地下工程综合管沟沉降的数值分析

郭　健，夏　鹏，2，殷　俊

(1.武汉轻工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430023；2.深圳市市政工程总公司，广东 深圳 518034)



地下工程综合管沟沉降的数值分析

郭健1，夏鹏1，2，殷俊1

(1.武汉轻工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430023；2.深圳市市政工程总公司，广东 深圳 518034)

摘要：综合管沟是一种新型的地下结构，为了更好地了解综合管沟的沉降规律，以深圳市某市政工程综合管沟的大量监测数据为基础，应用仿真软件ABAQUS对综合管沟的沉降进行数值模拟分析，通过模拟沉降值和实测沉降值对比分析，验证了模拟分析的可行性。工程实践证明，采用的沉降模拟模型分析精度较高，能满足预测综合管沟沉降的需要，可为综合管沟的沉降分析提供一些科学依据。

关键词：综合管沟；现场监测；数值模拟；沉降预测

1引言

随着城市人口的不断密集，城市建筑业也随之不断发展，然而城市里地下管线的施工及维修经常使城市的道路处于施工状态。这严重阻碍了城市交通及影响市容，给城市的发展带来了相当大的负面影响。在这样的环境之下，综合管沟在一些一线城市逐渐诞生[1]，如何控制综合管沟的沉降成为亟待研究的问题之一。Kawashima等对包括综合管沟在内的地下结构的沉降问题进行了系统而深入的研究，Shamsabadi等对综合管沟等地下结构的不均匀沉降做了系列研究[2]。

笔者结合之前的研究成果，依托深圳市某市政工程综合管沟实体项目，分析该工程项目的土质情况，依据地勘报告的土质情况对土体进行合理的分层，同时收集现场综合管沟沉降实测数据，并对沉降数据进行分析，剔除一些无用的数据。运用ABAQUS数值仿真软件对综合管沟沉降进行数值模拟，建立综合管沟沉降模型，验证模型的可行性，为综合管沟的沉降控制提供一些分析思路。

2工程实例

2.1工程概况

笔者本次研究的综合管沟工程实体项目位于深圳市南山区，综合管沟大致呈东西走向，设计总长度1.712 km，管沟的底板、顶板和壁厚均为400 mm，其中试验段长0.3 km，延长段长约为1.4 km，设计宽度均为8 m，设计高度4 m。综合管沟位于机动车道以下，开挖深度在6—8 m，采用明挖法施工，基坑支护方式为放坡结合钢板桩支护，综合管沟施工完毕之后，分层回填，上一层验收完毕之后再施工下一土层。根据现场土层实际情况和地址勘察报告，试验段内分布的地层从上而下为：人工填土层(Qml)、第四系全新统海陆交互相沉积层(Q4mc)、第四系上更新统冲洪积层(Q3al+pl)、第四系残积层(Qel)及加里东期混合花岗岩(Mr3)。根据国家标准《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)(2009年版)3.1条规定，本工程岩土工程勘察等级为甲级。整个工程沿线范围内未揭露活动性断裂构造，未发现滑坡、崩塌等不良地质问题，沿线场地稳定性较好。

2.2水文地质条件

根据地址勘察情况，本工程地下水主要源于大气降水和海水的补给，地下水基本是在中砂层中，整体是由高处往低处流动；地下水量的变化范围是0.5—2 m，水量较小，本工程的管沟施工安排在枯水季节，施工区域水位深，位于管沟底部之下，因此本次研究过程中可不考虑地下水对管沟沉降的影响。

2.3综合管沟沉降监测

根据管沟设计要求，沉降稳定的标准是10 d的平均连率小于规定值1.0 mm。根据监测方案，监测频率为综合管沟回填期间1天监测一次，回填结束后可3天监测一次，一旦发现特殊情况监测数据发生较大的变化时应该适当加密监测次数，同时在施工期间项目部会安排专人在周边进行巡查及目测等以便对综合管沟的变形进行进行一个全面的认识和掌握。监测点布设原则是根据根据管沟变形缝间距15 m进行布设，则每段管沟分析点纵断面间距设定为15 m且每一个横断面布置三个监测点，分别位于综合管沟边墙顶板处和中墙顶板处，因此在试验段部分一共设置了24个沉降监测点，编号为A1—A24，位置如图1所示，观测点示意图如图2所示。根据监测数据，选取监测点A7、A14和A21沉降特性进行分析，其实测沉降曲线如图3所示。

