郭明鑫，杨士发，陈逊贤，黄怀立，周广宇，冯德銮

（1、广东工业大学土木与交通工程学院 广州510006；2、广州市自来水有限公司 广州510600）

0 引言

预应力钢筒混凝土管（PCCP）［1］是由钢筒、高强度核心混凝土、预应力钢丝和砂浆保护层组成的复合管材，其中管径大于3.0 m 的PCCP 称为超大直径PCCP。PCCP 中的高强度预应力钢丝环向缠绕于核心混凝土表面，而管段间的接驳处采用钢制承插口，承插口连接处使用防渗胶圈的柔性接头，具有密封性强、强度高、抗渗性能良好和耐腐蚀等性能。PCCP 兼有钢材和混凝土的优点，尤其适合用于超大口径、高强度、埋深大的市政管线［2-4］。

目前PCCP 管已广泛应用于跨区域水源地之间的大型输水工程，对PCCP 管在正常工作条件下的力学响应［5-7］、沉降发展［8-9］和防渗性能［10-11］已有相关研究，但是，随着超大城市群和粤港澳大湾区概念的出现，广东省区域性经济融合程度不断加强，城市之间的公共交通迅猛发展，高速公路或轻轨的建设通常需要穿过大口径输水管的埋设段或其保护区范围，公共交通的施工及运营过程必然会对大口径输水管的安全运营造成影响，因此大口径输水管管线需要进行必要的改迁［12-15］。大口径管线改迁工程施工过程可能导致输水管产生较大位移和不均匀沉降，造成管线的承插口脱落、输水管爆漏等现象。本文以广州市西江引水工程（佛山三水、南海段）与广佛肇高速公路建设相涉段PCCP 输水管管线改迁工程为依托，通过建立准确的三维有限元模型，分析不同施工工况、不同影响因素下正常供水PCCP 输水管的位移演化规律，明确管线改迁工程中的关键施工工况，确定周全的管线改线施工方案，避免相邻管线扰动过大，以确保施工质量和安全。

1 工程概况

1.1 广州市西江引水超大管径PCCP 输水管管线改迁工程

广州市西江引水是广州市重要水源的供给工程，原水供水量涉及1 000 多万市民的用水需求。本工程属于城市生命线工程，自投产以来一直安全运行。西江引水干管佛山南海段长约28 km，佛山三水段长约16 km，管材主要为内径3.6 m 的超大口径PCCP 管，其特点是长期运行稳定，但对外围扰动敏感，因此，对于特殊地段（过路口、河涌、盾构隧道等，约占15%）则采用钢管。由于新建的广佛肇高速公路骑压于西江引水工程PCCP 输水管埋设段，高速公路的施工及运营对超大口径PCCP 输水管的安全运营造成重大影响。广佛肇高速公路建设方案中与西江引水工程相涉的管段总长约5.5 km，其中，高速路出入口匝道在西江引水管道正上方（简称匝道骑压段）的管段长约3.6 km；高速路高架投影线在西江引水管道正上方（简称高架骑压段）的管段长约1.9 km。倘若新建高速公路施工过程中造成管道扰动过大、管道破裂或爆开，将引发国家安全公共事件。考虑到西江引水工程的重要性，因广佛肇高速公路的建设需求，需要对广州市西江饮水工程中的原输水管进行局部改线。原双线输水管外径为4.1 m、单节长度为5.0 m 的大口径PCCP 管，双管水平距离为1.5 m，改迁后使用钢管材料，应业主要求，施工过程中仍需持续供水并且单管供水时间不可大于7 d，超过7 d必须恢复双管供水。

1.2 水文地质概况

PCCP 水管管线改迁工程位于佛山市南海区里水镇，根据地质勘察报告可知，相应场地的地质条件复杂，土质情况较差，由上到下依次为填土、耕土、细砂、粗砂、淤泥和粗砂，地层分布不均，且存在较厚淤泥层且透水砂层厚度高达15 m，极易因施工扰动而产生较大变形，甚至可能出现流沙与管涌等渗透破坏现象，会对PCCP输水管的位移控制产生重大影响。

