綜合管廊與道路共建不均勻沉降特性與控制的數值模擬分析

歐振鋒 何 娜

(1.廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東 廣州 510060；2.廣東開放大學（廣東理工職業學院），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置于同一管廊內，實現地下管線的集約化管理。隨著城市化進程不斷深入推進，為提高城市國土空間利用效率，通常會將綜合管廊與道路進行共建。在我國沿海城市，由于軟土分布廣泛，對于共同建設在深厚軟土區的管廊與道路，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柔過渡段極易出現裂縫、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較大影響。

關于軟土地區管廊與道路沉降，國內外學者通過現場實測監測、理論分析和數值計算等方法，對其形成原因、機理和分布特征[1-3]，及其對管廊與路面結構受力影響[4-7]等開展了較多研究，提出沉降預測方法和減沉加固措施[8-11]。例如，周秋月與余湘娟等針對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方式進行的管廊基坑監測表明，地面沉降量隨著基坑開挖而增大，而沉降速率逐漸減小，第二道支撐軸力受開挖速度及支撐架設時間等因素影響。張旭文基于管廊-不均勻土體無限長梁模型與有限長梁模型，給出了單個集中荷載作用下拼裝式管廊縱向內力和變形分布形式；并針對幾種典型沉降類型（馬鞍型、凹陷型、漸緩型和突變型），考慮管-土相互作用，利用ABAQUS對單艙管廊結構受力特征進行三維數值分析，分析表明管廊側板與腋角相接處應力較集中，此處易受破壞。

盡管文獻中有關深厚軟土地區管廊與道路沉降的研究較多，但對兩者相互作用下的變形規律認識仍有待深化。本文結合廣州南沙軟土地區某裝配式綜合管廊項目，通過建立管廊-道路三維數值模型，進行綜合管廊與道路共建時不均勻沉降特性與控制的數值模擬分析，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目的管廊斷面均為3.8m×3.7m單艙矩形形式，管節厚度35cm；采用整體預制節段拼裝技術，節段長度為2m，相鄰管節選用承插式接口形式拼接。項目所在區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、粉質黏土、粉細砂和砂質黏土，其中分布著深厚軟土層，管廊與道路共建易產生不均勻沉降。為控制管廊與道路共建時路面不均勻沉降，該項目對綜合管廊基礎及兩側路基進行加固處理（如圖1所示）。其中，綜合管廊基坑采用鋼板樁或SMW工法樁加內支撐的圍護形式，基坑被動區加固采用水泥攪拌樁三軸Φ850@600×600進行處理；在管廊基坑開挖至坑頂施工面后進行基坑兩側水泥攪拌樁復合地基二次處理，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外5m范圍；同時在水泥攪拌樁與管廊間設置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 模型建立及參數選取

2.1 模型建立與網格劃分

進行管廊與道路共建過程不均勻沉降分析時，以區域典型土層分布為土層劃分依據。為降低邊界對計算結果的影響，計算模型底面取至管廊基坑支護樁底面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，側面法向約束。計算網格模型如圖2所示，除了管廊基坑鋼支撐為梁單元外，土層及其他結構均為實體單元。圖3 所示為管廊和道路主要結構布置。

圖2 三維網格模型

圖3 管廊和道路主要結構（立面圖）

2.2 本構模型與材料參數選擇

巖土本構模型需較好地描述土體的真實力學-變形特性，在涉及基坑開挖和路基填筑施工過程模擬中，選用修正莫爾庫倫模型比較合適。本文分析中的有限元模型對主要土層和坑底加固土采用了修正莫爾-庫倫模型，中風化巖、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行模擬。相關參數見表1、表2所示。

表1 巖土材料主要模型參數

表2 其他材料參數

3 數值計算工況與計算結果分析

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，管廊基坑開挖階段，基坑外側計算水位按常水位（5.5m）計算，基坑內側水位取坑底以下1m。依據《公路工程技術標準》(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，非機動車道人群荷載取3.0×1.15=3.45kN/m2。

3.2 計算工況

該項目分析共設置5個工況：初始地應力分析、管廊基坑開挖、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 路面不均勻沉降計算結果分析

圖4～圖5給出了路面沉降的分布。路面沉降橫向關于道路中線呈W型分布，靠近管廊側沉降相對小些，這主要是因為管廊掏空部分土層，使得管廊處土層載荷相對較小。路面最大沉降為5.6mm，位于遠離管廊側左行車道后排車輛中軸外側；靠近管廊側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

該項目在管廊兩側各設置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土層中，降低路面差異沉降。為分析搭板對路面沉降控制的積極作用，對無搭板情況下路面沉降展開了分析。圖6給出了有搭板和無搭板情況下路面沉降對比。從圖6可知，搭板的設置可降低路面總體沉降10%，差異沉降減少了20%。這說明搭板對降低路面總體沉降和差異沉降具有積極作用。

圖6 有搭板和無搭板情況下路面沉降對比

4 結束語

本文以某裝配式綜合管廊工程為例，通過建立管廊-道路-土體三維有限元數值計算模型，分析了管廊與道路共建時不均勻沉降的特征，并分析了設置搭板對不均勻沉降的控制效果，結論如下：

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

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