綜合管廊與道路共建不均勻沉降特性與控制的數(shù)值模擬分析

歐振鋒 何 娜

(1.廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東 廣州 510060；2.廣東開(kāi)放大學(xué)（廣東理工職業(yè)學(xué)院），廣東 廣州 510091)

0 引言

綜合管廊是將兩類及以上工程管線集中設(shè)置于同一管廊內(nèi)，實(shí)現(xiàn)地下管線的集約化管理。隨著城市化進(jìn)程不斷深入推進(jìn)，為提高城市國(guó)土空間利用效率，通常會(huì)將綜合管廊與道路進(jìn)行共建。在我國(guó)沿海城市，由于軟土分布廣泛，對(duì)于共同建設(shè)在深厚軟土區(qū)的管廊與道路，管廊所在位置土體被挖空，其下方軟基承受的荷載將小于其他位置，管廊與所在道路的剛?cè)徇^(guò)渡段極易出現(xiàn)裂縫、跳車和路面塌陷等，給道路行車、行人的舒適性與安全性帶來(lái)較大影響。

關(guān)于軟土地區(qū)管廊與道路沉降，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)、理論分析和數(shù)值計(jì)算等方法，對(duì)其形成原因、機(jī)理和分布特征[1-3]，及其對(duì)管廊與路面結(jié)構(gòu)受力影響[4-7]等開(kāi)展了較多研究，提出沉降預(yù)測(cè)方法和減沉加固措施[8-11]。例如，周秋月與余湘娟等針對(duì)南京市某綜合管廊工程中采用的鋼板樁加二道鋼支撐支護(hù)方式進(jìn)行的管廊基坑監(jiān)測(cè)表明，地面沉降量隨著基坑開(kāi)挖而增大，而沉降速率逐漸減小，第二道支撐軸力受開(kāi)挖速度及支撐架設(shè)時(shí)間等因素影響。張旭文基于管廊-不均勻土體無(wú)限長(zhǎng)梁模型與有限長(zhǎng)梁模型，給出了單個(gè)集中荷載作用下拼裝式管廊縱向內(nèi)力和變形分布形式；并針對(duì)幾種典型沉降類型（馬鞍型、凹陷型、漸緩型和突變型），考慮管-土相互作用，利用ABAQUS對(duì)單艙管廊結(jié)構(gòu)受力特征進(jìn)行三維數(shù)值分析，分析表明管廊側(cè)板與腋角相接處應(yīng)力較集中，此處易受破壞。

盡管文獻(xiàn)中有關(guān)深厚軟土地區(qū)管廊與道路沉降的研究較多，但對(duì)兩者相互作用下的變形規(guī)律認(rèn)識(shí)仍有待深化。本文結(jié)合廣州南沙軟土地區(qū)某裝配式綜合管廊項(xiàng)目，通過(guò)建立管廊-道路三維數(shù)值模型，進(jìn)行綜合管廊與道路共建時(shí)不均勻沉降特性與控制的數(shù)值模擬分析，所得成果可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

廣州南沙綜合管廊工程項(xiàng)目的管廊斷面均為3.8m×3.7m單艙矩形形式，管節(jié)厚度35cm；采用整體預(yù)制節(jié)段拼裝技術(shù)，節(jié)段長(zhǎng)度為2m，相鄰管節(jié)選用承插式接口形式拼接。項(xiàng)目所在區(qū)域典型土層斷面分布如圖1所示，自上而下分別為素填土、淤泥、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂和砂質(zhì)黏土，其中分布著深厚軟土層，管廊與道路共建易產(chǎn)生不均勻沉降。為控制管廊與道路共建時(shí)路面不均勻沉降，該項(xiàng)目對(duì)綜合管廊基礎(chǔ)及兩側(cè)路基進(jìn)行加固處理（如圖1所示）。其中，綜合管廊基坑采用鋼板樁或SMW工法樁加內(nèi)支撐的圍護(hù)形式，基坑被動(dòng)區(qū)加固采用水泥攪拌樁三軸Φ850@600×600進(jìn)行處理；在管廊基坑開(kāi)挖至坑頂施工面后進(jìn)行基坑兩側(cè)水泥攪拌樁復(fù)合地基二次處理，水泥攪拌樁直徑0.5m，正三角形布置，間距1.3m，水泥攪拌樁處理至綜合管廊基礎(chǔ)外5m范圍；同時(shí)在水泥攪拌樁與管廊間設(shè)置5m寬搭板。