图1　综合管沟沉降监测点布设平面图

图2　沉降观测点示意图

图3　测点A7、A14和A21沉降实测曲线

3有限元数值模拟与分析

3.1有限元模型的建立

文中以深圳市南山区某市政工程实体项目为研究对象。综合管沟采取的放坡开挖加钢板桩的支护方式，坡度1:1.5，施工完综合管沟后用优质土进行分层回填至设计高程。为简化分析，在建立有限元模型时，做如下的假设和简化，如表1所示。

表1模型假设与简化条件

序号模型假设与简化条件1土介质和综合管沟结构体结合在一起形成一个连续或不连续的整体,但两者在接触面处存在相互作用。2计算范围内的土体根据地质情况简化为n层。3将土介质和混凝土都视为不同特性的固体材料。4有限元计算采用非线性静力分析,不考虑时间效应和动力效应。

为把问题简化，将综合管沟沉降的三维问题转化为平面应变问题。根据工程实际和经验，建立综合管沟沉降模型，网格划分为8053个单元。模型宽72 m，高29 m，模型最高高程即地面设计标高，为7.218 m，底部边界位于高程-21.782 m处。

本文模型的计算分析方法为如下。

(1)建模：建立72m×29m模型，输入材料参数(如表1所示)，定义集合，装配单元，划分网格，单元类型为四边形，建立地应力平衡、挖土和回填土两个分析步。

(2)计算：地应力平衡计算和回填土分析步的计算。地应力平衡计算采用地应力场计算分析步(Geostatic)，挖土和回填土分析步均为土体固结分析(Soils)。

(3)计算结果分析：分析综合管沟应变。

具体参数如3.2节所述。

采用平均相对误差率ARER和均方根误差RMSE分别对模拟的性能和模拟的精度(均方根误差越小，模型精度越好)进行分析评估，即：

(1)

(2)

公式(1)，(2)中，S(t)是沉降模拟值，

f(t)是沉降实测值，n是模型样本数。

3.2数值本构模型及材料参数的选取

基于有限元数值分析方法，数值计算中假定综合管沟为线性弹性材料，土体本构关系为Mohr-Coulomb,运用ABAQUS软件进行三维建模。

此模型所涉及的土体参数有6个，即弹性模量E、黏聚力c、内摩擦角φ、泊松比γ、重度G和剪胀角ψ。施工范围内土层力参数如表2所示。由地质勘察报告可知，剪胀角很小，其取值为零；回填土的参数由试验后取得，重度G=18.8 kN/m3，弹性模量E=16.8 MPa，黏聚力C=12 kPa，摩擦角φ=10°，泊松比γ=0.4。

依据《深圳市市政设计技术要求与规定》，选取综合管沟重度G=28 kN/m3，弹性模型E=35 GPa，泊松比γ=0.2。

表2土层物理力学参数

土层厚度/m重度G/(kN/m3)弹性模量E/MPa粘聚力C/kPa摩擦角φ/°泊松比γ杂填土9.1118.6128100.41粘土5.0518.29.11190.42粉质粘土4.8920.59.31670.40砂质粘土4.8520.813.19.760.42粉质互层5.1019.410.48.970.41

3.3数值模型边界条件和荷载的选取

在数值模拟当中，边界条件的选择和处理很大程度上影响着模拟结果。因此笔者在选取边界条件的时候考虑到实际的情况，影响综合管沟的沉降因素众多，地下工程的沉降分析一般选取结构长度的8—10倍，即笔者研究模型选取结构长度72 m，结构以下土体的影响深度为结构高度的5倍，即20 m。对于综合管沟沉降模型，在模型的两侧设置U1(水平方向)方向的位移约束，底部设置U1(水平方向)、U2(竖直方向)两个方向的位移约束。

