顶管施工引起地层沉降条件下燃气管道变形

2019-03-18谢统财

煤气与热力 2019年3期

谢统财，吴华，黄楠

(广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东广州510060)

1 概述

近年来，随着城市建设步伐的加快，道路施工或其他第三方施工引起的燃气管道破坏泄漏事故频发，给社会、企业以及人民生命财产造成了重大的损失。城市燃气主管部门及相关企业对此相当重视，在燃气企业加强对燃气管网维护的同时，更要提请第三方设计施工能够对燃气管网足够重视，在项目实施前，做好资料收集与管线摸查工作，与管线权属单位接洽，收集核查竣工资料，请专业勘探公司做好管线物探，并制定详细的燃气管线专项保护方案。

为此，我们从设计角度，结合工程实例，采用相关计算方法，把第三方施工对燃气管道造成的沉降影响量化。根据量化分析的结果，为实施燃气管道的保护提供理论依据。

2 项目简介

项目为一条新建给水管(规格D1820×20)须顶管穿越河流，穿越总长约588 m。根据提供的资料，新建给水管须在现状燃气管(焊接钢管，规格D406.4×9.50材质，L290)下方穿越，交叉处位于给水管管桩号CK3+720处。根据物探资料及竣工资料，燃气管道为一条高压输气管道，是输送主干线，因此各方对燃气管道的保护高度重视，对新建给水管穿越河流的设计方案多次进行了论证。我们评估了顶管施工可能对燃气管道造成影响的各种因素，采用相关理论公式，计算出可能影响到燃气管道的最大沉降量和沉降槽宽度，通过量化分析，复核燃气管道的安全性、可靠性，为制定有效保护措施提供理论支持。

3 给水管道施工方案

① 地质状况

根据本项目钻孔柱状图，桩号CK3+720处钻孔的地质情况从上到下依次为：1-1素填土层：厚度为1.5 m，容重为18.5 kN/m3，内摩擦角为15°，粘聚力为10 kPa；2-2淤泥层：厚度为17.5 m，容重为17 kN/m3，内摩擦角为5.7°，粘聚力为6.9 kPa；3-1粉质粘土层：厚度为15.5 m，容重为19.6 kN/m3，内摩擦角为11°，粘聚力为20 kPa；3-7粉质粘土层：厚度为15.5 m，容重为19.9 kN/m3，内摩擦角为13°，粘聚力为25 kPa。

② 施工方案

大量的工程实践证明，泥水平衡顶管机对地面的沉降控制精度最高，效果最好，能使开挖面始终处于稳定状态。刀盘旋转切削泥土时对开挖面的扰动小，使开挖面处于最佳的平衡状态，泥水舱压力可维持开挖面的水土压力平衡，防止流砂、涌土，保持开挖面的稳定性。

根据本工程的特点及以往类似顶管工程经验，本工程顶管采用大刀盘泥水平衡顶管机头，顶管机头外径为1.84 m，长度为3.4 m。

顶管工作井内径为13 m，井深为33.8 m；顶管接收井主要根据工具管尺寸、管道工艺需要确定，井的内径8 m，井深为31.4 m。桩号CK3+720处自然地面标高为0.5 m，设计新建给水管中心标高为-25.80 m，燃气管底标高为-18.8 m，因此计算得到燃气管道的覆土深度(地面到燃气管道管顶的深度)为18.9 m，地面到给水管道中心的距离为26.3 m。给水管管顶与燃气管管底净距约6.1 m，两管交叉角度约为90°，新建给水管处于3-1粉质粘土层，现状燃气管少部分处于2-2淤泥层，大部分位于3-1粉质粘土层。

4 顶管施工引起的地面沉降分析

由于施工引起的地面沉降曲线称为沉降槽。顶管施工引起地层沉降或隆起的因素很多，不但与土层地质情况有关，而且与顶管管径、顶管机的选型、操作人员的技术水平、顶管纵向轴线的垂直度以及顶管持续的时间、注浆情况等很多因素有关。顶管不可避免会扰动土体，引起地层形变，产生地层沉降。顶管引起的地层沉降分布是三维的。三维分析比较困难，一般都简化为平面问题进行分析。

燃气管与给水管处于交叉状态，燃气管在相交位置主要受顶管施工引起的横向分布地层沉降影响，因此我们主要分析垂直于顶管顶进轴向方向的沉降，简称横向沉降分析。

① 地面沉降横向分布的估算公式

目前顶管施工引起的地面沉降，常常采用Peck提出的地面沉降槽理论[1]193进行预测。Peck假定施工引起的地面沉降是在不排水情况下发生的，所以地面沉降槽的体积应等于地层损失的体积。地面沉降随土质情况、覆土深度、采用的顶管机类型、操作水平等因素而不同，并根据这个假定给出了地面沉降量的横向分布估算公式[1]193：

(1)

式中S(x)——x处的地面沉降量，m

x——距顶进管道轴线的横向水平距离，m

Smax——顶进管道轴线上方的最大地面沉降量，m

i——地面沉降槽宽度系数，m

VS——单位长度超挖量(超挖量指施工时超出理论出土量的土方量)，m3/m

顶管施工引起的沉降槽的正态分布[2]见图1。

图1中，i在正态分布图中是曲线标准偏差点，即曲线的反弯点的x值，一般取[1]193：

图1 顶管施工引起的沉降槽的正态分布

(2)

式中δd——顶管管道中心至地面的覆土厚度，m

φ——顶管处土的内摩擦角，(°)

超挖量VS按以下计算方式[1]193-194估算：

(3)

式中as——超挖量估算系数，可根据顶管机头的机型，按表1取值

V——单位长度理论出土量,等于顶管机头面积，m3/m

d——顶管机头外径，m

表1 各种顶管机头的超挖量估算系数

根据图1可知，对地面沉降(以及地层沉降)的影响宽度计算公式为：

b=5i

(4)

式中b——对地面沉降的影响宽度，m

② 地面以下土层沉降估算

对于地面以下至顶管管道以上土层，地层损失的体积假设依然成立，就是说地面以下任一土层沉降槽的体积等于地层损失，而且沉降槽仍为一条正态分布曲线。随着土层深度h的增大，该土层距顶管管道顶部的垂直距离减小，δmax和ih两个参数随深度变化而不同，其估算公式[2]如下：

(5)

式中δ(x)——土层深度h、横向距离x处的地层沉降量，m

δmax——土层深度h处顶进管道轴线上方的最大地层沉降量，m

h——土层深度，m

ih——土层深度h处地层沉降槽宽度系数，m

由公式(2)可知，在已知土层内摩擦角的情况下，沉降槽宽度系数是线性变化的，与土层深度h相关，可得：

(6)

根据公式(3)～(6)可求得燃气管道所在地层h处的沉降槽曲线、沉降量、影响宽度。

5 地层沉降引起的燃气管道变形

顶管施工引起地层沉降，地层沉降使燃气管道产生弯曲变形。在考虑地层沉降对埋地管道的作用时，忽略惯性力的影响，简化为拟静力问题来考虑。当管道所在地层发生沉降时，管道下面的土层对管的抗力减弱了，管道在上敷土压力作用下，不断下沉，发生变形，直至各种力平衡为止。因此，研究仅针对管道变形到最终位置的状态进行分析。燃气管道在地层沉降作用下的弯曲变形模型[3]见图2。