软基段管廊路基施工期及工后变形特性分析

■张树妹

（福州市城乡建总集团有限公司，福州 350007）

随着城市化进程的加快，公路兼具市政功能的道路工程日益增多，公路行业出现了大量的管廊工程，管廊的使用对于公路的维修及保养非常便利，但是目前存在的路基既有管廊的病害[1-4]，有渗漏水[5]、非均匀沉降、混凝土主体裂缝等主体病害和路面的凹陷、沉降、纵向开裂，波浪式起伏等次生病害，造成这些病害的重要原因与软土的特性息息相关。 目前学者对软基段路基的施工期及工后沉降做了大量的研究[6-7]，取得丰硕的成果，例如徐全亮等[8]对滨海软土地区公路拓宽新旧路基差异沉降及附加应力变化进行了研究;朱俊樸等[9]针对软土路基极易引发沉降和路面不均匀沉降，利用Midas/GTS 软件，建立有限元模型对软土一级公路路基沉降规律进行模拟分析；一些学者针对软基段路基的施工期及工后沉降提出了不同模型用于变形预测[10-12]，以减小沉降过大对施工期及工后的影响。 实际上，由于管廊的存在，其对路基沉降的影响与无管廊相比存在差异，学者对这一方面做了研究，例如王锋等[13]以道路工程为实例，通过数值模拟对地表不同沉降截面进行了研究；黄剑等[14]以华东沿海地区的软土地基条件下综合管廊工程为背景，研究综合管廊及其周边沉降是否符合规范要求;周秋月等[15]对南京市某综合管廊采用钢板桩、钢支撑解决开挖基坑失稳问题，研究管廊周围不均匀沉降问题。 虽然以上学者对管廊路基做了大量研究，但是有无管廊对施工期及工后路基沉降量及沉降特点的影响需要进一步研究，以便为路基既有管廊施工提供参考。

本研究是以福州某管廊工程为例，进行数值模拟，通过对比路基左右两侧沉降，分析有管廊处与无管廊处路基变形特性。

1 工程概况及模型的建立

1.1 工程概况及数值模型

福州某管廊工程地处典型软土地基，地质条件复杂多变， 地下水位较浅， 位于路基底面以下1 m左右。 淤泥质土、淤泥质土夹砂等软弱土层揭示厚度变化较大，在工程上采用CFG 桩对该地基进行加固处理。 考虑到软土较大的流变性，在路基底部以及管廊底部加0.5 m 厚的砂石垫层， 垫层之下为CFG 摩擦桩，桩径为0.5 m，桩间距为2 m，桩长为15.8 m，管廊位于路基一侧，模型为非对称结构。 整个模型深19.4 m，宽102 m，厚度12 m，路基的填土高度为3.3 m，分5 层回填，上部宽度52 m，下部宽度为62 m。 图1 为路基的几何尺寸及边界条件。

图1 模型的几何尺寸及边界条件

模型的4 个侧向外边界采用侧向约束，模型底部全部约束。 基坑开挖计算过程中考虑地下水位抽水，打开渗流模式，模型底面及侧面均设置为不透水边界，路基底面设置为透水边界。 土体采用8 节点6 面体来模拟，模型共创建单元95 042 个，节点78 385 个。 图2 为K0+460 截面FLAC3D 模型网格划分图。

图2 K0+460 截面FLAC3D 网格划分

1.2 管廊基坑施工工序

1.2.1 支护开挖阶段

此阶段分为3 阶段（见图3），依次为：（1）先将既有管线进行迁移，随后将CFG 桩打入地基土层，之后进行现场整平作业。 （2）打入钢板桩，钢板桩位置距离基坑开挖区域为3 m。 （3）基坑开挖时，开挖深度6 m，宽度10 m，每次开挖深度1 m，分6 次开挖模拟。 设置基坑两侧及底部为不透水边界，模拟钢板桩的止水作用。 基坑开挖1 m 处设置钢支撑，采用梁单元模拟一道水平钢管内支撑，在基坑开挖时1 m 进行安装。

