道路下管线沟槽回填加固技术模拟研究

朱晓良

摘 要：本文以苏州地铁8号线东延路站Ⅷ-KCWT03标段的管线沟槽加固施工为例，利用FLAC 3D软件，对沟槽回填加固支护过程进行模拟计算，并对沟槽开挖期间使用回填加固材料后的沉降位移进行模拟计算，然后与沟槽开挖期间未使用回填加固材料的情况进行对比，科学地论证了使用回填加固材料对管线沟槽回填的必要性。本次模拟计算使用的加固方案为“强弱”结构方案。经分析，随着沟槽的埋深增加，计算的数据结果与不采用加固方案的情况有着明显的差异，这些变化引起的差异处于预期的计算结果之内。将本次模拟的计算结果与实际工程数据相结合，分析对比可得，使用FLAC 3D对该工程实例的数值模拟是切合实际的，对沟槽开挖、基坑开挖等工程施工有一定的指导意义。施工之前，人们要利用数值模拟技术，对实际工程进行数值模拟;结合现场监测数据，分析沟槽回填加固后的变形和支护效果;运用相关理论知识，在保护周边建筑物的条件下得出沟槽回填的最佳方案，以确保实际工程的顺利进行。

关键词：数值模拟;管线沟槽;加固施工;FLAC 3D;工程实例;变形分析

中图分类号：U416.217文献标识码：A文章编号：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

隨着社会的不断进步，地铁的修建力度不断加大，对此地下管线的埋设就变得至关重要，地下管线种类繁多，结构复杂，因此管线沟槽的合理加固是保证管线正常运行的关键。在加固管线沟槽时，要铺设一定强度的混凝土，保证一定的地面强度，以免对地面造成破坏;在浇筑混凝土时，要设置弱结构面和松软结构层，以削弱路面的动力荷载和高温或冷冻天气带来的热胀冷缩自然现象。张安睿等[1]依托双柏隧道工程展开浅埋暗挖隧道杂填土地层钢管桩的加固机理研究，利用有限元软件实现对钢管桩加固的数值模拟，验证加固施工的可行性;高涛[2]通过FLAC 3D软件数值计算和现场监测相结合的方法研究了富水圆砾地层地铁盾构隧道施工对既有临近管线变形的影响规律;蒋进等[3]分析基坑开挖引起的地表沉降变形、基坑侧壁水平位移及坑底隆起变形，研究ABAQUS软件内置土体本构模型及二维简化分析模型对基坑开挖数值模拟结果的影响;张晋梅等[4]基于北斗全球导航卫星定位系统（GNSS）监测参数反演，在考虑非饱和效应的基础上，以湖南常德某基坑开挖项目为背景，对施工全过程进行仿真模拟，以探究考虑降水影响条件的基坑开挖规律。

在此基础上，国内不少学者对软弱浅埋地层展开了一定的研究[5-8]。但是，很少有人研究地下管线上覆不同的加固层。本文基于苏州地铁8号线东延路站的路基地下管线沟槽开挖回填过程展开数值计算研究，利用有限元软件FLAC 3D实现对开挖过程的数值模拟，计算出不同埋深路段的施工技术方案。

1 工程背景

1.1 工程概况

东延路站是苏州市轨道交通8号线第24个车站，该站北侧接车斜路站，南侧接仁爱路站。本站设置于东延路与松涛街路口处，沿松涛街南北走向、跨路口敷设，为地下两层岛式站。车站长度为477 m，标准段宽度为20.7 m，站台宽度为12 m，采用两层双跨框架结构。有效站台中心里程处，底板埋深约为17.1 m。车站采用明挖顺作法（局部盖挖顺作法）施工，车站顶板覆土约3.5 m，车站小里程端盾构始发，大里程端盾构接收。其中，车站附近路面多行人和小车通行，路面浇筑混凝土和沥青，减少作业粉尘，保障交通安全。东延路站场地现状图如图1所示。

1.2 支护设计方案

雨水管道施工采用DN300HDPE管（公称内径300 mm）。HDPE管要求采用双璧异色、双壁扩口的双壁波纹管，使用橡胶圈接口，管材环刚度须超过8 kN/m2。除检测环刚度外，还需要检测环柔性和抗冲击性，其均需要达到HDPE管材的相关国家标准要求。依据现场施工的实际情况，管线上必须铺设6 cm的中粒式沥青混凝土AC-16，其通过粘层油与30 cm的C30混凝土进行胶结，在混凝土底部增加一层钢筋网，由于路段临近地铁和行车拥堵段，在钢筋网下增加碎石垫层来增设弱结构面，实现管线加固、减震和消波吸能。同时，一定的埋深位置增加中粗砂，将管线铺设在中粗砂中，增强管道的稳定性，保护管线，削弱动力荷载的影响。雨水管和C30混凝土的主要参数如表1所示。

