王 羽,肖盛燮,張元才

(1.重慶交通大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院,重慶 400074;2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室,成都 610059)

1 工程概況

重慶市主城排水工程為污水截流頂管工程,管徑為φ 2.2 m,全長約2 500 m,整條線路沿長江南岸灘內(nèi)側(cè)人行道布置,分四個工作井(編號為 1#、2#、3#、4#)施工。該工程管頂最大覆蓋土層的厚度為 2.90 m,最淺覆蓋土層的厚度為 0.5 m,平均厚度為 0.95 m,屬超淺層頂管[1]。在2 508 m長的頂管軸線有1 120.7 m是圓弧曲線,曲率半徑最小的為 400 m,最大的為1 200 m,顯然,也屬于曲線頂管。

施工區(qū)域于兩年前沿長江岸灘回填新建人行道下,與濱江路相伴而行。管道沿線范圍內(nèi)的土層條件,由上而下為回填土、砂巖、頁巖,呈現(xiàn)很大的不均勻性。人行道路基已填筑 2～3年,路基沉降已基本完成,可以作為地基持力層。地面高程在 186.90～195.53 m之間,最大的相對高差僅 8.63 m。由于設(shè)計變更的原因,頂管需要穿越一段滑坡坡趾部分砂巖巖層,位置如圖1。

2 管節(jié)破壞

2.1 事故發(fā)生的位置

事故發(fā)生區(qū)域處在約 100 m山體滑坡坡趾范圍地段內(nèi)(如圖1),距 1#工作井 97 m處有 10多 m山體滑坡明顯,地面開裂,最大縫寬約 5 cm,并處在路邊一巨型廣告牌下方。在此處土層為連續(xù)山巖,在管內(nèi)觀測其土體有明顯呈水平及向外傾斜狀土層分布帶,土層裂隙破碎、泥與巖石交錯(如圖2)。當(dāng)時 24 h鑿基巖頂管進尺平均只有 80 cm。為加快施工進度,施工單位曾擬文上報,要求采用靜態(tài)爆破等措施加快施工進度。相關(guān)工程師進行了施工現(xiàn)場分析,得到的結(jié)論是:該段屬于巖土層不穩(wěn)定地段,目前機頭內(nèi)巖土層情況好轉(zhuǎn),基巖逐漸減少暫時不適宜采用靜態(tài)爆破施工,繼續(xù)采用人工鑿除巖石法緩慢頂進施工。

圖2 破壞管節(jié)橫斷面

2.2 事故過程描述

在 1#工作井至 2#工作井之間,頂管頂進至距 1#工作井 132 m(頂進到 45#管)的過程中,距 1#工作井 87 m位置處 16#與 17#管節(jié)接頭處 16#管的后端部右下口處混凝土突然裂開,裂縫沿管環(huán)端部長度約 20 cm,寬度約 20 cm,呈峰谷狀。隨即對整條管線進行檢查,發(fā)現(xiàn)機頭后 30 m(距 1#工作井 100 m位置處)以后的 11～16#共計 6節(jié)管 18 m長范圍內(nèi),每節(jié)管節(jié)在后端右上口部徑向開裂、后端右下部及正上部出現(xiàn)縱向裂縫和不明顯的細小斜裂縫,其中 14#、16#管比較嚴重,其余管裂縫較輕。另外,在兩節(jié)管節(jié)接頭處出現(xiàn)錯縫,其中 15#和 16#管節(jié)接口錯位尤為嚴重,初期達 28 mm、現(xiàn)在已達 35 mm。除 11～16#管節(jié)外,其余管節(jié)未發(fā)現(xiàn)類似破壞情況。根據(jù)上述情況,決定該段頂管暫時停工。

