浅议水厂改造清水管保护施工技术

李 波 1 朱彩平 2

上海宏渠工程咨询监理有限公司，上海市 201301

摘要: 本文就作者亲身参与上海南水厂深度处理改造工程施工中，所经历、处理的技术问题： phc管桩施工造成清水管位移，分析原因，制定措施，并结合施工区域周边环境、施工质量安全控制等方面展开论述，望能为类似工程提供一些参考性建议。

关键词：清水管位移 原因分析 技术措施

0 引言

水厂改造工程，主要指因城市供水区域的调整、水质标准的提高，亦或厂区规划的调整等等原因，而进行的厂房扩建、设备与管道的更新升级等行为。此过程，既要确保水厂正常运行，居民生活用水不受影响，又要减轻施工产生的不利影响，并适时做好工艺管道的预留、衔接以及切换等工作。

本文以上海南水厂深度处理改造工程为例，力图通过施工过程中实际遇到的情况来对此展开进一步讨论。在进行活性炭滤池及接触消毒池等结构地基PHC管桩试桩时，发生清水管垂直（与水平位移）沉降监测报警，通过监测数据分析，发现距基坑开挖边线一定距离的清水管发生垂直、水平位移，其中垂直（与水平）位移日变化值（单日＞2mm，累计＞10mm）与累计变化值均超过警戒值。如不加以保护并采取一定施工技术措施，很有可能影响水厂正常运行和附近30多万村居民以及企事业单位的生活和生产用水。本文就此展开论述。

1. 工程概况

南水厂深度处理改造工程，建设规模为44万m³/d，采用臭氧生物活性碳深度处理工艺，与水厂现有常规处理规模相匹配。主要内容包括新建预臭氧接触池、中间提升泵房及后臭氧接触池、活性炭滤池及接触消毒池、反冲洗泵房及臭氧发生器间、回收水池、液氧站，以及现状20万m3/d砂滤池出水总渠、鼓风机房及加氯加氨间局部改造等内容。

该工程拟建构筑物采用PHC管桩基础，为PHC400预应力管桩，共1516根（含试桩），长度为25m~31m。拟建场地东侧和北侧有一根DN1600清水出厂钢管，管面覆土为1.3~1.5米，原设计中DN1600钢管壁厚为14mm（因原设计原因，故暂无法确定焊缝形式），设计压力等级为1.0MPa。活性炭滤池及接触消毒池的工程桩桩基离DN1600钢管较近，北侧清水管距离基坑边线9.4米，东侧清水管距离基坑边缘6.9（东北角）4.7米（东南角）。施工前，为确保周边建筑物与地下管线的安全，进行了沉降、位移监测点布设，下图为拟建构筑物与清水管线相对位置图。

图1 平面位置图

2 清水管保护

2020年4月23日，活性碳滤池开始试桩施工（PHC-B-95-400管桩），由于静压桩挤土效应影响，4月25日DN1600清水管道S5监测点位单日水平位移2mm，而最大垂直位移达7.7mm（报警值2mm），垂直累计位移达21mm（累计报警值10mm），皆超报警值。该情况发生后，即刻要求暂停PHC管桩施工，分析原因，在制定切实可行的保护措施后再施工。

2.1原因分析

通过对本工程地质报告分析，该区域由表层向下依次为（表1、图2）：①杂填土，层厚2.5米；②粉质粘土，层厚1.8米，含水量w平均为30.5%，饱和度Sr为97%；③淤泥质粉质粘土，层厚2.6米，含水量w平均为38.9%，饱和度Sr为98%；③_夹粘质粉土，层厚2.0米，含水量w平均为28.3%，饱和度Sr为92%；④淤泥质粘土，层厚9.8米，层厚2.5米，含水量w平均为48.2%，饱和度Sr为97%；⑤粘土，层厚6.9米，含水量w平均为41.6%，饱和度Sr为96%；⑥t粉质粘土与粘质粉土互层，层厚2.8米，含水量w平均为26%，饱和度Sr为96%；⑥粉质粘土，层厚1.6米，含水量w平均为24.2%，饱和度Sr为96%；⑦_1-1砂质粉土，层厚5米，含水量w平均为26.5%，饱和度Sr为93%。⑦_1-2 粉砂，层厚6.5米，含水量w平均为26.2%，饱和度Sr为92%；⑦₂粉砂，含水量w平均为25.6%，饱和度Sr为93%。