对于综合管沟上面的荷载，根据设计图纸，综合管沟主体结构位于机动车道下面，因此会受到车辆的动荷载的影响，根据《深圳市市政设计技术要求与规定》，本项目的市政道路属于城市主干道，设计荷载可等效为36 kpa的均布荷载，荷载示意图如图4所示。

图4　综合管沟荷载示意图

3.4综合管沟沉降分析

选取监测点A14进行分析，运用ABAQUS仿真软件对其进行模拟，其平面位置如图1所示，在地应力平衡之后，再对土体和综合管沟沉降稳定后的状态进行模拟分析，模拟沉降云图如图5所示，根据沉降云图，获得A14的沉降值为-29.43 mm，由图3知A14沉降稳定后的实测值为-28.42 mm。运用同样的方法对监测点A7和A21沉降稳定后的状态进行模拟分析，并与实测值进行对比，A7和A21模拟沉降值为-29.42 mm和-26.63 mm，由图3知A7和A21沉降稳定后的实测值为-30.46 mm和-25.83 mm，因此A7、A14和A21实测沉降值和模拟沉降值统计如表3所示，并运用公式(1)和(2)计算其平均相对误差率(ARER)和均方根误差(RMSE)，如表3所示。

表3监测点实测沉降值和模拟沉降值

监测点号A7A14A21实测沉降值-30.46-28.42-25.83模拟沉降值-29.42-29.43-26.63ARER/%343838RMSE/mm9.657.548.99

图5　综合管沟沉降云图

从图5监测点A14可以看出综合管沟基本上是整体沉降，沉降值约为29.43 mm，已经超过了规范允许的最大值20 mm，如果不采用一定的措施，会引起一系列风险；从表3看出，所有监测点的沉降均超过20 mm，超过了规范允许的最大值。其原因可能是综合管沟底板处位于第四系全新统海陆交互相沉积层，土质情况较差，导致沉降较大。

3.5误差分析

对比A7、A14和A21随时间变化的模拟值和实测值，实测值如图3所示，实测值与对应的模拟值的差值为对应时间的误差值，这样可以得到模拟值和实测值的误差对比曲线图，如图6所示。运用公式(1)和(2)计算模拟预测结果，如表3所示。从表3，图4和图6中，分析A7、A14和A21这3个监测点计算得出(如表4所示)：模拟分析的精度为8.73 mm，平均误差率为36.7%，最大误差为9.40 mm(表4)。对比分析结果表明，模拟值与实测值相差不大，能适应模拟的需要。

图6　测点A7，A14和A21模拟误差曲线比较

表4实测值与模拟值对比分析

RMSE/mm8.73ARER/%36.7最大误差/mm9.40

4结论

根据深圳市南山区某综合管沟的相关施工资料，详细地分析了综合管沟沉降特点。通过数值仿真软件对比分析了实际沉降值和模拟沉降值，由此可得以下结论。

(1)笔者以工程实体项目为背景，建立综合管沟沉降模型，对比分析沉降实测值和模拟沉降值，验证了模型的可行性。

(2)工程实践证明：本次模型的模拟分析精度较高，能适应有类似地质条件下综合管沟沉降预测的需要，为综合管沟沉降预测开拓了一些新的思路。

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Numerical analysis of pipe settlement in underground construction

GUOJian1，XIAPeng1，2，YINJun1

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China；

2.Shenzhen Municiplal Engineering Corp.,Shenzhen 518034,China)

Abstract：Utility pipe is a new type of underground structure.In order to better understand the settlement rule of pipe,this paper, based on a large amount of monitoring data integrated trench of a municipal engineering of Shenzhen city,uses simulation software ABAQUS to simulate the pipe settlement, and compares analysis of simulated sedimentation and measured subsidence values,which verifies the feasibility of the simulation. The engineering application shows that: the simulation accuracy of this settlement can satisfy the synthesis trench settlement prediction, and provide a theoretical basis for the analysis of settlement prediction of pipe.

Key words：utility pipe；site monitoring；numerical simulation；settlement prediction。

DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2015.04.019

文章编号：2095-7386(2015)04-0077-00

作者简介：罗岸(1991-)，女，硕士研究生，E-mail:190043971@qq.com.

收稿日期：2015-06-16.修回日期：2015-09-18.

中图分类号：TU 47

文献标识码：A