經(jīng)事故分析處理并對破裂管節(jié)進行修復(fù)后重新試頂,試頂時頂進約 1 m多,又在 17#管右上側(cè)和 18#管右下側(cè)新發(fā)現(xiàn)局部裂紋,立即停頂。此時 2#中繼站最大頂力為7 300 k N,油缸壓力 23 MPa,1#中繼站與總站頂力約1 590 k N,油缸壓力 5 MPa。經(jīng)商定,1#工作井停止頂進,頂管機頭停止在大約距1#工作井 133 m處。

3 事故原因分析

3.1 邊坡自穩(wěn)定性降低

通過對該邊坡進行工程地質(zhì)勘察,主要地層為人工填土、粉質(zhì)黏土、強風(fēng)化粉砂巖互層、中等風(fēng)化砂巖互層、強風(fēng)化泥灰?guī)r、中等風(fēng)化泥灰?guī)r。受區(qū)域構(gòu)造、風(fēng)化剝蝕影響,巖體較破碎,風(fēng)化巖體節(jié)理裂隙極發(fā)育。據(jù)調(diào)查分析滑坡的形成原因:①地形條件 該處原始地貌為一斜坡地帶,坡度 30°～50°,較陡,存在邊坡失穩(wěn)的地形因素;②地層結(jié)構(gòu) 滑坡地層主要呈土狀,厚度較大,滲透性好,滲水后引起強風(fēng)化巖體強度降低,加上雨季暴雨沿風(fēng)化裂隙入滲形成通道,滲水后強度降低,既增加了滑坡體的載荷,又給滑坡創(chuàng)造了條件,這是滑坡形成的內(nèi)在因素;③下伏基巖作用 測區(qū)巖層多為順坡及小角度斜交,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體較為破碎,結(jié)構(gòu)呈碎裂 ～碎裂鑲嵌塊體結(jié)構(gòu),巖體組合不利于邊坡穩(wěn)定。全順坡結(jié)構(gòu)容易引起內(nèi)部強風(fēng)化巖層的順層滑動及地下水滲流浸潤作用,這也是滑坡形成的內(nèi)在因素之一。而且在發(fā)生滑坡前,開挖管溝時發(fā)現(xiàn)邊坡土體有明顯的地質(zhì)斷層痕跡,強風(fēng)化砂礫巖有較清晰的滑動面特征。另一個重要原因是施工單位沒有處理好頂管施工中抽水及排水問題,開挖的土體含粉砂量很大,經(jīng)水浸泡,馬上變成流質(zhì)土,致使管溝根基不穩(wěn)。

3.2 頂管軸線曲率半徑減小[2]

3.2.1 頂管軸線出現(xiàn)偏移的原因

該段頂管為曲線頂管,設(shè)計要求是曲率半徑為600 m的圓弧曲線,處在約 100 m山體滑坡坡趾范圍地段內(nèi)。在滑坡坡趾范圍內(nèi)施工就要求在施工時必須對頂管軸線進行監(jiān)測,通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn),在滑坡坡趾處發(fā)現(xiàn)明顯的下滑跡象,造成在距 4#工作井 102 m位置處軸線偏移達 6.2 cm,量測結(jié)果見圖3。這是由于頂管內(nèi)下側(cè)為破碎巖石、外側(cè)為高填方松散土層、連續(xù)幾天強降雨,造成山體加速下滑,破壞了曲線頂管的被動土壓力平衡;從而需要曲線外側(cè)的土體提供被動土壓力來平衡,因此造成該處已頂進頂管軸線偏移。