从上述地质报告中，可以看出各层土中的含水量w、饱和度Sr都比较高，尤其饱和度Sr都在95%左右，甚至高达98%。此时，土体颗粒间的孔隙基本被自由水填满，在总应力一定的情况下，随着孔隙水应力的增加，则颗粒间的有效应力将减小。若持续受到机械振动（如静压桩施工），则将导致土体的流变性能（挤压效应）大大增加。

表1土层成分分析表

图2 地质剖面图

对于饱和黏性土，在沉桩施工时土体受挤压，土体间有效应力转移至孔隙水中，产生超孔隙水压力。在群桩中超孔隙水压力达到较高时，消散时间较长，造成桩位偏移，加剧挤土效应[1]。挤土效应主要为靠近地面的土体受挤压而向上隆起，下层较深的土体由于压力的作用抑制垂直方向位移，向水平方向挤压[2]。这种挤压效应，对周边一定范围的建筑物、地下管线等均可造成不利影响，尤其对高敏感、位移量受限的结构物。根据计算理论与实践分析，可能与下列因素有关：

2.1.1 PHC管桩的桩径与桩长

罗战友等人[3] 通过对Segaseta 的源- 汇理论研究，得出静压单实心桩引起土体地表面水平与垂直位移按以下公式计算。

式中：Sz （x）为地表垂直位移，m； d 为压入桩的直径，m； L 为桩的长度，m； Sx（x）为地表水平位移，m。从上式中可以看出，桩长与桩径直接影响土体位移量，在满足设计抗拔或承载力的前提下，应尽量减小PHC管桩的桩径与桩长，以期减轻土体的挤压效应。本工程根据设计规模、综合参数评估，决定采用PHC 400 B 95-25，PHC 400 AB 95-31两种规格预应力管桩。

2.1.2 土塞效应

当PHC管桩打入土体，随着管桩的下沉土体持续灌入桩体，形成土塞。土塞的闭塞效应一般采用土塞增量与桩打入深度增量之比(the incremental filling ratio，简写为 IFR)来评价。该指标定义为：

式中：dLp/dH表示桩的打入深度增加一个单位长度，土塞长度的增加量。当桩径很小时，土塞可能达到完全闭塞程度（IFR=0），其挤土效应等同于闭合桩与实心桩[5]。土塞形成过程挤密效应是显著的，孔隙率与含水率明显降低；粘聚力因沉桩扰动的影响则有不同程度的降低[4]。

本工程采用闭合桩即IFR=0，闭合桩不像开口型phc管桩能因土体有效进入管腔，形成土塞效应，减小超孔隙水压力影响进而消除部分土体挤压效应。这可能是本工程未能有限利用土塞效应的不足之处。究其原因，主要考虑：由于地下水位较高，水中富含腐蚀性离子浓度较大，为了避免成桩后地下水沿管芯内壁渗流到管桩接头位置或者反渗至桩顶承台内部，造成管桩焊接接头或承台内部钢筋受腐蚀而造成破坏[6]。

2.1.3 沉桩顺序与沉桩速率

实践证明，盲目且无计划的沉桩施工，以及不科学欠合理的施工顺序，都将增大挤土效应对周边建筑物、地下管线的影响。同时，沉桩速率与数量（以及桩的体积增大）也是一个因素，其主要通过超孔隙水压力未能及时消散对土体产生的挤压影响。

