道路下管線溝槽回填加固技術模擬研究

朱曉良

摘 要：本文以蘇州地鐵8號線東延路站Ⅷ-KCWT03標段的管線溝槽加固施工為例，利用FLAC 3D軟件，對溝槽回填加固支護過程進行模擬計算，并對溝槽開挖期間使用回填加固材料后的沉降位移進行模擬計算，然后與溝槽開挖期間未使用回填加固材料的情況進行對比，科學地論證了使用回填加固材料對管線溝槽回填的必要性。本次模擬計算使用的加固方案為“強弱”結構方案。經分析，隨著溝槽的埋深增加，計算的數據結果與不采用加固方案的情況有著明顯的差異，這些變化引起的差異處于預期的計算結果之內。將本次模擬的計算結果與實際工程數據相結合，分析對比可得，使用FLAC 3D對該工程實例的數值模擬是切合實際的，對溝槽開挖、基坑開挖等工程施工有一定的指導意義。施工之前，人們要利用數值模擬技術，對實際工程進行數值模擬;結合現場監測數據，分析溝槽回填加固后的變形和支護效果;運用相關理論知識，在保護周邊建筑物的條件下得出溝槽回填的最佳方案，以確保實際工程的順利進行。

關鍵詞：數值模擬;管線溝槽;加固施工;FLAC 3D;工程實例;變形分析

中圖分類號：U416.217文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）04-0124-04

Abstract： Taking the pipeline trench reinforcement construction in the section Ⅷ-KCWT03 of Dongyan Road Station of Suzhou Metro Line 8 as an example， this paper used FLAC 3D software to simulate the process of trench backfill reinforcement support， and simulated the settlement displacement after using the backfill reinforcement material during trench excavation， and then compared it with the situation when the backfill reinforcement material was not used during trench excavation， and scientifically demonstrated the necessity of using backfill reinforcement materials to backfill pipeline trenches. The reinforcement scheme used in this simulation calculation is the "strong and weak" structural scheme. After analysis， as the buried depth of the trench increases， the calculated data results are significantly different from the situation without the reinforcement scheme， and the differences caused by these changes are within the expected calculation results. Combining the calculation results of this simulation with actual engineering data， the analysis and comparison show that the numerical simulation of this engineering example using FLAC 3D is practical， which has certain guiding significance for the construction of trench excavation and foundation pit excavation. Before construction， people should use numerical simulation technology to simulate the actual project; combine the field monitoring data to analyze the deformation and support effect after the trench backfilling and reinforcement; apply relevant theoretical knowledge， come up with the best plan for trench backfilling under the condition of protecting the surrounding buildings to ensure the smooth progress of the actual project.

Keywords： numerical simulation;pipeline trench;reinforcement construction;FLAC 3D;engineering example;deformation analysis

隨著社會的不斷進步，地鐵的修建力度不斷加大，對此地下管線的埋設就變得至關重要，地下管線種類繁多，結構復雜，因此管線溝槽的合理加固是保證管線正常運行的關鍵。在加固管線溝槽時，要鋪設一定強度的混凝土，保證一定的地面強度，以免對地面造成破壞;在澆筑混凝土時，要設置弱結構面和松軟結構層，以削弱路面的動力荷載和高溫或冷凍天氣帶來的熱脹冷縮自然現象。張安睿等[1]依托雙柏隧道工程展開淺埋暗挖隧道雜填土地層鋼管樁的加固機理研究，利用有限元軟件實現對鋼管樁加固的數值模擬，驗證加固施工的可行性;高濤[2]通過FLAC 3D軟件數值計算和現場監測相結合的方法研究了富水圓礫地層地鐵盾構隧道施工對既有臨近管線變形的影響規律;蔣進等[3]分析基坑開挖引起的地表沉降變形、基坑側壁水平位移及坑底隆起變形，研究ABAQUS軟件內置土體本構模型及二維簡化分析模型對基坑開挖數值模擬結果的影響;張晉梅等[4]基于北斗全球導航衛星定位系統（GNSS）監測參數反演，在考慮非飽和效應的基礎上，以湖南常德某基坑開挖項目為背景，對施工全過程進行仿真模擬，以探究考慮降水影響條件的基坑開挖規律。

在此基礎上，國內不少學者對軟弱淺埋地層展開了一定的研究[5-8]。但是，很少有人研究地下管線上覆不同的加固層。本文基于蘇州地鐵8號線東延路站的路基地下管線溝槽開挖回填過程展開數值計算研究，利用有限元軟件FLAC 3D實現對開挖過程的數值模擬，計算出不同埋深路段的施工技術方案。

1 工程背景

1.1 工程概況

東延路站是蘇州市軌道交通8號線第24個車站，該站北側接車斜路站，南側接仁愛路站。本站設置于東延路與松濤街路口處，沿松濤街南北走向、跨路口敷設，為地下兩層島式站。車站長度為477 m，標準段寬度為20.7 m，站臺寬度為12 m，采用兩層雙跨框架結構。有效站臺中心里程處，底板埋深約為17.1 m。車站采用明挖順作法（局部蓋挖順作法）施工，車站頂板覆土約3.5 m，車站小里程端盾構始發，大里程端盾構接收。其中，車站附近路面多行人和小車通行，路面澆筑混凝土和瀝青，減少作業粉塵，保障交通安全。東延路站場地現狀圖如圖1所示。

