軟基段管廊路基施工期及工后變形特性分析

■張樹妹

（福州市城鄉建總集團有限公司，福州 350007）

隨著城市化進程的加快，公路兼具市政功能的道路工程日益增多，公路行業出現了大量的管廊工程，管廊的使用對于公路的維修及保養非常便利，但是目前存在的路基既有管廊的病害[1-4]，有滲漏水[5]、非均勻沉降、混凝土主體裂縫等主體病害和路面的凹陷、沉降、縱向開裂，波浪式起伏等次生病害，造成這些病害的重要原因與軟土的特性息息相關。 目前學者對軟基段路基的施工期及工后沉降做了大量的研究[6-7]，取得豐碩的成果，例如徐全亮等[8]對濱海軟土地區公路拓寬新舊路基差異沉降及附加應力變化進行了研究;朱俊樸等[9]針對軟土路基極易引發沉降和路面不均勻沉降，利用Midas/GTS 軟件，建立有限元模型對軟土一級公路路基沉降規律進行模擬分析；一些學者針對軟基段路基的施工期及工后沉降提出了不同模型用于變形預測[10-12]，以減小沉降過大對施工期及工后的影響。 實際上，由于管廊的存在，其對路基沉降的影響與無管廊相比存在差異，學者對這一方面做了研究，例如王鋒等[13]以道路工程為實例，通過數值模擬對地表不同沉降截面進行了研究；黃劍等[14]以華東沿海地區的軟土地基條件下綜合管廊工程為背景，研究綜合管廊及其周邊沉降是否符合規范要求;周秋月等[15]對南京市某綜合管廊采用鋼板樁、鋼支撐解決開挖基坑失穩問題，研究管廊周圍不均勻沉降問題。 雖然以上學者對管廊路基做了大量研究，但是有無管廊對施工期及工后路基沉降量及沉降特點的影響需要進一步研究，以便為路基既有管廊施工提供參考。

本研究是以福州某管廊工程為例，進行數值模擬，通過對比路基左右兩側沉降，分析有管廊處與無管廊處路基變形特性。

1 工程概況及模型的建立

1.1 工程概況及數值模型

福州某管廊工程地處典型軟土地基，地質條件復雜多變， 地下水位較淺， 位于路基底面以下1 m左右。 淤泥質土、淤泥質土夾砂等軟弱土層揭示厚度變化較大，在工程上采用CFG 樁對該地基進行加固處理。 考慮到軟土較大的流變性，在路基底部以及管廊底部加0.5 m 厚的砂石墊層， 墊層之下為CFG 摩擦樁，樁徑為0.5 m，樁間距為2 m，樁長為15.8 m，管廊位于路基一側，模型為非對稱結構。 整個模型深19.4 m，寬102 m，厚度12 m，路基的填土高度為3.3 m，分5 層回填，上部寬度52 m，下部寬度為62 m。 圖1 為路基的幾何尺寸及邊界條件。

圖1 模型的幾何尺寸及邊界條件

模型的4 個側向外邊界采用側向約束，模型底部全部約束。 基坑開挖計算過程中考慮地下水位抽水，打開滲流模式，模型底面及側面均設置為不透水邊界，路基底面設置為透水邊界。 土體采用8 節點6 面體來模擬，模型共創建單元95 042 個，節點78 385 個。 圖2 為K0+460 截面FLAC3D 模型網格劃分圖。

圖2 K0+460 截面FLAC3D 網格劃分

1.2 管廊基坑施工工序

1.2.1 支護開挖階段

此階段分為3 階段（見圖3），依次為：（1）先將既有管線進行遷移，隨后將CFG 樁打入地基土層，之后進行現場整平作業。 （2）打入鋼板樁，鋼板樁位置距離基坑開挖區域為3 m。 （3）基坑開挖時，開挖深度6 m，寬度10 m，每次開挖深度1 m，分6 次開挖模擬。 設置基坑兩側及底部為不透水邊界，模擬鋼板樁的止水作用。 基坑開挖1 m 處設置鋼支撐，采用梁單元模擬一道水平鋼管內支撐，在基坑開挖時1 m 進行安裝。