2.1.4 土质特性与地下水位

施工区域的土质特性对phc管桩的挤土效应影响也是很大的。灵敏粘土在管桩施工中会产生软化，土体从桩周边挤出地表隆起高度较大; 非灵敏粘土( 如硬粘土、细砂、粗砂等土层) 土体隆起量就比较小; 软土地基因天然含水量高、土体压缩性强加上承载力低，而且有触变、流变、低透水性和低抗剪强度等特性，因此决定了软土相对于其它土质所产生的挤土效应影响会更加明显[6]。

因本工程地处上海市老南汇区大治河边，根据地勘报告：属于潜水类型，其水位动态变化主要受控于大气降水和地面蒸发等影响。本次勘察期间，实测取土孔内的地下水静止水位埋深在 1.53～2.30m 之间，标高为 3.22～3.84m。从地质报告中知土体Sr基本在96%上下，可以认为是饱和软土，当受挤压后，体积基本不会收缩或收缩很小，挤压应力通过超孔隙水压力与土体位移来消减，挤土效应十分明显。

2.2应对措施

2.2.1应力释放沟与释放孔

应力释放沟的设置，通常在一定深度范围内随着深度增加减震效果越明显，影响范围基本位于沟底以上。实际施工中若沟深受限，可以结合释放孔的合理设置，来加快超孔隙水压力消散速度，阻断其在该处土体间传递，缩短土体再固结时间，减少土体挤压效应进而消除对清水管的影响。

本工程在拟建场地南侧、西侧以及东侧阀门井以南受场地限制设置两排应力释放孔和防震排挤沟（见图2、图3），沟深1米，宽2米，应力释放孔￠300mm，间距1m，排距0.5m，深度15-17米，两排布置呈梅花状，孔内填入一半粗砂。由于③层土是淤泥质粉质粘土层底标高在0.75～-3.74米、④层土是淤泥质粘土层底标高在-12.40～-13.74米；正处于释放孔成孔深度范围之内，用绞龙由于土质原因无法成孔，后来调整采用D400的钻孔灌注桩进行成孔，确保释放孔上下贯通。

图2 释放沟释放孔平面位置图

图3 释放沟释放孔剖面图

2.2.2 钢板桩阻断保护

在应力释放孔外侧同步实施U型钢板桩阻断保护（图3），通过封闭钢板桩形成一定深度的保护性墙体，阻断土体因挤压效应以及超孔隙水压力的有效传递。

2.2.3 调整施工工艺

在钢板桩、应力释放孔和防震排挤沟全部完成后，再进行桩基施工。同时优化桩基施工方案，采取科学合理的施工顺序。确保挤土方向与压桩推进方向的一致性，由近及远背离清水管进行施工。临近DN1600清水钢管处采用跳打（设计图纸纵向桩间距1750mm、横向桩间距2600mm，考虑到沉桩挤压效应，我们采取间隔一个桩距的施工措施进行沉桩）结合慢压的施工手段。为减小土体扰动，及时消散超孔隙水压力，决定控制沉桩速率在2~3m/min 。从加密监测的数据分析采取跳打之后对清水的影响也起到了一定的缓冲效果。

在全部桩基完成后，对应力释放孔及时采用水泥浆灌填密实，确保后续施工与地基稳定。

2.2.4 控制好清水管上部堆载以及压桩、焊接等施工措施

严格控制清水管上部的堆载要求：按设计要求不大于30KN/m²，为此清水管走向区域采取限载堆物。

按照设计与规范要求控制好静压压力以及沉桩速率，合理布置两台静压桩的压桩顺序与步骤，从而减轻对清水管的挤压效应影响。现场为了确保桩基焊接质量，提高压桩功效，选派具备多年经验的焊工、二人对称施焊确保接桩焊接时间控制在合理范围，施焊时间在10分钟左右。