1.2 支護設計方案

雨水管道施工采用DN300HDPE管（公稱內徑300 mm）。HDPE管要求采用雙璧異色、雙壁擴口的雙壁波紋管，使用橡膠圈接口，管材環剛度須超過8 kN/m2。除檢測環剛度外，還需要檢測環柔性和抗沖擊性，其均需要達到HDPE管材的相關國家標準要求。依據現場施工的實際情況，管線上必須鋪設6 cm的中粒式瀝青混凝土AC-16，其通過粘層油與30 cm的C30混凝土進行膠結，在混凝土底部增加一層鋼筋網，由于路段臨近地鐵和行車擁堵段，在鋼筋網下增加碎石墊層來增設弱結構面，實現管線加固、減震和消波吸能。同時，一定的埋深位置增加中粗砂，將管線鋪設在中粗砂中，增強管道的穩定性，保護管線，削弱動力荷載的影響。雨水管和C30混凝土的主要參數如表1所示。

2 數值計算

2.1 計算模型

依據現場的實際情況，按比例1∶1進行建模，主要采用Rhinocero三維建模軟件對現場勘測條件進行建模，通過Griddle將模型轉換成FLAC 3D支持的網格文件，導入FLAC 3D進行計算。為滿足圣維南計算原理，模型的計算大小必須是研究區域的3～5倍，故設計模型大小為300 cm×300 cm×100 cm，雨水管半徑15 cm、壁厚3～5 mm。由上至下，路面鋪設6 cm的中粒式瀝青混凝土AC-16、30 cm的C30混凝土保護層，在混凝土底部增加鋼絲網層;接著，用碎石作為弱結構面，厚度為34 cm，提高路面重物所帶來的荷載抵抗強度和動載聲波的削弱能力，提高對雨水管道的保護作用;管道周圍采用中粗砂作為軟弱介質，鋪設區域沿管道四周展開，大小是管道直徑的3倍，寬度為90 cm，厚度為60 cm。由上往下，各地層的結構特征為：中粒式瀝青混凝土、C30混凝土、碎石、中粗砂和粉質黏土調配成的灰土。具體情況如圖2所示。

2.2 參數設置

FLAC 3D是由美國ITASCA公司研發的數值模擬軟件，軟件采用有限差分法，可以較為直觀地實現巖土體開挖后的位移、塑性區等變化，在許多工程實踐中已經作為指導施工的有效軟件。

在本次建構模型的試驗中，土體采用彈塑性體進行模擬，采用摩爾-庫倫模型;金屬雨水管道采用各向同性彈性模型，采用彈性材料模型對地下管線等進行模擬，模型參數如表2所示。邊界條件采用位移邊界約束，因為實際埋設的為淺埋管道，設置重力加速度為9.81 m/s2，其中，初始應力條件設置水平應力與處置應力的比值為0.5。

2.3 計算結果分析

依據現場施工，通過開挖溝槽，將管線埋設后回填加固材料。本次模擬設計思路流程為施工方案對比：直接采用null開挖管道，對周圍巖層參數一致與回填加固的管道受力進行對比，實現管道開挖后加固和未加固的方案比較分析。

從管道受到的垂直應力可以看出，頂部混凝土澆筑時，管道受到的垂直應力并未增加，反而略微減小。經分析，碎石和中粗砂為軟弱介質層，直接接觸的削弱混凝土對管道的重力負荷使管道處于軟弱介質層中。如圖3所示，在自然重力環境下，管道兩幫受到的垂直應力由3.50E7 N下降至2.18E7 N，可以得出管道受到的垂直應力明顯減小，這說明對管道設置“強弱”結構保護的作用是比較明顯的，這對現場類似情況的處理提供了一定參考。

如圖4所示，通過管線的加固保護模擬計算，在距離地表10、20 cm和50 cm的監測地點，由于混凝土的加固，距離地表10 cm和20 cm的沉降位移與未加固前相比明顯減小，由20～40 mm減小到0.1～0.5 mm，加固效果比較明顯，沉降得到明顯控制。同時，由于碎石塊本身具有一定的質量，碎石塊下方埋設的中粗砂結構致使距離地表50 cm處出現一定的沉降位移。由于管道的埋深不是很大，其屬于淺埋管道，管道上部地層的位移監測受到多方面的因素影響，監測效果不是很理想，故通過數值計算軟件優化施工方案。

3 結論

本文基于FLAC 3D軟件模擬管線溝槽的回填加固支護過程，對比分析溝槽開挖后使用回填加固材料前后的沉降位移。在回填“強弱”加固條件下，管線溝槽上部地層的沉降位移降低明顯，但仍存在一定的變量，人們需要采用不同的回填加固方案，通過數值模擬技術優化現場施工方案。當管線位于路面結構內，距路面頂100 cm以上時，開挖溝槽時回填加固需要添加中粗砂，鋪設路面管道時需要澆筑瀝青和混凝土來提升對管線的保護強度，同時仍需要在管道上部和四周設置一定的弱結構面，使得管道的“強弱”環境削弱一定的靜載和動載，提高管線的安全使用率。

參考文獻：

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