大直径管道穿越富水砂层对堤防稳定性影响分析.pdf

吴连社，杨春瑞（安徽省淮河河道管理局，安徽蚌埠233000）摘要：随着地下穿管工程日益增多，地下管道施工引发的堤防安全问题屡见不鲜，研究大直径管道穿越富水砂层对堤防稳定性及变形影响十分必要。选取某引水管穿越淮北大堤工程为例，通过对顶管穿越堤防进行数值模拟，分析顶管穿越富水砂层对堤防渗透稳定和边坡抗滑稳定的影响，并在顶管施工过程中选取地层受到扰动敏感区域开展土体内部水平位移和表面沉降实时监测。结果表明：顶管穿越富水砂层堤基对堤防渗流及边坡抗滑稳定有一定影响，但总体满足规范要求；顶管施工造成迎水侧区域沉降较明显，管道两侧 45 m 范围内土体受施工扰动出现水平位移；大直径管道采用顶管方式施工对堤防安全有一定影响，施工过程中要加强对堤防的安全监测，施工前后可采取注浆、设置防渗墙等措施消除或减轻顶管施工造成的不利影响。关键词：顶管；渗透稳定；边坡抗滑稳定；变形特征中图分类号：TV871文献标识码：A文章编号：1673-4688（2023）05-0032-05作者简介：吴连社（1974），男，高级工程师，主要从事河道管理保护及水利工程建设管理工作。E-mail:收稿日期：2023-07-12大直径管道穿越富水砂层对堤防稳定性影响分析Analysis?of?the?influence?of?large?diameter?pipeline?crossing?water-rich?sand?layer on embankment stabilityWU Lianshe,YANG Chunrui（Huaihe River Management Bureau,Bengbu 233000,China）Abstract:?With the increasing number of underground pipeline projects,the safety issues of embankmentcaused by underground pipeline construction have become more common.It is necessary to study the in-fluence of large diameter pipeline crossing water-rich sand layer on the stability and deformation ofembankment.Taking a diversion pipe crossing Huaibei embankment project as an example,through the nu-merical simulation of pipe jacking crossing embankment,the influence of pipe jacking crossing wa-ter-rich sand layer on embankment seepage stability and slope anti-sliding stability is calculated.Inthe process of pipe jacking construction,the sensitive area of stratum disturbance is selected tocarry out real-time monitoring of internal horizontal displacement and surface settlement of soil.Theresults showed that the pipe jacking through the water-rich sand layer has a certain influence on theseepage of the embankment and the anti-sliding stability of the slope,but it generally meets the re-quirements of the specification.The settlement of the water-facing side area caused by the pipe jack-ing construction