较好的对称特征,若以1.5 mm为标准,顶管施工对海堤影响范围约为50m。4处位置上,排江管中心线侧沉降稍大于应急管轴线侧沉降,后行的应急顶管施工对先行的排江管侧沉降产生了一定影响。在实际施工过程中,后行应急管施工时,需加强对先行排江管沉降监测,适时采用相应的施工措施控制海堤变形。

　　 对于内坡脚、堤顶内口侧、挡浪墙和外江坡角,每条线上的测点,排江管中心线上的测点沉降值最大,以4个不同位置处排江管中心线沉降为对象,绘制排江管中心线上海堤沉降与顶管进尺关系曲线(如图7所示,坐标零点为内坡脚)。

　　 从海堤沉降与顶管进尺关系曲线可知:

　　 (1)顶管施工接近内坡脚时,内坡脚测点沉降以较大速率增大;随着顶管施工远离内坡脚,内坡脚测点沉降增大速率趋于稳定;顶管施工至距内坡脚30m和39m有短暂停工,内坡脚沉降有一定程度的增大,主要为土体流变的影响;当顶管施工距离内坡脚40m左右,内坡脚测点沉降变化不大,可判断顶管穿堤施工对内坡脚沉降的影响距离约为40m。

　　 (2)对于堤顶内口侧、挡浪墙和外江坡角,顶管施工至内坡脚,3处测点沉降有一定增大,增大幅度与测点距顶管施工面的距离成反比;顶管继续向前掘进,3处测点沉降增大;30 m和39 m停工时,顶管施工面距该3个测点较近,土体流变影响比内坡脚处要大很多;顶管施工至距内坡脚41m穿堤后,3处测点沉降依然变化,顶进至66m后,未有后续观测值,但可判断随着顶管施工远离,最终趋于稳定。

　　 以某穿越海堤顶管工程为例,介绍了长距离大直径水平平行顶管穿堤时预加固和后加固控制措施,对顶管穿越海堤前地层变形和穿堤时堤坝沉降进行了动态时空特性分析,主要结论与建议如下:

　　 (1)顶管施工引起的陆域土体沉降变形较大,其主要原因是近海的陆域部分为农田,地质条件较差。此外,排江管和应急管的顶进对土体的双重扰动对土体沉降影响较大;通过对陆域土体沉降变形分析,可归纳出土体沉降类型:-100~-75m和-75~0m两种类型,可作为类似工程设计与施工的借鉴。

　　 (2)顶管施工穿越引起的海堤变形在允许的1.2cm范围内,表明预先加固补偿保证了施工安全与顺利进行,无需再进行后加固控制。

　　 (3)比较陆域地层和海堤沉降变形观测结果,顶管施工至内坡脚前引起的内坡脚位置处沉降变形非常小,海堤变形主要由穿堤引起,穿堤过程对内坡脚沉降的影响距离约为40m。

　　 (4)不考虑暂停施工的影响,海堤沉降随着顶管施工呈“S”型,在实际工程中,可按照该规律对沉降过程预测海堤沉降变形,若预测结果过大,则需采取相应的控制措施;此外,顶管停工时,土体流变产生影响,堤坝依然发生一定的沉降,仍需实时监控海堤沉降情况。

　　 (5)由于顶管外径较管道外径要大,在顶管完成后,尤其是大口径顶管,立即用水泥浆置换触变泥浆,以控制后期的地面沉降可能远远大于顶管施工期间引起的地面沉降。