大面積堆載對管線的沉降影響及保護途徑

鄒 燕，李永生

(揚州工業職業技術學院，江蘇 揚州 225000)

1 工程概況

本次所研究的工程位于長江三角洲，因為建設需求，需要沿著長江大堤建設一座堤內水庫，該水庫的面積為2 211 km2，外側的堤壩長度是2 129 m。其中的一部分堤壩需要在本市正在運營的六條取水管線之中橫跨，所以壩體和管線之間就形成了十字交匯形式。具體情況如圖1所示。

圖1 壩體和管線交匯平面圖

在與該壩體交匯的六根管線之中，有CN1600管線2組，每組2根，管中心的標高是-5.50，中心間距是18.8 m，DN1800管線兩根，管中心的標高是-6.20，中心間距是19.2 m。在交匯區域之內，堤壩的斷面屬于對稱性的三級邊坡，堤壩頂部的高程是7.3 m，堤壩寬度是8 m。在堤壩的內外都進行了三級邊坡以及二級平臺的設置。堤壩內外坡以及平臺高程都是2 m，寬度都是10 m，二級平臺高程都是4.5 m，寬度都是5 m，內外坡的坡度都是1∶3，壩基高程是0，具體情況如圖2所示。

圖2 堤壩斷面圖

2 大面積管線堆載對管線沉降的影響

在堤壩壩體和管線之間交匯的區域之內，淤泥質重粉質土的分布十分廣泛，且這種土質有著較大的壓縮性，因為此處原來已經進行了飲水管線的建設，并正處于正常的運行之中，所以在該堤壩的施工過程中，就應該按照非跨管段的施工方式進行地基處理，通過塑料排水板加堆載預壓的方法進行處理。在壩體的堆載作用之下，為保障管線的正常運行，施工單位應該對管線變形加以合理控制，并通過科學的方式來計算其變形量。

在具體的計算過程中，根據三級邊坡，可以將堤壩看作是三級邊坡的對稱形式，其高程分別是7.3、4.5、2 m。壩基下面管道的附加應力分別是180、120、70 kN/m2。在進行壩基總沉降量的計算過程中，應該采用分層總和的方法，其公式為：

式中，第i層土厚度用hi來表示，m；最終的沉降量用S來表示，m；地基的沉降修正系數用m來表示；地基壓縮層計算范圍之中的土分層數用n來表示，基礎底面之下第i層土在其自身重力作用下的壓縮曲線孔隙比用e1i來表示；基礎底面之下第i層土在其自身重力以及負荷應力之下壓縮曲線最終孔隙比用e2i來表示[1]。將各個管線附近的勘測點作為計算點來進行計算，具體結果如表1所示。

表1 沉降量計算結果 單位：mm

通過表1可以看出，管線所在的區域之中，壩體最大的沉降量是910 mm，其與之對應的原管線沉降量是600 mm，這與實際的安全運營需求不符合，根據相關規定，原來管線的安全變形值不應該超過100 mm。基于這一情況，在具體施工之中，就一定要對跨堤管線所在的范圍做好保護，在本次工程之中，每一根管線與堤壩的交匯段長度都大約在110 m左右[2]。

3 結構加固處理方案

為了有效降低大面積管線堆載對管線受力情況的影響，避免管線變形，相關單位在施工之中就應該將管線的沉降量控制在100 mm以內。為達到這一目標，本文主要對三種加固處理的方案進行對比：

1)預制樁、承臺和預制蓋板的加固處理方案。將鋼筋混凝土承臺修建在堤壩下的管道上方，通過混凝土預制樁對承臺進行支撐，并對來自于管道上方的主要荷載進行承擔。具體施工過程中，可以沿著管線的縱向，在管線兩側各打一排預制樁，預制樁直徑為1 000 mm。這種方案的施工方法比較簡單，工期比較短，施工速度快，但是在施工過程中可能會導致管道兩側出現應力突變情況，進而引起管道的徑向變形。且因為管線處在預制樁的中上部，預制樁需要沿著管線的方向進行施工，所以為了對沉樁造成的周圍土體應力變形影響作出準確計算，可以采用圓柱形孔的擴張理論對預制樁施工和原來管線之間的安全距離進行分析，如圖3所示。

圖3 圓柱形孔的擴張理論模型圖

在對塑性區域半徑進行計算的過程中，可以應用以下的公式進行計算：

式中，土模量用E來表示;樁半徑用r來表示;土泊桑比用μ來表示;樁周圍飽和圖不排水抗剪強度用Cu來表示[3]。

經過計算可知，塑型區的半徑應該在7.2 m左右。要想滿足施工過程中預制樁和管線之間的安全距離，上部的承臺和預制板就應該和大地之間建立起比較大的剛度構件，預制樁的長度也會很長，這樣的情況就會進一步加大預制樁施工過程中的偏斜風險。