is obvious,and the soil on both sides of the pipeline is horizontally displaced bythe construction disturbance,and the influence range is within 45 m.The construction of large di-ameter pipeline by pipe jacking has a certain impact on the safety of embankment.During the construc-tion process,the safety monitoring of embankment should be strengthened.Before and after the con-struction,grouting,anti-seepage wall and other measures should be taken to eliminate or reduce theadverse effects caused by pipe jacking construction.Key?words:?pipe jacking;permeation stability;slope stability against sliding;deformation character-isticsTotal No.107Oct.2023/No.5总第 107 期2023 年 10 月/第 5 期江淮水利科技Jianghuai Water Resources Science and TechnologyDOI:10.20011/ki.JHWR.2023050070引言管道因其自身独特的特点广泛应用于各行业、各领域。管道工程主要采取开挖和非开挖两种施工方法，其中顶管是最常用的非开挖地下埋管施工技术之一1。顶管施工具有施工影响小、造价低、施工速度快、不影响地面交通等优点2。然而在穿越堤防的顶管施工过程中，尤其当大直径管道穿越的堤基是富水砂层时不可避免会对堤防的安全造成一定的影响。顶管施工会扰动管周土体，容易形成接触渗漏等集中渗流，而富水砂层则会加剧这一现象，甚至会造成粉细砂流失导致管周出现空洞、疏松，地表发生沉降以及裂缝3等危害。因此，研究顶管穿越堤防富水砂层对堤防安全性影响十分必要。国内外很多学者对顶管穿越工程进行了大量研究。Ma4以日本某工程为例，采用校准后的有限元方法（FEM）研究了 4 种相同截面面积的矩形管地面响应特性，考虑了不同埋深下各管道的受力状态，通过对各管段设计的理论顶力进行计算对比为长距离或大断面顶进工程提供参考。Pan 等5结合杭州取水口上行（一期）顶管工程，采用 Plaxis 2D 有限元软件模拟顶管施工对附近桥梁基础结构的影响，计算了顶管施工导致的既有结构水平和垂直位移，得出桥梁桩基水平位移呈非线性分布，研究结果对顶管施工安全评价具有重要意义。Ren 等6基于江苏省顶管项目的案例研究提出了一种预测顶管过程中地面变形的方法，在分析顶管过程的基础上考虑注浆压力对地基变形的影响以提高预测效果，同时采用Sagaseta 的方法考虑过度开挖引起的地面损失，计算结果与野外观测结果的对比验证了所提方法的有效性。金志华7结合杭州市取水口上移工程阐述了进出洞土体加固、洞门降水以及洞口密封等一系列进出洞施工关键技术，提出了顶管下穿管线的保护措施。本文以某水厂引水管穿越淮北大堤工程为例，研究了顶管穿堤对堤防的渗流及边坡抗滑稳定的影响，并对顶管施工期间地面沉降和堤基土内部水平位移监测结果进行分析。1?工程概况某引水管道穿越淮北大堤采用顶管进行施工，穿堤段顶管工作井位于堤防迎水侧堤脚 50 m 处，接收井位于背水侧堤脚 47 m 处，顶管平面布置见图 1。穿堤管道设计采用两根 DN800 焊接钢管一次穿越淮北大堤，管道中心高程 14.00 m。根据钻探揭露地层及土工试验成果和原位测试数据分析，顶管穿堤段场地地基土层自上而下可分为层堤身填土层、层粉质粘土夹粉土层、层淤泥质粉质粘土层、层粉细砂层、层淤泥质粉质粘土层，顶管穿堤段位于第层粉细砂层。2顶管对堤防渗流及边坡抗滑稳定影响2.1渗流稳定计算1）计算条件。计算断面选取管道轴线处堤防断面。