軟土層 複雜環境地下管道搶險案例
撰稿 :尚新民 李明書 /駿馳工程股份有限公司
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摘要：
軟土層 : 近年來城市空間發展迅速，人民生活相關的電力、供水、通訊、天然氣等配套管道也正大量建設中。地下管道施工受限於現有地面及地下設施、已埋設管線、地下水壓力、地層構造等因素，施工難度大，一旦工程災害發生，極可能是連動式的災難。
本文以鹽堿地層建構中的供電管道，因為工作井嚴重漏水、漏砂造成地表嚴重沈降、管道環片變形的搶險實例提出說明。成功的緊急應變設計與單環塞、雙環塞注漿工藝合並實踐經驗，為將來管道施工搶險設計提供了技術參數與依據。
關鍵詞：地下管道；鹽鹼地層；搶險；單環塞；雙環塞；注漿
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0.引言
隨著城市空間發展，人民生活相關的電力、供水、通訊、天然氣等配套管線工程也被大量建設中。為了保持城市景觀，新建管道大多規劃安裝在地下深埋的綜合管廊或專用管道，但因為舊城區現有地下管線、建築物基礎型式覆雜，新建構的管道通常選擇埋設在較深的地層，相對提升了建造時的困難度。萬一管線在施工或使用過程地下結構物發生嚴重漏水、漏砂情況，極可能發生地面沈降、鄰近房屋傾斜倒塌、管線破裂、天然氣外泄爆炸等連動式的災難發生。
地下管線搶險必須在最短時間內提出立即性、針對性、有效性的加固方案交付執行，並且不能任意採用傳統注漿方式處理以免造成加速地面沈降、管道側移斷裂或注入漿液填塞管道等二次危害。本文中提出某建構中的供電管道，因為工作井漏水、漏砂連帶造成管道環片變形等危害的搶險經驗，做為未來管道施工制訂緊急搶險計劃的參考。
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1.項目描述
1.1現場描述
發生漏水、漏砂的地下電纜管路內徑2.4m，為避開現有地下構造物採曲線管道設計，以直徑2.8m推進機搭配0.2m厚度異形環片設計，施工難度較高。到達點採用直徑7.5m圓形砼工工作井，連接深度在地表下19.3m~22.0m。施工過程工作井發生嚴重漏水、漏砂現象，導致與工作井連接的近25m已完成管道沈降、環片錯位、螺栓變形。地表面則發生嚴重地表沈降、鄰近房屋傾斜，並可能破壞地表淺層埋設的供水、供電、污水、天然氣及通訊等小型管道，情況極為危急。
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1.2地質條件及地下水位
本區塊地質條件較為覆雜，依據本項目巖土工程勘察報告及現場施工紀錄，災害發生區段地下水位約於地表下5.5m，地下水含有鹽堿成分，管道周邊地層為灰色粉質細砂夾薄層黏土，天然密度介於1.92~2.04 g/cm³間，含水量約為20.8~23.2%，標貫擊數值N介於10~30間，屬於中等緊密地層。但地層受到湧水、湧砂、沈降以及災害發生後，施工方兩次以水泥注漿填充方式嘗試搶救等擾動，造成該區段地質條件很不均勻，增加搶險工作的困難度。地層分布具體見圖2。 
2.執行目標及要求
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2.1執行目標
因為現場漏水、漏砂情況持續發生，管線變形範圍逐漸延伸，建設單位緊急召集工程災害搶險專家並組織施工隊伍，以搶險、清理、覆原三階段工作目標，希望能在最短時間內，以最有效方法止漏加固停止管道及地面沈降，同時在管道四周形成止水保護帷幕，以便進入管道內清除淤積砂土及修覆受損環片並補強管道結構。
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2.2執行要求
不能造成過度擾動造成沈降情況更嚴重、注入的漿液必須有止水、填充空隙、地層加固等效果，並且不得破壞或造成現有管道、地下設施及鄰近建築物地下室位移變形，注入漿液不得大量經由目前工作井或管道裂隙進入，造成清理不易。
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3技術與方案
3.1施工技術選擇
因為地層覆雜的因素，為達到預期效果，在搶險工藝選擇上採用覆合式逆級注漿技術，先以雙環塞注漿工藝(Double packer Grouting)在漏水管道兩側形成止水封墻，防止地下水及砂土繼續流入；再以單環塞二重管注漿工藝(Single packer Grouting)在管道周邊形成加固帷幕，兼具止水及地層加固的效果。 