圖3 山體滑坡發(fā)育引發(fā)的頂管軸線偏移

3.2.2 滑坡發(fā)育導(dǎo)致軸線曲率半徑減小

對于管頂覆蓋土層只有 2.5 m、管節(jié)外徑為 2.64 m及曲線的曲率半徑只有 600 m的大型頂管來說,要求的管節(jié)接縫寬度 Δa較大,從而導(dǎo)致曲線頂管管節(jié)接縫處的左右兩側(cè)受力不均勻加劇。對于該工程的右偏曲線上的管節(jié),其接縫處右側(cè)的應(yīng)力遠遠超出左側(cè);另外,如圖1所示,正在發(fā)育的滑坡體也在軸線的右側(cè),事故發(fā)生前的連續(xù)強降雨促使滑坡發(fā)育加快,使該處的頂進頂管軸線向左(靠長江一側(cè))側(cè)發(fā)生橫向位移,進而導(dǎo)致該處頂管管節(jié)接頭位置的曲率半徑驟減;這樣就進一步加劇了這些管節(jié)接頭位置左右兩側(cè)的不均勻受力,在其右側(cè)一定會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。集中應(yīng)力一旦超出管節(jié)混凝土的抗壓極限強度,就會在管節(jié)后端的接縫處出現(xiàn)徑向裂縫,直至混凝土破壞。

3.2.3 管節(jié)長度急劇變化導(dǎo)致軸線曲率半徑減小

該段的管節(jié)布置情況是,機頭后的十節(jié)管節(jié)長均為 2 m,緊接著的是 1#中繼站長 1.8 m,1#中繼站之后的管節(jié)長均為 3 m。曲線頂管軸線由一小段一小段直線形成,每小段的長度(即頂管管節(jié)長度)越小,頂管軸線的曲率半徑相應(yīng)的越小。當(dāng)某一小段的長度發(fā)生變化,即頂管管節(jié)改變時,就會在發(fā)生變化的區(qū)段內(nèi)使軸線的曲率半徑也發(fā)生變化,管節(jié)由長變短,軸線的曲率半徑可以相應(yīng)增大,反之,則軸線的曲率半徑可以相應(yīng)減小。對該處的曲率半徑只有 600 m曲線頂管來說,管節(jié)長度出現(xiàn)由 2 m變?yōu)?1.8 m,再變?yōu)?3 m,曲率半徑出現(xiàn)先變大后變小的較大波動。在頂管軸線曲率半徑減小和在機頭遇堅硬巖石的強行硬頂?shù)墓餐饔孟?導(dǎo)致了事故發(fā)生在長為 2 m和 3 m管節(jié)的交接面之后的 11～16#管節(jié)段。

由滑坡發(fā)育和管節(jié)長度急劇變化的共同作用,使頂管軸線曲率半徑在管節(jié)接縫處驟減,導(dǎo)致該處的局部出現(xiàn)應(yīng)力高度集中,從而在管節(jié)后端出現(xiàn)徑向裂縫。為什么在管節(jié)前端的接縫處不發(fā)生開裂呢?因為在頂管管節(jié)的前端有一圈寬 30 cm厚 10 mm的止水鋼環(huán)包裹在混凝土的外側(cè),對該處的混凝土有很好的套箍作用[3],對該處的混凝土起到很好的保護作用。

3.3 瓶頸效應(yīng)

本工程施工環(huán)境復(fù)雜,一方面在頂管管道正上方有巨型廣告牌混凝土基礎(chǔ)(如圖2),尺寸 1.2 m×1.2 m,深度 2.5 m,其垂直荷載直接作用在管道上,盡管已經(jīng)通知相關(guān)單位對廣告牌進行加固,但廣告牌混凝土基礎(chǔ)還是有所沉降,直接壓在頂進通道上,在管節(jié)周邊形成卡口的一條受力約束邊。另一方面,頂管采用的是人工風(fēng)鎬鑿巖開挖方式,開挖斷面比管節(jié)外徑大約2 cm,形成管線通道。在曲線頂進和山體下滑并帶動管節(jié)位移后管節(jié)通道發(fā)生改變,破裂巖石帶及大塊硬巖石也在管道周邊形成另一條約束邊。這樣廣告牌混凝土基礎(chǔ)及破裂巖石帶及大塊硬巖石等外界約束對管道頂進通道形成瓶頸,在強行硬頂使頂管管節(jié)通過瓶頸時,使其發(fā)生擠壓(尤其是在管節(jié)的右下范圍內(nèi)),導(dǎo)致通過該處的管節(jié)在局部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,雖然進行了土體注漿和管節(jié)外周打蠟等減阻措施,但由于瓶頸效應(yīng)造成嚴重的卡鎖作用,致使減阻措施失效,所以就引發(fā)了接縫錯位、管節(jié)徑向爆裂,甚至管節(jié)縱向裂縫出現(xiàn)貫通等現(xiàn)象[2]。