依据 堤防工程设计规范（GB502862013）8，上游水位采用设计洪水位 25.88 m，下游采用背水侧平堤脚水位 22.00 m。2）计算方法。渗流计算采用有限元法，选用南京水准科技有限公司开发研制的水工结构有限元分析系统(AutoBANK7.7)堤防渗流场计算程序。3）计算工况。工况一为顶管施工前，工况二为顶管施工后。根据工程地质勘察报告，计算参数见表 1。图 1?顶管穿堤平面布置图Fig.?1?Plan?layout?diagram?for?jacking?pipe?through?embankment表 1土的物理力学性指标统计表Table?1?Statistical?table?of?physical?and?mechanical?indexes?of?soil土层湿重度/（kN m-3）渗透系数/（m s-1）凝聚力/kPa内摩擦角/（）层19.71.0010-620.314.2层19.08.0010-812.011.1层17.85.0010-89.08.6层20.05.0010-50.036.0层18.04.0010-813.09.2吴连社，杨春瑞大直径管道穿越富水砂层对堤防稳定性影响分析第 5 期33表 3边坡抗滑稳定计算结果表Table?3?Slope?anti-sliding?stability?safety?coefficientscalculation?results?table施工时段计算工况部位安全系数计算值最小值顶管施工前工况一背水坡1.56631.50工况二迎水坡1.53411.50工况三背水坡1.29381.20顶管施工后工况一背水坡1.54781.50工况二迎水坡1.52131.50工况三背水坡1.23671.20表 2堤防渗流计算结果表Table?2?Embankment?seepage?indexes?calculation?results?table计算工况最大流速*/（10-8m s-1）渗透比降浸润线出逸点处接收井近堤侧土体最大值*允许值层层层工况一4.910.1810.00140.02260.05100.00090.35工况二10.600.2410.00040.00640.00160.00210.35注：表中*为层最大流速；*为层最大渗透比降。计算时假设管道周围一倍管径即 0.8 m 范围内土层被扰动，近似看作透水性较高的土层，渗透系数取管道所在土层 10 倍。2.2渗流计算结果分析按 2.1 节计算条件及方法对引水管道穿越淮北大堤渗流稳定进行分析计算，计算结果见表 2。由表 2 可知，设计洪水条件下顶管施工前后管道穿越淮北大堤堤后浸润线出逸点处及接收井出逸处渗透坡降均小于所在土层允许的渗透比降 0.35。由此可判断顶管施工未引起堤防发生渗透破坏，计算结果满足要求。顶管施工后浸润线出逸点处渗透比降、层粉细砂层最大渗透比降及最大流速均较顶管施工前大，这是因为顶管施工后背水侧管道所在淤泥质粉质粘土层（顶管扰动后渗透性增加）及其下相对透水层粉质粘土夹粉土层流速增大，从而导致渗流量增加，堤防浸润线降低，堤坡及接收井近堤侧各土层渗透比降均降低。这种情况虽然不会导致堤防发生安全性破坏，但由于顶管施工后渗流速度增大会导致粉细砂层土体颗粒流失，引起堤基土的流失，对堤防运行安全有一定影响：因此在顶管施工前后需要采取如压密注浆、设置防渗墙等辅助性措施进行加固处理。2.3堤防边坡抗滑稳定计算1）计算条件。堤防边坡抗滑稳定计算条件与 2.1节渗流稳定计算条件一致。2）计算方法。堤防边坡抗滑稳定计算方法采用毕肖普法，计算程序采用南京水准科技有限公司开发的 AutoBank7.7。3）计算工况。根据实际情况及 堤防工程设计规范（GB502862013），边坡抗滑稳定计算工况：工况一为设计洪水位下的背水侧边坡；工况二为设计洪水位下骤降期的临水侧边坡；工况三为遭遇地震时背水侧边坡。边坡抗滑稳定最小安全系数依据 堤防工程设计规范（GB502862013）选取，各工况下边坡抗滑稳定安全系数计算结果见表 3。2.4边坡抗滑稳定计算结果分析由表 3 可知，顶管施工前后堤防稳定安全系数均满足规范需求，但是顶管穿堤后对背水侧安全系数影响相对较大：因此应在工程施工过程中加强对堤防的监测，并采取注浆等措施对扰动土体进行补强。3堤防变形监测顶管穿越堤防过程中需要实时监测堤防变形情况，主要对堤防沉降及土体内部水平位移进行监测。