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3.1.1
雙環塞注漿工藝
「雙環塞注漿」又稱為「導管式雙環塞注漿」，是一種適用在覆雜地層的低壓注漿止水加固工藝，採用預埋在地層中的導管搭配可在導管內活動的上下塞環，實現在同一位置定量、定壓、重覆注漿及使用不同形式漿液灌注的目標。具有施工迅速、灌注迅速、任意定點灌注、可多孔同時灌注、確保止水加固質量等優點，是目前常用注灌漿工藝中可靠性最高的技術。關於雙環塞注漿工藝執行步驟，請參考表1所示。 
「單環塞注漿」又稱為「單環塞二重管注漿」，是一種可用於定壓、定量低壓注漿的加固技術，採用二重管搭配單環塞設計，使雙液型速凝漿液在注漿管出口才充分混合，增加漿液的滲入性及填充性，實現對於地層裂隙、孔洞、軟弱地帶的擠壓加固及填充，並具備較好的成型及連貫效果，適合用於覆雜地層加固形成保護帷幕。關於單環塞注漿工藝執行步驟，請參考表2所示。 
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3.2 設計與檢核
傳統注漿常常由工程師依據經驗進行設計，特別是緊急搶險的方案，大多抄襲以往模板內容，常因為個案條件不同達不到預期效果。在本項目中漏水情況發生時，施工方即依照預先擬定的方案進行急結水泥壓力注漿，反而造成地層擾動及管道變形加劇。在後來的成功搶險過程中，除去未確定因素依據經驗設定外，採用了科學化分析檢核，並在最短時間內提出執行方案。
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3.2.1 分析方法
1) 加固範圍[1] 採用推進法建構地下管道時，工作井及管道連接處加固可採用表3建議設定最小改良範圍，但是當管道周邊地層特別軟弱或曾受到擾動時，應把這些區塊一並列入加固範圍中。 
2) 注漿孔間距[2] 注漿孔間距一般以 1.0m~1.5m 為原則，採用懸濁漿液進行劈裂注漿時，常採用1.0～1.5m間距；採用溶液進行滲透灌漿時，常採用1.0～1.2m間距。緊急搶險時，可採用1.5m間距進行緊急注漿，但須考慮止水帷幕間重叠範圍適當折減。 3) 漿材用量[1] 止水加固注漿材料用量採用下列公式計算：
4) 注漿壓力[3] 注漿壓力決定必須考慮現地的水壓力、地層排水抗剪強度、受保護地下構造物承受壓力推擠能力等因素，可採用下列公式先行估算： 
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3.2.2 數值分析檢核
由於緊急性注漿屬於侵入式加固行為，分析時利用地層參數建立土壤承受超額孔隙水壓力被動破壞模型，計算超額孔隙水壓數值。並以有限元仿真分析，建立注漿壓力梯度分布圖，以評估注漿影響範圍，檢核注漿壓力採用的合理性邊界值。
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3.3 止水加固方案
本項目因為搶險時間急迫，為能夠在最短時間內達到防止災害擴大的目標，在施工人力及設備、材料緊急調配同時進行科學化分析與分析，實時提出施工方案交付現場執行。
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3.3.1 加固範圍設定
止水加固範圍依據推估之管道受損區塊劃定。依初步探管勘測結果，受損範圍長度約為25m，為加固保護因為沈陷導致松弛的盾構環片，第一注漿區長度設計為30m，另外延伸5m為第二注漿區。第一注漿區為高風險區，加固區域寬7.8m 、高8.7m ；第二注漿區為較低風險區，加固區域寬5.8m、高6.7m，用來涵蓋受因漏水漏砂沈降變形及受前期注漿擾動區塊。 
危害發生區段管道周圍地層為灰色粉質細砂夾薄層黏土，天然密度介於1.92~2.04 g/cm³間，含水量約為20.8~23.2%，孔隙率約為37%~42%。但因地層受到嚴重擾動及前期注漿影響地層呈現不均勻情況。
為防止管道及周邊道路、房屋繼續受損，設計時以「先止水後加固」的目標進行。 依照分析結果，在不過度推擠現有管道環片的要求下，在注漿範圍內採橫向1.3m孔距及1.5m縱向排距以梅花型方式均勻布孔。每一斷面設置8排灌漿孔，管道兩側注漿孔(ABEF四排)採用導管式雙環塞灌漿以形成止水封墻；其它CDGH四排採單環塞二重管覆合灌漿，其中G、H為斜孔，形成管道周邊加固帷幕。