2)灌注樁和承臺加預制板的加固處理方案。將鋼筋混凝土承臺修建在堤壩下的管道上方，通過混凝土灌注樁對承臺進行支撐，并對來自于管道上方的主要荷載進行承擔。具體施工過程中，可以沿著管線的縱向，在管線兩側各打一排預制樁，預制樁直徑為600 mm。因為這種方案所應用的是灌注樁，而不是擠土樁。所以通過這一方案的應用，可以有效解決上述方案施工過程中對原來管線的不利影響，施工過程中，灌注樁和管線之間的距離只有2.5 m，這就在很大程度上縮短了承臺和預制板的跨度，并保障了樁長徑比的合理性，可有效控制專輯施工過程中對管線所代帶來的風險，且實現工程造價的進一步節約。但是在該方法的應用過程中，灌注樁的成樁時間比較長，且需要很長的時間進行水下養護。

3)復合地基的加固處理方案。在原有管道兩側20 m范圍之內，通過高壓旋噴樁和水泥土攪拌樁來進行壩基土地的加固處理，這樣就可以在此范圍之內構建起一個矩形的復合地基。在圍堤、平臺以上以及管道的兩側矩形投影范圍之內，可以通過高壓旋噴樁來進行加固處理，將其布置成正方形，樁與樁之間的距離是2 m，樁徑是600 mm，樁長度是20 m，在剩余的范圍之內，可以通過水泥土攪拌樁來進行加固處理，將其布置成梅花形，樁與樁之間的距離是2 m，樁直徑是600 mm，樁長度是20 m。這種方案的施工十分簡單，但是在施工過程中，為了讓土體所受到的負荷得到合理控制，就需要對壓縮模量做出較大的處理，保障其沿線的埋設深度一致。但是因為本次工程的水庫壩體屬于階梯狀壩體，所以就有著比較大的附加應力，這樣的情況就很容易導致理論沉降計算和實際沉降都存在誤差。

通過對以上三種加固處理方案的對比分析，并結合本次工程的實際情況，施工單位最終確定用第二種方案進行本次工程的加固處理。因為該方案的風險性最低，且經過沉降監測和管線變形監測可知，通過該方案進行加固處理，壩體的實際變形監測數據和理論計算值十分接近。由此可見，該方案在本次工程之中十分適用。

4 加固處理方案的優化措施

1)優化方案一。為實現工程造價的合理控制，在具體方案設計過程中，考慮到平臺標高不同所施加到管線上的附加應力也有所不同，所以在樁長的選擇上也應該有所不同，并注意布設的合理性，進而讓管線的縱向理論變形值和相關規程的允許曲率盡量接近，允許曲率半徑是3 000D以上[4]。具體情況如圖4所示。

圖4 布樁斷面圖

同時，在施工過程中，也需要在承臺板之下的左右兩側各預留出大約20 cm的預沉降層，這樣就可以對堤壩下沉帶給原來管線的影響起到一個抵消作用，并將堤壩原來的計算沉降量放寬，使其從原來的10 cm放大到25 cm，通過沉降層來抵消增量，這樣就可以將管線的最大變形值控制在100 mm以下。

2)優化方案二。因為壩體的施工以及管線的保護都需要在臨時性的圍堰之內進行，所以在具體的施工過程中，為保障圍堰高度和長江低潮水位要求相符，一次來實現施工成本的最大化節約，施工單位可以分別按照Φ600和Φ800這兩種樁徑進行布樁，以此來對管線進行保護，并合理比較工程的綜合費用。

根據現場施工分析發現，雖然應用直徑為Φ600的灌注樁會比應用直徑為Φ800的灌注樁節約很多的費用，但是因為Φ800的基樁數量比較少，且施工工期比較短，可以在長江低水位的季節之內完成施工，這樣就可以節約更多的費用。

因此，通過綜合考慮，在本次工程之中，應用直徑為Φ800的灌注樁進行加固處理，壩體的高程分別是7.3、4.5、2 m，其平臺所對應的灌注樁長度分別是38、28、18 m，樁基的承臺梁在樁頂縱向設置，其跨度是1 m，高度是0.8 m。根據堤壩的分級將其劃分成六段，將旋噴止水的間距預留在承臺中心，并將單向的現澆筑平臺板設置在承臺梁上，厚度是1 m，高度是0。在承臺下部的左右兩側各預留出大約200 mm的沉降層，樁基中心的最大沉降值是255 mm。

5 結 語

綜上所述，本次以某實際工程為例，分析了大面積堆載管線對沉降的影響，并通過不同方案的比對來確定了合理的保護措施，同時也對該保護措施的優化方案進行了分析。該工程已經完成了近兩年時間，通過每個月的實測發現，管線位置的沉降量與相關規定的標準完全相符，管線運行一切正常。希望本次的分析可以為類似工程的設計與施工提供出一定的幫助。

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