3.1堤防沉降监测顶管中心线正上方布置堤防沉降监测断面 1个，共布置监测点 4 个（A1A4），分别位于迎水侧堤脚（A1）、迎水侧堤肩（A2）、背水侧堤肩（A3）、背水侧堤脚（A4），详见图 1。顶管施工引起的不同监测点沉降-顶管机头距监测点距离关系如图 2 所示（图中横坐标“0”为监测点位置，“-”值为工作井方向，“+”值为接收井方向；纵坐标“-”值表示竖直抬升，“+”值表示竖直下沉）。由图 2 可知，随着顶管机头靠近监测点，直至离开监测点约 5 m，除背水侧堤脚监测点外其它监测点均有上升趋势，这是因为随着机头距监测点越近，监测点处土体受挤压作用出现上升；机头向前顶进，各监测江淮水利科技2023 年34图 2监测点沉降-顶管机头距监测点距离关系曲线Fig.?2?Settlement?monitoring?curve?of?the?relationship?between?jacking?pipehead?distance?and?moni-?toring?point-10010203040506070-30-20-100102030沉降值/mm顶管距监测点距离/mA1A2A3A4点沉降位移以较大速率增大，随着机头远离测点其增大幅度慢慢减小，当顶管施工距离超过测点 20 m后沉降变化趋于平缓；迎水侧堤脚及堤肩监测点沉降值以及沉降速率都要比背水侧更加明显，因此在施工过程中，需要加强对迎水侧堤防沉降的监测，适时采取注浆等措施进行加固处理。3.2土体内部水平位移监测为进一步研究管道顶进对周围土体水平位移产生的影响，在背水侧距堤脚 10 m 处垂直管道方向布置 3 根测斜管（A5A7）监测土体内部水平位移，A5、A6、A7 距管道外壁距离分别为 3.0，4.5，7.0 m。水平位移监测点平面布置见图 1。顶管施工引起土体内部水平位移-顶管机头距监测点距离关系如图 3 所示（图中横坐标“0”为监测点位置，“-”值为工作井方向，“+”值为接收井方向）。由图 3 可知，随着顶管逐渐接近监测点，A5 处土体水平位移以较大的速率增加，随着顶管远离监测点，土体较少回弹后监测点处水平位移增大速率趋于平缓。由此可知，顶管对同深度土体水平位移产生了一定的影响，随着顶管的远离，水平位移趋于稳定。顶管同样对距离稍远的 A6 和 A7 处水平位移产生影响，但影响效果较小，顶管从距离 3 m 到1 m 的过程中，增大效果最明显，随着顶管顶进，两测点的水平位移基本不再变化。顶管在顶进的过程中对土体的扰动影响范围有限，距离越远，影响越小。4结论1）在设计洪水位情况下顶管施工会导致穿越层渗流速度增大，甚至会导致管周粉细砂层土体颗粒流失。顶管施工结束后应及时采用水泥浆进行管周泥浆置换对管壁周围空隙进行充填，防止形成渗透通道而影响堤防安全运行。2）顶管施工造成迎水侧区域沉降较明显，顶管施工前宜在该区域进行压密注浆预加固处理。3）顶管施工会对管道两侧土体产生扰动从而导致土体出现水平位移，影响范围在 4.5 m 以内。4）采用顶管方式穿越堤防对堤防安全有一定影响，施工过程中应加强堤防沉降及水平位移监测，发现异常及时报告并处理；在施工前后应结合实际地质情况采取注浆、设置防渗墙等措施消除或减轻因顶管施工造成的不利影响，确保堤防安全运行。参考文献：1 王涛.长江供水工程大口径输水管道顶管穿越高速公路影响分析J.广东水利水电，2023（5）：26-29，41.2 肖洪波，李森阔，陈亚军.基于云模型的地铁隧道顶管法施工风险评价J.三峡大学学报(自然科学版)，2023，45（4）：74-79.3 刘懿，张胤，王翔宇，等.顶管施工对堤防稳定的影响分析J.黄河水利职业技术学院学报，2023，35（2）：1-4.4 MA P，SHIMADA H，SASAOKA T，et al.Investigationon the engineering effects of the geometricalconfigurationofthejackingrectangularpipeJ.Tunnelling and Underground Space Technology，2022，119（3）.5 PAN Z Y，DU K，LV F H，et al.Numerical simulation图 3监测点土体水平位移-顶管机头距监测点距离关系曲线Fig?3?Monitoring?point?lateral?soil?displacement?curve?ofthe?relationship?between?jacking?pipehead?dista-?nce?and?monitoring?point024681012-15-10-5051015测点土体水平位移/mm顶管距监测点距离/mA5A6A7吴连社，杨春瑞大直径管道穿越富水砂层对堤防稳定性影响分析第 5 期35（上接第 20 页）不可调节指标；x8指标与我国现阶段土地性质划分政策相关，属不易调节指标。