2 数值计算

2.1 计算模型

依据现场的实际情况，按比例1∶1进行建模，主要采用Rhinocero三维建模软件对现场勘测条件进行建模，通过Griddle将模型转换成FLAC 3D支持的网格文件，导入FLAC 3D进行计算。为满足圣维南计算原理，模型的计算大小必须是研究区域的3～5倍，故设计模型大小为300 cm×300 cm×100 cm，雨水管半径15 cm、壁厚3～5 mm。由上至下，路面铺设6 cm的中粒式沥青混凝土AC-16、30 cm的C30混凝土保护层，在混凝土底部增加钢丝网层;接着，用碎石作为弱结构面，厚度为34 cm，提高路面重物所带来的荷载抵抗强度和动载声波的削弱能力，提高对雨水管道的保护作用;管道周围采用中粗砂作为软弱介质，铺设区域沿管道四周展开，大小是管道直径的3倍，宽度为90 cm，厚度为60 cm。由上往下，各地层的结构特征为：中粒式沥青混凝土、C30混凝土、碎石、中粗砂和粉质黏土调配成的灰土。具体情况如图2所示。

2.2 参数设置

FLAC 3D是由美国ITASCA公司研发的数值模拟软件，软件采用有限差分法，可以较为直观地实现岩土体开挖后的位移、塑性区等变化，在许多工程实践中已经作为指导施工的有效软件。

在本次建构模型的试验中，土体采用弹塑性体进行模拟，采用摩尔-库伦模型;金属雨水管道采用各向同性弹性模型，采用弹性材料模型对地下管线等进行模拟，模型参数如表2所示。边界条件采用位移边界约束，因为实际埋设的为浅埋管道，设置重力加速度为9.81 m/s2，其中，初始应力条件设置水平应力与处置应力的比值为0.5。

2.3 计算结果分析

依据现场施工，通过开挖沟槽，将管线埋设后回填加固材料。本次模拟设计思路流程为施工方案对比：直接采用null开挖管道，对周围岩层参数一致与回填加固的管道受力进行对比，实现管道开挖后加固和未加固的方案比较分析。

从管道受到的垂直应力可以看出，顶部混凝土浇筑时，管道受到的垂直应力并未增加，反而略微减小。经分析，碎石和中粗砂为软弱介质层，直接接触的削弱混凝土对管道的重力负荷使管道处于软弱介质层中。如图3所示，在自然重力环境下，管道两帮受到的垂直应力由3.50E7 N下降至2.18E7 N，可以得出管道受到的垂直应力明显减小，这说明对管道设置“强弱”结构保护的作用是比较明显的，这对现场类似情况的处理提供了一定参考。

如图4所示，通过管线的加固保护模拟计算，在距离地表10、20 cm和50 cm的监测地点，由于混凝土的加固，距离地表10 cm和20 cm的沉降位移与未加固前相比明显减小，由20～40 mm减小到0.1～0.5 mm，加固效果比较明显，沉降得到明显控制。同时，由于碎石块本身具有一定的质量，碎石块下方埋设的中粗砂结构致使距离地表50 cm处出现一定的沉降位移。由于管道的埋深不是很大，其属于浅埋管道，管道上部地层的位移监测受到多方面的因素影响，监测效果不是很理想，故通过数值计算软件优化施工方案。

3 结论

本文基于FLAC 3D软件模拟管线沟槽的回填加固支护过程，对比分析沟槽开挖后使用回填加固材料前后的沉降位移。在回填“强弱”加固条件下，管线沟槽上部地层的沉降位移降低明显，但仍存在一定的变量，人们需要采用不同的回填加固方案，通过数值模拟技术优化现场施工方案。当管线位于路面结构内，距路面顶100 cm以上时，开挖沟槽时回填加固需要添加中粗砂，铺设路面管道时需要浇筑沥青和混凝土来提升对管线的保护强度，同时仍需要在管道上部和四周设置一定的弱结构面，使得管道的“强弱”环境削弱一定的静载和动载，提高管线的安全使用率。

参考文献：

[1]张安睿，张建国，马超.浅埋暗挖隧道杂填土地层钢管桩加固机理研究[J].现代隧道技术，2020（1）：165-173.

[2]高涛.富水圆砾地层地铁盾构隧道施工对既有管线变形影响规律分析[J].城市轨道交通研究，2019（7）：116-119.

[3]蒋进，周正华，董青，等.土体本构模型及简化模型对基坑开挖变形数值分析结果的影响[J].震灾防御技术，2020（2）：285-292.

[4]张晋梅，张震，仇荔斐.基于修正Mohr-Coulomb模型考虑非饱和效应的基坑开挖[J].科学技术与工程，2020（24）：10003-10010.

[5]李超，吳春勇，施斌林.深厚软土地层公路隧道基坑施工优化研究[J].公路，2019（5）：282-288.

[6]杭宝国，胡晓士.深基坑开挖时既有管网的支护方法与管线保护[J].人民长江，2018（3）：81-86.

[7]漆泰岳，高波，谭代明.软土地层地铁隧道施工对地下管线的影响[J].西南交通大学学报，2010（1）：45-53.

[8]王志达，龚晓南.浅埋暗挖人行地道开挖进尺的计算方法[J].岩土力学，2010（8）：2637-2642.