3.4 管周巖體應(yīng)變能的釋放

施工開挖必然導(dǎo)致部分應(yīng)力釋放以及應(yīng)力重分布。本工程頂管采用的是人工風(fēng)鎬鑿巖開挖技術(shù),在圍巖開挖過程中使滑坡坡趾巖體的部分原巖應(yīng)力解除,出現(xiàn)應(yīng)力釋放現(xiàn)象?；缕轮簬r體具有較高的天然應(yīng)力,在開挖卸荷及特殊地質(zhì)構(gòu)造作用引起開挖周邊巖體應(yīng)力高度集中,并集聚了較高的彈性應(yīng)變能,當(dāng)開挖巖體中應(yīng)力超過巖體的容許極限狀態(tài),導(dǎo)致大量的彈性應(yīng)變能的釋放。在對頂管施工過程中,一定會對管周圍巖產(chǎn)生擾動,也易發(fā)彈性應(yīng)變能的釋放,導(dǎo)致管周圍巖對管節(jié)產(chǎn)生嚴重的擠壓作用,造成鋼筋混凝土管節(jié)錯縫、突然爆裂等[4]。

3.5 管節(jié)強度未達標

頂管管節(jié)破壞的內(nèi)因,重點在本項目頂管管節(jié)混凝土強度部分未達到設(shè)計要求 C 50。事故發(fā)生后,檢測部門對該段管節(jié)強度用回彈儀進行了一一檢測,檢測結(jié)果表明,50節(jié)管中強度超過 50 MPa為 26節(jié)約占52%,45～50 MPa范圍內(nèi)的為 12節(jié)約占 24%,小于45 MPa的為 12節(jié)約占 24%。這說明管節(jié)的強度存在一定的問題。

4 處理方案

4.1 滑坡治理方案

4.1.1 深層排水處理

由于地下水主要賦存于第四系松散坡殘積層及基巖裂隙中,采用錨索處理時,必然有部分水泥漿液滲入到塊石縫隙中,這會對固定塊石、加固邊坡、提高邊坡的穩(wěn)定有一定好處,但同時可能封閉了部分地下水排泄通道,造成地下水繼續(xù)下滲。為了保證地下水能有效地排除,采取深層即導(dǎo)水孔排水。導(dǎo)水孔鉆孔直徑為 100 mm,導(dǎo)水管采用 φ 60 mmPVC帶孔波紋管,管外用透水無紡?fù)凉げ及?。?dǎo)水孔上仰與水平夾角為10°。本工程實際運用中根據(jù)邊坡情況、邊坡水出露位置、抗滑樁開挖后實際的地下水埋深、層位等作了適當(dāng)加深。

4.1.2 抗滑樁樁身及樁頂橫梁的預(yù)應(yīng)力錨索加固

在 K 3+217～K 3+326段左側(cè)邊坡上設(shè)置一排鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁,共計 10根,以抵抗滑坡體的剩余推力?？够瑯稑俄敻叱膛c對應(yīng)樁號左側(cè)第二級平臺高程相同,其斷面尺寸為 1.8 m×2.5 m,中心間距為 8 m?？够瑯稑渡砑皹俄敊M梁均設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索,借以增大抗滑樁的抗滑力。樁身及樁頂橫梁布設(shè)8φJ15.24高強度低松弛鋼絞線,鋼絞線標準強度不小于1 860 MPa;每孔張拉力 800 k N,對應(yīng)采用 O V M 15-8型錨具,錨孔下傾角為 30°,孔徑為 φ 150。該處設(shè)置錨索的目的是改變抗滑樁的受力條件,減少抗滑樁的截面尺寸及含筋率。本處設(shè)計設(shè)置錨索 19根,總延長950 m。