圖3 基坑剖面

1.2.2 管廊主體施工階段

此階段分為3 個階段（見圖4），依次為：

圖4 管廊施工流程

（1）在CFG 樁頂設置級配碎石砂加筋褥墊層，褥墊層夾層鋪設一層雙向鋼塑復合土工格柵，之后在坑底鋪設復合砂墊層，后繼續鋪設40 cm C25 混凝土墊層。

（2）待到混凝土墊層達到要求的強度，拆除鋼支撐，隨后進行管廊底板、側板的施工。

（3）對管廊進行支模、綁扎鋼筋、混凝土澆筑。綜合管廊為單箱雙室結構， 采用明挖現澆法施工，管廊以變形縫為段，逐節順序施工，頂板、側墻、中隔墻采用搭設滿堂鋼管腳手架支撐現澆施工，結構分2 次（先澆筑倒角以上100 cm，再澆筑側墻、中隔墻和頂板）澆筑。

1.2.3 回填階段

此階段分為2 個階段，依次為：（1）基坑回填階段：基坑兩側對稱分層回填，選用砂質粉土回填，回填過程中每層壓實厚度不應超過30 cm， 回填壓實密度不應小于0.97，兩側相對差應小于50 cm。機械夯實小于250 mm，人工夯實應小于200 mm。 在進行回填夯實及作業時，應按照方向一致原則，每遍夯實縱橫交錯， 嚴格按照分層回填的施工要求，夯實后做壓實度檢驗。 （2）路基回填階段：路基回填高度總共為3.3 m，分6 次回填施工，每次填高55 cm。回填之前首先對位移進行清零，并在樁基頂部鋪設50 cm 砂石褥墊層， 實際施工中褥墊層夾有10 cm雙向復合鋼塑性土工格柵， 在數值模擬中以60 cm砂墊層并賦予其110 kN 抗拉強度， 用來模擬土工格柵。 為了研究管廊的變形特點，在基坑回填過程中對管廊的側向及豎向位移進行監測，監測點布置見圖5。

圖5 管廊以及監測點布置圖

1.3 計算參數

計算參數見表1～3， 其中土體采用摩爾-庫倫本構模型，其余結構采用彈性本構模型。

表1 K0+460 路基填土物理力學參數

表2 各層地基土黏塑性參數

根據實際施工過程，在基坑開挖過程中模擬實際降水情況， 在路基回填完成以后打開蠕變模式，使用Fish 語言對不同部位分配本構模型。鋼板樁采用襯砌單元，等效厚度16.7 cm。鋼支撐規格為609×12@6 m，采用梁單元，彈性模型量200 GPa，泊松比為0.26，厚度為12 mm，橫截面積225 cm2，慣性矩為100 308 cm4。 在基坑開挖過程中鋼板樁是主要的受彎構件，影響其力學響應的最重要截面屬性是抗彎截面模量，因此，在模型中確定襯砌單元的厚度采用“等效抗彎截面模量法”。 相關參數見表3。

表3 各材料的參數

2 模擬結果分析

2.1 施工回填階段沉降

由圖6 可知，基坑回填結束后，管廊底板壓應力區域增大， 在側板與底板的連接處出現應力集中的現象，主要受壓應力，最大值約為150 kPa，最大拉應力出現在頂板中部與管廊內墻壁相連接部分，最大拉應力值約為193 kPa。 填筑過程中管廊兩側受力對稱，管廊整體的沉降量幾乎為0，而在管廊兩側未進行CFG 樁處理部分地表產生約4 cm的沉降， 管廊上部土體出現約1.5 cm 的向上隆起，這將導致管廊附近路基底面兩側會產生2.5 cm 沉降差。