x9和x10与农作物播种面积及农业产值相关，可通过减小播种面积、提升其他产业发展速率来减小旱灾暴露性。3）承灾体灾损敏感性是指受到干旱灾害影响可能产生损失的量，如研究区内人员、财产与生态环境由于旱灾造成损失的程度14。结合图 4 可看出，x11五年内均处于反势，表明宿州市农业人口比例占比高，受旱灾影响的群体大；x12五年内均处于同势，表明宿州市喜水作物种植面积少，对缺水环境有一定适应性；x13均处于同势，表示宿州市产业结构优化良好；x14均处于同势表明宿州市生态环境良好。以上四个指标中，x11属于承灾体灾损敏感性脆弱指标，可通过城镇化建设，进一步推进调整农业人口等措施减小旱灾敏感性。4）抗旱能力是指预防与监测旱灾发生和减轻旱灾损失的能力14。结合图 4 可看出，x15五年均处于同势，表明宿州市经济水平较高，应灾资源准备能力充足；x16-x18在 20152017 年五年均处于反势，表明宿州市水利工程建设水平不高；x19、x21五年亦基本处于反势，表明宿州市应急抗旱管理能力不高；x20由反势逐渐迁至同势，表明该区域水文监测网站逐年完善，是提高该区域应急抗旱管理能力的重要因素之一。以上七个指标中，x16-x19、x21均属于抗旱能力脆弱性指标，需加强水利工程建设。3结论1）宿州市 20082012 年五年指标减法集对势对比推导出关键参数m取 0.47，由此构建了改进的动态差异度系数公式。2）推导出的差异度系数关键参数m在宿州市旱灾风险评价中合理可靠，参数m可反映差异度系数的发展速率，可进一步尝试推导更适宜其他区域旱灾风险评价的差异度系数公式。3）基于改进差异度系数的三元联系数方法是先定性地用分段直线描绘差异度系数与样本指标动态关系，继而推导关键参数m值，存在一定误差，未来可尝试改变线型从而使推导更贴近实际物理意义。参考文献：1 张强，张良，崔显成，等.干旱监测与评价技术的发展及其科学挑战J.地球科学进展，2011，26（7）：763-778.2 金菊良，宋占智，崔毅，等.旱灾风险评估与调控关键技术研究进展J.水利学报，2016，47（3）：398-412.3 董涛，王振龙，金菊良，等.基于风险矩阵和五元减法集对势的区域旱灾风险链式传递诊断评估方法J.灾害学，2020，35（4）：222-227.4 屈艳萍，高辉，吕娟，等.基于区域灾害系统论的中国农业旱灾风险评估J.水利学报，2015，46（8）：908-917.5 张竟竟，郭志富.基于投影寻踪模型的河南省农业旱灾风险评价J.干旱区资源与环境，2016，30（6）：83-88.6 赵克勤.集对分析及其初步应用M.杭州：浙江科技出版社，2000.7 金菊良，赵行玥，崔毅，等.半偏减法集对势在区域旱灾风险评估中的应用J.水利水运工程学报，2021（1）：36-44.8 金菊良，刘鑫，周戎星，等.引力减法集对势方法在旱灾风险动态分析评价中的应用J.人民黄河，2020，42（12）：7-11，28.9 金菊良，张浩宇，陈梦璐，等.基于灰色关联度和联系数耦合的农业旱灾脆弱性评价和诊断研究J.灾害学，2019，34（1）：1-7.10 金菊良，张浩宇，崔毅，等.联系数伴随函数的若干问题探讨J.黑龙江大学工程学报，2020，11（2）：1-10.11 余国祥.对联系数中的不确定数i的研究J.辽宁师范大学学报（自然科学版），2002（4）：349-352.12 李祚泳，邬敏，刘智勇，等.联系数中i赋值的新途径及在水质评价中的应用J.四川大学学报（工程科学版），2009，41（1）：8-13.13 金菊良，沈时兴，郦建强，等.基于联系数的区域水资源承载力评价与诊断分析方法J.华北水利水电大学学报（自然科学版），2018，39（1）：1-9.14 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