2 三维有限元模型的建立

2.1 基本情况

三维有限元模型的数值模拟范围包括：原PCCP输水管、PCCP 管座、原管槽支护体系（拉森Ⅳ钢板桩+φ 500×12 钢管支撑，水平间距5.0 m）、新管槽及其支护体系（拉森Ⅳ钢板桩+φ 500×12 钢管支撑，水平间距5.0 m）、新钢管管槽开挖深度及其影响范围内的岩土层。PCCP输水管外径4.1 m，内径3.6 m，上覆土层6.1 m，两管水平距离1.5 m；新钢管管槽开挖宽度为10.2 m；当新钢管管槽开挖深度不大于6.4 m 时，新钢管管槽支护结构采用1 道钢支撑；当新钢管管槽开挖深度大于6.4 m 时，新钢管管槽支护结构采用2道钢支撑。计划开挖钢管管槽与原输水管槽的位置关系如图1 所示。有限元数值模拟分别分析：①新钢管管槽开挖深度；②PCCP 输水管管槽与新钢管钢槽水平间距；③地下水位变化；④新钢管管槽支护结构位移；⑤PCCP 输水管单管改迁共5 个因素对PCCP 输水管位移的影响规律。三维有限元模型取60 m×20 m×30 m（长×宽×深）的区域，上部为自由边界，底部全约束，各侧边限制向基坑方向的水平位移，三维有限元模型如图2 所示。其中，新钢管管槽的模拟开挖深度分别为5.4 m、6.4 m、7.7 m 和8.4 m；拟设计新钢管与原输水管管槽水平距离分别为2.0 m、3.0 m、4.0 m 和6.0 m；新钢管管槽开挖时地下水位深度分别为0.0 m、1.0 m、2.0 m、3.0 m和4.0 m（数值表示距离地表的竖直距离）。

图1 拟挖新钢管与原输水管管槽的位置关系Fig.1 Plane Relationship between the New Steel Pipe Groove to be Excavated and the Original PCCP Water Pipe Groove （mm）

图2 Midas/GTS有限元模型Fig.2 Midas/GTS Finite Element Model

2.2 基本假定

本文建立的模型基本假定如下：①土体模型采用莫尔-库仑本构模型，支护结构体系本构模型采用线性弹性模型，各材料的物理力学参数如表1所示；②假定各土层都为成层均质水平分布；③不考虑地下水在开挖过程中的影响；④不考虑开挖过程中的时间因素。

根据勘察报告可得该施工现场的土层参数，如表1所示。

3 数值模拟结果与分析

3.1 模拟结果

3.1.1 新钢管管槽开挖深度对PCCP 输水管位移影响结果

Midas/GTS 有限元模型中，分别设置新钢管管槽的开挖深度为5.4 m、6.4 m、7.7 m 和8.4 m，其中新旧管槽间距为2.0 m、4.0 m 和6.0 m，限于篇幅，仅给出新旧管槽间距为2.0 m的模拟结果，如图3～图6所示。

表1 有限元模型各材料物理力学参数Tab.1 The Physical and Mechanical Parameters of Each Material in The Finite Element Model

3.1.2 新旧管槽水平间距对PCCP输水管位移影响结果

Midas/GTS 有限元模型中，分别设置新钢管管槽的开挖深度为5.4 m、6.4 m、7.7 m和8.4 m，其中新旧管槽间距为2.0 m、4.0 m和6.0 m，限于篇幅，仅给出新钢管管槽开挖深度为8.4 m的模拟结果，如图7～图10所示。

图3 管槽间距2.0 m，新管槽开挖深度5.4 mFig.3 Slot Spacing 2.0 m，Excavation Depth of New Steel Pipe Groove 5.4 m

图4 管槽间距2.0 m，新管槽开挖深度6.4 mFig.4 Slot Spacing 2.0 m，Excavation Depth of New Steel Pipe Groove 6.4 m

图5 管槽间距2.0 m，新管槽开挖深度7.4 mFig.5 Slot Spacing 2.0 m，Excavation Depth of New Steel Pipe Groove 7.4 m

图6 管槽间距2.0 m，新管槽开挖深度8.4 mFig.6 Slot Spacing 2.0 m，Excavation Depth of New Steel Pipe Groove 8.4 m