圖6 管廊最大主應力和整體位移云圖

由圖7 可知，管廊位移變化分析，豎直方向上隨著填土高度的增加， 管廊豎向位移不斷增長，路基填筑完成時， 管廊頂部左中右豎直位移有6 cm的沉降差；水平方向上，由于管廊位于路基右側，受到側向擠壓影響，其位移隨著填土高度發展，路基填筑完成時， 管廊整體發生4.2 cm 的水平位移差，傾斜率為0.84%。

圖7 管廊位移監測情況

由圖8 可知， 管廊處路基頂面的沉降量略大于無管廊處，沉降差約為0.5 mm，產生差異沉降的原因可能是有管廊處和無管廊處CFG 摩擦樁樁長不同，造成兩側承載能力有所差異，產生沉降差。 有管廊處路基底面產生的最大位移，最大位移量為28 mm， 無管廊處路基底面最大位移為26 mm，兩側產生2 mm 的沉降差與造成路基頂面沉降差的原因相同， 兩側的差異沉降率分別為0.33%、0.47%。

圖8 路基位移曲線

2.2 工后沉降

路基施工完畢后對路基施加公路-I 標準均布車輛荷載10.5 kPa 和路面結構等效均布荷載22.5 kPa，共33 kPa，同時開啟蠕變計算。

由圖9 可知，在竣工時，路基頂面的沉降量很小，有管廊處與無管廊處的沉降差僅為1 mm，隨著工后時間的延長，路基頂面的沉降不斷增加，運營20 年后，無管廊處路基頂面沉降呈“V”型，產生的最大位移為58 mm， 有管廊處路基頂面沉降呈“S”型，產生的最大位移為20 mm，無管廊處與有管廊處路基頂面差異沉降率分別為0.6%、0.37%， 與填筑結束時有管廊處路基底面的沉降量大于有管廊處路基底面相比，管廊開挖過程中造成基坑土體的上浮及管廊的存在減少了自重應力，使得有管廊處路基頂面的沉降量小于無管廊處。 但是對于路面的破壞來說，路基頂面有管廊相對于無管廊產生的破壞更大，造成的危害也更大，需要重點關注。

圖9 不同時期路面沉降曲線

管廊竣工及工后20 年總沉降量見表4。 由表4可知，管廊在竣工時頂面與底面產生水平位移差為4 cm，傾斜率為0.8%；運營20 年后，管廊水平位移差為6.7 cm，傾斜率為1.3%。

表4 管廊竣工以及工后20 年總沉降量

3 結論

通過數值模擬分析，對比有管廊和無管廊部位在施工期及工后的沉降值，得出以下結論：

（1）基坑回填結束，管廊左右兩側受力對稱，無傾斜，整體的沉降量幾乎為0。 路基回填結束，管廊發生傾斜，傾斜率為0.84%。 運營20 年后，與路基回填結束相比，傾斜率增大到1.3%，通過對比，管廊傾斜率增加緩慢， 該地基對管廊的變形影響不大。

（2）路基填筑結束，管廊處路基頂面的沉降量略大于無管廊處，沉降差約為0.5 mm，產生差異沉降的原因可能是有管廊處和無管廊處CFG 摩擦樁樁長不同， 造成兩側承載能力有所差異，CFG 摩擦樁越長，路基頂面的沉降量越小，反之，路基頂面沉降量越大，從而產生沉降差。

（3）路基回填結束，無管廊處路基底面與有管廊處路基底面的差異沉降率分別為0.33%、0.47%。運營20 年后，無管廊處路基頂面沉降呈“V”型，有管廊處路基頂面沉降呈“S”型，無管廊處路基頂面與有管廊處路基頂面差異沉降率分別為0.6%、0.37%，與路基回填結束時相比，管廊開挖過程中造成基坑土體的上浮及管廊的存在減少了自重應力，使得有管廊處路基頂面的差異沉降率逐漸小于無管廊處路基頂面。 但是對于路基頂面的破壞來說，路基頂面有管廊相對于無管廊產生的破壞更大，造成的危害也更大，因此，需要對有管廊處路基頂面和無管廊處路基底面進行處理， 以減少沉降量，保證路基的安全性。