2.2.5 切实调整监测方案

直接在清水钢管上增加测斜点，并加大监测频率，桩基施工期间每天至少二次；清水钢管处就近适当加密监测点，报警控制为±2mm/天，累计为±8mm。

除了对DN1600清水钢管进行监测外，增加了对周边的2号泵房、清水池以及反冲洗废水调节池等构筑物的监测点布置，报警控制为±2mm/天，累计为±10mm，布置点结合工程桩和基坑施工综合考虑，监测直至整个工程结束。

2.2.6 应急处置方案

从人、机、料、法、环等方面，制定切实可行的DN1600管道应急抢修方案，确保万一发生爆管的情况下，能做出快速抢修处置。厂方准备管道抢修的应急预案、并成立抢修小组、现场配备抢险物资。施工期间厂方成立巡视小组，1-2小时对清水管进行巡视检查。

a.在厂区内DN1200出厂阀门（1#抢修阀）、DN1600联通阀（2#抢修阀）、DN1600出厂阀门（3#抢修阀）、东北角退水口阀门（退水口阀门）插上旗帜并做明确标识。为保证发生事故时最快时间关闭阀门，将现场阀门井盖板打开，在周边做好防护措施。

b.告知每个值班班组、保安班组阀门位置，并熟知处置流程，做到泄漏事故发生时能及时到场准确关闭阀门。由于时间的不确定性，各部门都应做好处置事故的准备，第一时间赶赴现场。

c.根据泄漏点的位置不同关闭相应阀门。

如：泄漏点在DN1600出厂阀门南侧，关闭DN1600出厂阀门及DN1600联通阀；泄漏点在DN1600出厂阀门北侧，关闭DN1600出厂阀及DN1200出厂阀；

d.根据实际情况，2#泵房离心泵应调低频率或停运来降低管网压力。

e.发生泄漏时的大量积水会从施工区东大门排出，同时应打开东北角退水口阀门，减轻下水道压力帮助排水。

f.惠南厂现已预备DN1600抢修抱箍一个。2#泵房和机修车间各预备一个关阀门用钥匙头。2#泵房预备防汛沙袋50个，在事故发生时用以封堵室外电缆沟，减缓室内电缆沟进水。

3监测分析

因现场环境及政府有关部门规定限制，对清水管的监测点埋设原则：利用原有设备即在管线设备的窨井、盖头、表计阀门上布点；间接点法即在地下管线相应上方将顶面上方刻划“+”的道钉打入道路接缝处。在采取应力释放沟、释放孔以及U型钢板桩保护后，通过对监测数据分析（图4），5月12日再次开工后，清水管水平、垂直位移不再发展，保护措施得到了有效印证。

图4 清水管位移监测图

4结语

水厂地下构筑物桩基设计之所以采用高强PHC管桩，主要是从工期、投资、承载力（与抗拔保护）等方面综合考量。尽管其具有施工高效、承载力高等优点，但由于施工产生的超孔隙水压力以及挤土效应（沿海地区因地下水环境等因素管桩IFR=0又无法有效缓解该挤土效应），必然会对周边建筑物、地下管线等造成一定的影响。而本文通过应力释放沟、释放孔、U型钢板桩以及施工工艺调整等措施，为基坑周边地下管线保护提供了实践经验，也为类似工程施工提供了一些参考性建议。

[1] 樊向阳. 静压桩施工沉桩阻力及沉桩挤土效应研究[D]. 上海: 同济大学,2007.

[2] 林叶榛. 静压PHC 管桩施工挤土效应的机理分析及防治措施[J].福建建筑,2010(6):78-80.

[3] 罗战友. 静压桩挤土效应及施工措施研究[D]. 杭州: 浙江大学,2004.

[4] 张忠苗, 刘俊伟, 俞峰，谢志专. 静压预应力混凝土管桩土塞效应试验研究 [J]. 岩土力学,2011,8:2274-2280.

[5] 谢永健, 王怀忠, 朱合华. 软黏土中PHC 管桩打入过程中土塞效应研究[J]. 岩土力学,2009,30(6):1671-1675.

[6] 张军成. PHC 管桩施工挤土原理分析及其应对措施. 道路工程,2020,134-137.