在注漿材料選擇時，為確保止水封墻的完整性及止水性，雙環塞工藝注漿材料採用同一位置兩次注入不同漿材的設計，第一次注漿採用水灰比(W/C)約1.25的CB漿(水泥皂土漿液)充分填充受擾動區域及孔洞；第二次採用化學SS1漿(耐鹽堿長效速凝漿液)進行地層縫隙滲透性止水。第一次及第二次注漿材料體積比採用1：2設計。 
當雙環塞注漿充分發揮功能，地下水不再大量湧入工作井及管道中後，接著進行管道周邊加固帷幕注漿。二重管覆合灌漿採用CB漿為主體加固漿材 灌漿數量採用公式(1)估算，因為搶險區塊為中等緊密砂土夾水泥塊，歸類為中等緊密砂礫層，採用懸濁漿液注漿以止水圍主要目標時，填充率α(1+β)可不做折減。依照上列條件估算注漿量如下: 第一注漿區土壤體積 = 2035.8 m3 注漿量 = 2035.8 × 0.4 × 1.0 = 814.3 m3 第二注漿區土壤體積 = 194.3 m3 注漿量 = 194.3 ×0.4 × 1.0 = 77.7 m3 依照公式(2)，當搶險區塊當採用40mm
雙環塞外注漿管，每個逆止筏距離33cm，搶險注漿速率10L/min；假設土壤內摩差角30o，土壤密度2.0g/cm3，注漿期間加固區段內地下水受擾動升高到地表面。
在此條件下計算的理論注漿壓力為4.3kg/cm2~9.4kg/cm2位，在考慮注漿管線阻尼及漿液粘滯度等影響，採用5.0 kg/cm2~10.0kg/cm2做為本項目搶險注漿設計值。 檢核時，先採用公式(3)、公式(4)計算搶險區塊地層因超額孔隙水壓影響造成被動破壞臨界值為2.5 kg/cm2，再以有限元仿真分析，得到本地層中採用5.0 kg/cm2注漿壓力時，有效梯度半徑約0.4m；10 kg/cm2注漿壓力時，有效梯度半徑約1.0m；15 kg/cm2注漿壓力時，有效梯度半徑約1.6m。為了不過度擾動管道周邊地層，於接近管道邊注漿管壓力控制在5.0 kg/cm2；為考慮止水封墻重叠性，間距1.3~1.5m的注漿孔採用15.0 kg/cm2 
現場注漿時，以注漿壓力為主控條件實時調控注漿速率。最終注漿結果，第一次注漿速率為8.0~15.0L/min；第二次注漿速率為8.0~12.0 L/min，符合有效止水加固注漿速率5L/min~15L/min要求。
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3.3.3 成果檢測
管道搶險作業因為時間急迫、地層數據不完整及現場不確定因素較多等影響，成果檢測上通常採用： 1) 目視搶險管道不再發生湧水、湧砂。 2) 地表沈降、鄰近建築物持續傾斜監測結果，隨時間趨向收斂到穩定不變。 3) 進行現場透水試驗，滲透系數不大於1×10-5cm/sec。
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4 結語
近年來各類管道、綜合管廊等建構數量越來越多，萬一發生漏水、漏砂現象，可能在短時間內造成極大的災害。有效的搶險計劃並確實交底，才能夠將損失降到最小。以下的執行經驗可提供參考：
（1）工作井、管道發生漏水、漏砂現象時，宜採用先「先止水後加固」的方式進行搶險，減少災害擴大、提升執行效果。
（2）傳統的水泥急結注漿並不是最好的管道漏水搶險方案，在覆雜鹽鹼地層及湧水狀況下止水效果差，還可能因地層擾動增加管道變形或漿液流入管道中。
（3）導管式雙環塞灌漿工藝具有施工速度快、可以均勻灌注、可選擇任意位置灌注、同一位置可灌注不同漿材、可於任意時間任意位置進行補充灌注等優點，適合做為地下水流動狀態、覆雜地層、鹽堿地層或地層數據不充足的條件下搶險止水使用。
（4）導管式雙環塞灌漿工藝配合特定配比的CB漿(水泥皂土漿液)做為覆雜地層孔洞、軟弱帶第一次注漿填充；SS1漿(耐鹽堿長效速凝漿液)進行第二次注漿止水可以達到較好的止水效果，建立較完整的止水封墻。
（5）單環塞二重管注漿工藝搭配CB漿進行低壓逆向定量注漿，可以在受損管道周圍形成加固帷幕，降低或停止管道變形產生。
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參考文獻
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軟土層複雜環境地下管道搶險案例
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