圖1 管廊與道路共建立面布置與典型土層分布

2 模型建立及參數(shù)選取

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

進(jìn)行管廊與道路共建過(guò)程不均勻沉降分析時(shí)，以區(qū)域典型土層分布為土層劃分依據(jù)。為降低邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，計(jì)算模型底面取至管廊基坑支護(hù)樁底面5m以下（約5～10倍樁徑），道路橫斷面方向取至道路邊線，路線縱斷面方向取1倍路基寬度，模型整體尺寸為36m×36m×32.3m；模型底面固定，側(cè)面法向約束。計(jì)算網(wǎng)格模型如圖2所示，除了管廊基坑鋼支撐為梁?jiǎn)卧?，土層及其他結(jié)構(gòu)均為實(shí)體單元。圖3 所示為管廊和道路主要結(jié)構(gòu)布置。

圖2 三維網(wǎng)格模型

圖3 管廊和道路主要結(jié)構(gòu)（立面圖）

2.2 本構(gòu)模型與材料參數(shù)選擇

巖土本構(gòu)模型需較好地描述土體的真實(shí)力學(xué)-變形特性，在涉及基坑開(kāi)挖和路基填筑施工過(guò)程模擬中，選用修正莫爾庫(kù)倫模型比較合適。本文分析中的有限元模型對(duì)主要土層和坑底加固土采用了修正莫爾-庫(kù)倫模型，中風(fēng)化巖、鋼板樁、SMW工法樁、鋼筋混凝土冠梁和鋼支撐等采用了線彈性模型進(jìn)行模擬。相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1、表2所示。

表1 巖土材料主要模型參數(shù)

表2 其他材料參數(shù)

3 數(shù)值計(jì)算工況與計(jì)算結(jié)果分析

3.1 荷載施加

荷載主要包括土體自重，行車道車輛荷載和人群荷載。土體自重，水位以上取天然重度，水位以下取飽和重度，管廊基坑開(kāi)挖階段，基坑外側(cè)計(jì)算水位按常水位（5.5m）計(jì)算，基坑內(nèi)側(cè)水位取坑底以下1m。依據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2014)第7.0.4條，在雙向行車道各布置4輛車輛荷載；人行道人群荷載取3.0kN/m2，非機(jī)動(dòng)車道人群荷載取3.0×1.15=3.45kN/m2。

3.2 計(jì)算工況

該項(xiàng)目分析共設(shè)置5個(gè)工況：初始地應(yīng)力分析、管廊基坑開(kāi)挖、管廊基坑回填、路基路面施工和車輛荷載和人群荷載施加。

3.3 路面不均勻沉降計(jì)算結(jié)果分析

圖4～圖5給出了路面沉降的分布。路面沉降橫向關(guān)于道路中線呈W型分布，靠近管廊側(cè)沉降相對(duì)小些，這主要是因?yàn)楣芾忍涂詹糠滞翆?，使得管廊處土層載荷相對(duì)較小。路面最大沉降為5.6mm，位于遠(yuǎn)離管廊側(cè)左行車道后排車輛中軸外側(cè)；靠近管廊側(cè)右行車道最大沉降為4.8mm，兩者相差0.8mm。

圖4 路面整體沉降云圖

圖5 路面最大沉降處斷面沉降云圖

3.4 路面不均勻沉降控制效果分析

該項(xiàng)目在管廊兩側(cè)各設(shè)置5m寬搭板，搭板可以將上部路基荷載均勻分散至管廊及管廊兩側(cè)土層中，降低路面差異沉降。為分析搭板對(duì)路面沉降控制的積極作用，對(duì)無(wú)搭板情況下路面沉降展開(kāi)了分析。圖6給出了有搭板和無(wú)搭板情況下路面沉降對(duì)比。從圖6可知，搭板的設(shè)置可降低路面總體沉降10%，差異沉降減少了20%。這說(shuō)明搭板對(duì)降低路面總體沉降和差異沉降具有積極作用。

圖6 有搭板和無(wú)搭板情況下路面沉降對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以某裝配式綜合管廊工程為例，通過(guò)建立管廊-道路-土體三維有限元數(shù)值計(jì)算模型，分析了管廊與道路共建時(shí)不均勻沉降的特征，并分析了設(shè)置搭板對(duì)不均勻沉降的控制效果，結(jié)論如下：

（1）管廊與道路共建時(shí)，路面沉降呈W型分布，靠近管廊側(cè)路面沉降相對(duì)較小，管廊兩側(cè)路面最大沉降相差0.8mm。

（2）數(shù)值分析表明，搭板的設(shè)置可降低路面總體沉降10%，差異沉降減少了20%；說(shuō)明在管廊兩側(cè)設(shè)置搭板可有效降低路面不均勻沉降。