4.1.3 實時監(jiān)控

實施滑坡治理措施,并量測邊坡位移發(fā)展狀況,確保滑坡得到有效控制。監(jiān)控 11#～16#管的裂縫開展趨勢,在裂縫沒有繼續(xù)擴大,同時在保證下一節(jié)頂管的完好無損的情況下,試頂推進 1#工作井的頂管。

4.2 管道處理方案

1)鑿除破裂巖石帶及大塊硬巖石,及時消除頂管施工的瓶頸地段,使管道在繼續(xù)向前頂進的過程中,減少行徑通道的摩擦力,避免應(yīng)力集中。

2)選用高強度環(huán)氧樹脂砂漿,修補混凝土管破碎的部位,確保修補強度不低于 C 50。同時采用中港二航局 801膠修補混凝土管的裂縫,該產(chǎn)品可將混凝土與混凝土、混凝土與鋼板之間粘結(jié)在一起,粘結(jié)強度超過混凝土本材強度。

3)及時取出破壞的混凝土管節(jié),置換強度及質(zhì)量經(jīng)過檢測的新管,加強施工質(zhì)量控制。

5 結(jié)論

通過本工程,積累了大量經(jīng)驗和教訓(xùn),今后在曲線頂管工程設(shè)計和施工中應(yīng)著重注意以下幾點:

1)首先要查清現(xiàn)場的地質(zhì)狀況,根據(jù)地質(zhì)情況的不同選擇不同的施工方案。由于滑坡是一個動態(tài)復(fù)雜的災(zāi)變過程[5],處于滑坡坡趾范圍內(nèi)的頂管工程,始終受到滑坡體的威脅,只有徹底解決該滑坡體問題,才能從根本上解決頂管工程在施工階段和使用階段的安全。

2)精心施工,減少糾偏幅度,嚴格控制頂管軸線偏差。頂進操作中要勤測勤糾,這樣,可減少管道局部撓曲而增加對管周地層的擾動。在頂管工程設(shè)計中,盡量使管節(jié)長度一致,防止在出現(xiàn)局部曲率半徑急劇變化的情況;在線路設(shè)計時,盡量避免小直徑圓弧曲線。

3)設(shè)備的選型盡量符合土層的物理力學(xué)性質(zhì)、應(yīng)力分布狀況。在機頭(工具管)內(nèi)取(巖)土可小幅度超挖,特別是在機頭穿越巖層時,應(yīng)當(dāng)適當(dāng)超挖,超挖量宜大于機頭直徑 3 cm。

4)頂管外周空隙注漿。由于頂管工具管與管道外徑差異、工具管糾偏形成管道外周空隙、工具管及管道外周附著一層黏土而形成管道外周空隙,須精心壓注觸變泥漿予以填充。同時,利用管道注漿減摩。采用觸變泥漿,向管道外壁壓入一定量的減阻泥漿,在管道外圍形成一個泥漿套,減小管節(jié)外壁和土層間的摩阻力。

[1]符禮斌.超淺層頂管施工控制技術(shù)[D].重慶:重慶交通學(xué)院,2004.

[2]楊轉(zhuǎn)運.超淺層曲線頂管施工控制技術(shù)[D].重慶:重慶交通學(xué)院,2006.

[3]朱伯龍.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[M].上海:同濟大學(xué)出版社,1998.

[4]吳德倫,黃質(zhì)宏,趙明階.巖石力學(xué)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2002.

[5]肖盛燮,鐘佑明,鄭義,等.三維滑坡可視化演繹系統(tǒng)及破壞演變規(guī)律跟蹤[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2006(增 1):2618-2628.