图7 新旧管槽水平间距2.0 mFig.7 Horizontal Distance Between New and Old Pipe Grooves 2.0 m

图8 新旧管槽水平间距4.0 mFig.8 Horizontal Distance Between New and Old Pipe Grooves 4.0 m

3.1.3 新管槽施工时，地下水位对既有PCCP 管的位移影响结果

图9 新旧管槽水平间距6.0 mFig.9 Horizontal Distance Between New and Old Pipe Grooves 6.0 m

图10 新钢槽开挖对PCCP输水管位移影响结果Fig.10 Summary of the Results of the Excavation of the New Steel Pipe Channel on the Displacement of the PCCP Water Pipe

由图10 可知，当新旧管槽水平间距小于4.0 m或新钢管管槽开挖深度大于6.4 m 时，PCCP 管的位移快速增加，因此，建议实际工程中，新管槽与原管槽水平间距设置为4.0 m，新钢管管槽开挖深度为6.4 m。在此基础之上，为考虑不同地下水位状态下，新管槽施工对原PCCP 输水管的不同影响，Midas/GTS 三维有限元模型中设置新旧管槽间距为4.0 m，新钢管管槽开挖深度为6.4 m，地下水位为0.0 m、1.0 m、2.0 m、3.0 m和4.0 m。新管槽施工时地下水位深度对PCCP 输水管位移模拟影响结果如图11～图16所示。

图11 地下水位为0.0 mFig.11 Groundwater Level 0.0 m

图12 地下水位为1.0 mFig.12 Groundwater Level 1.0 m

图13 地下水位为2.0 mFig.13 Groundwater Level 2.0 m

图14 地下水位为3.0 mFig.14 Groundwater Level 3.0 m

图15 地下水位为4.0 mFig.15 Groundwater Level 4.0 m

3.1.4 新钢管管槽支护结构水平位移对PCCP 输水管位移影响结果

由上述模拟结果可得，新管槽施工会对原有PC⁃CP 管造成较大影响。倘如新管槽施工过程中，其支护体系位移过大，进而造成原有PCCP 管的不均匀位移过大，更甚则直接导致输水管爆裂。因此，在新管槽施工过程中必须对其支护体系进行实时监测，设置预警值。本节重点分析新管槽支护结构水平位移对既有PCCP 管位移的影响规律，进而确定管槽支护体系的位移监测报警值，为工程监测提供客观依据。Midas/GTS 三维有限元模型中，设置新旧管槽间距为4.0 m，新钢管管槽开挖深度为6.4 m，新钢管管槽支护结构水平位移对原PCCP 管位移影响结果如图17 所示。新钢管管槽支护结构水平位移对既有PCCP 管位移影响结果如图18所示。

图16 地下水位与各特征位移的关系Fig.16 Relationship between Groundwater Level and Various Characteristic Displacements

图17 新钢管管槽水平位移对PCCP输水管位移影响结果Fig.17 The Effect of the Horizontal Displacement of the New Steel Pipe Trough on the Displacement of the PCCP Water Delivery Pipe

图18 新钢管管槽支护结构水平位移与既有PCCP输水管位移的关系Fig.18 The Relationship between the Horizontal Displacement of the New Steel Pipe Trough Supporting Structure and the Displacement of the Existing PCCP Water Delivery Pipe

3.1.5 PCCP 输水管单管改迁对另一正常供水PCCP输水管位移影响结果

由于迁管段地基存在深厚的砂层（10.65 m）和淤泥（3.4 m），因此，有必要研究单管改迁施工工况对既有PCCP 管的影响效果。本节重点分析PCCP 输水管单管改迁过程中另一正常供水PCCP 输水管的位移演化规律。Midas/GTS 三维有限元模型中，设置新旧管槽间距为4.0 m，新钢管管槽开挖深度为6.4 m，主要模拟工况为：①新管槽开挖完成；②既有PCCP 管槽开挖完成；③切割共用管座；④单管停水；⑤单管改迁。PCCP 输水管单管改迁对另一正常供水的PCCP 输水管位移影响结果如图19和表2所示。

3.2 结果分析

由图3～图10可知，随着新管槽开挖深度增加以及新旧管槽水平距离的减小，PCCP输水管的位移逐渐增加，而新钢管管槽开挖深度大于7.7 m或新旧管槽水平间距小于4.0 m时，PCCP输水管的位移快速增加。

由图11～图16 可知，新钢管管槽支护结构位移、地面沉降和既有PCCP 输水管位移都对地下水位深度有较大的的敏感性，故采取何种措施有效控制地下水位，减小新管槽施工对原PCCP 输水管的影响变得尤为重要。由图16 可以直观看出，当地下水位下降时，地面沉降增加，支护结构体系位移减少，而既有PCCP输水管位移呈现先减小后增加的趋势。主要原因是地下水位可改变作用在新管槽支护体系的孔隙水压力同样可影响既有输水管地基的有效应力。倘若地下水位降低，直接使作用在支护结构上的孔隙水压力变小，间接使支护结构的位移减小；同时作用在输水管地基上的有效应力增大，PCCP 管沉降随之增加；因此地下水位对既有PCCP 管的实际影响程度极其复杂。借助有限元软件对其进行合理分析发现，当地下水位为2.0 m时，既有PCCP 输水管的位移最小，特别是远侧PCCP管。因此建议地下水位降水处理至2.0 m左右为宜。

图19 PCCP输水管单管改迁对另一正常供水PCCP管位移影响结果Fig.19 The Result of PCCP Water Delivery Pipe Relocation Affecting the Displacement of Another Normal Water Supply PCCP Pipe

表2 迁管过程中各迁管工况对另一正常工作PCCP管位移的影响Tab.2 The Influence of Each Pipe Relocation Condition on the Displacement of Another Normal Supply PCCP pipe

由图17～图18 可知，新钢管管槽支护结构位移对既有PCCP 输水管位移影响较大。《建筑基坑工程监测技术标准：GB 50497—2019》规定新管槽施工对临近管道的位移需不大于10～30 mm，因为本项目关系到广州市大部分市民的供水情况，故管槽施工对既有输水管造成的位移宜控制在10 mm以内。根据有限元分析结果（见图18），当PCCP 管位移为10 mm 时，对应支护结构的位移为16 mm，因此新管槽施工过程中，应对其支护结构进行实时监测，将其位移为16 mm 设置为报警值，当位移趋近该报警值时，需立刻采取针对性措施对既有PCCP管进行保护。

由图19 和表2 可知，在整个PCCP 输水管改线工程施工过程中，有2 个工况对正常工作的PCCP 管产生影响较大：①新管槽开挖后，另一正常工作的输水管出现8.5 mm 的位移；②待改迁的输水管停水后，邻近正常工作的输水管已出现18.4 mm 的位移。因此，在施工过程中，对这2个工况尤为特别注意，确保管槽开挖过程中对其支护体系变形及位移数据的实时观测；单管停水时，需加强对正常供水PCCP 管位移的监测频率，保证能及时发现问题并采取合理的保护措施。

4 结论

本文重点分析了PCCP 输水管迁管过程中各施工工况对正常供水PCCP 输水管位移的影响规律，可为西江引水管线改迁工程的前期施工设计提供参考建议，确保单管迁移施工过程中原PCCP 管输水工作的安全运营，也可为高度发展的地区管线改迁工程提供参考依据，具体结论如下：

⑴ 在使用拉森Ⅳ钢板桩+φ 500×12 钢管支撑@5 000的支护结构形式对新管槽进行支护的情况下，新钢管管槽开挖对PCCP 输水管的影响在安全范围之内，当新旧管槽水平距离大于4.0 m 且新钢管管槽深度小于7.7 m 时，新管槽施工对原PCCP 管的影响累积位移值不大于10 mm，确保输水工作的正常进行。

⑵新钢管管槽支护结构位移、地面沉降和既有PCCP 输水管位移都对地下水位深度有较大的敏感性。因此，如何采取措施控制地下水位，就可减小新钢管管槽施工对既有PCCP 输水管位移的影响，以确保输水工作的安全运营；分析结果结果表明，施工过程中降水应将地下水位控制在2.0 m左右。

⑶新钢管管槽支护结构位移对既有PCCP 输水管位移影响较大，应控制既有PCCP 管位移在10 mm内，其对应支护结构的位移为16 mm 以内，方能保证PCCP输水管的正常供水。

⑷单管改迁施工过程中，新管槽施工和输水管单管停水对另一正常工作的PCCP输水管影响较大。