图3 基坑剖面

1.2.2 管廊主体施工阶段

此阶段分为3 个阶段（见图4），依次为：

图4 管廊施工流程

（1）在CFG 桩顶设置级配碎石砂加筋褥垫层，褥垫层夹层铺设一层双向钢塑复合土工格栅，之后在坑底铺设复合砂垫层，后继续铺设40 cm C25 混凝土垫层。

（2）待到混凝土垫层达到要求的强度，拆除钢支撑，随后进行管廊底板、侧板的施工。

（3）对管廊进行支模、绑扎钢筋、混凝土浇筑。综合管廊为单箱双室结构， 采用明挖现浇法施工，管廊以变形缝为段，逐节顺序施工，顶板、侧墙、中隔墙采用搭设满堂钢管脚手架支撑现浇施工，结构分2 次（先浇筑倒角以上100 cm，再浇筑侧墙、中隔墙和顶板）浇筑。

1.2.3 回填阶段

此阶段分为2 个阶段，依次为：（1）基坑回填阶段：基坑两侧对称分层回填，选用砂质粉土回填，回填过程中每层压实厚度不应超过30 cm， 回填压实密度不应小于0.97，两侧相对差应小于50 cm。机械夯实小于250 mm，人工夯实应小于200 mm。 在进行回填夯实及作业时，应按照方向一致原则，每遍夯实纵横交错， 严格按照分层回填的施工要求，夯实后做压实度检验。 （2）路基回填阶段：路基回填高度总共为3.3 m，分6 次回填施工，每次填高55 cm。回填之前首先对位移进行清零，并在桩基顶部铺设50 cm 砂石褥垫层， 实际施工中褥垫层夹有10 cm双向复合钢塑性土工格栅， 在数值模拟中以60 cm砂垫层并赋予其110 kN 抗拉强度， 用来模拟土工格栅。 为了研究管廊的变形特点，在基坑回填过程中对管廊的侧向及竖向位移进行监测，监测点布置见图5。

图5 管廊以及监测点布置图

1.3 计算参数

计算参数见表1～3， 其中土体采用摩尔-库伦本构模型，其余结构采用弹性本构模型。

表1 K0+460 路基填土物理力学参数

表2 各层地基土黏塑性参数

根据实际施工过程，在基坑开挖过程中模拟实际降水情况， 在路基回填完成以后打开蠕变模式，使用Fish 语言对不同部位分配本构模型。钢板桩采用衬砌单元，等效厚度16.7 cm。钢支撑规格为609×12@6 m，采用梁单元，弹性模型量200 GPa，泊松比为0.26，厚度为12 mm，横截面积225 cm2，惯性矩为100 308 cm4。 在基坑开挖过程中钢板桩是主要的受弯构件，影响其力学响应的最重要截面属性是抗弯截面模量，因此，在模型中确定衬砌单元的厚度采用“等效抗弯截面模量法”。 相关参数见表3。

表3 各材料的参数

2 模拟结果分析

2.1 施工回填阶段沉降

由图6 可知，基坑回填结束后，管廊底板压应力区域增大， 在侧板与底板的连接处出现应力集中的现象，主要受压应力，最大值约为150 kPa，最大拉应力出现在顶板中部与管廊内墙壁相连接部分，最大拉应力值约为193 kPa。 填筑过程中管廊两侧受力对称，管廊整体的沉降量几乎为0，而在管廊两侧未进行CFG 桩处理部分地表产生约4 cm的沉降， 管廊上部土体出现约1.5 cm 的向上隆起，这将导致管廊附近路基底面两侧会产生2.5 cm 沉降差。

图6 管廊最大主应力和整体位移云图

由图7 可知，管廊位移变化分析，竖直方向上随着填土高度的增加， 管廊竖向位移不断增长，路基填筑完成时， 管廊顶部左中右竖直位移有6 cm的沉降差；水平方向上，由于管廊位于路基右侧，受到侧向挤压影响，其位移随着填土高度发展，路基填筑完成时， 管廊整体发生4.2 cm 的水平位移差，倾斜率为0.84%。

图7 管廊位移监测情况

由图8 可知， 管廊处路基顶面的沉降量略大于无管廊处，沉降差约为0.5 mm，产生差异沉降的原因可能是有管廊处和无管廊处CFG 摩擦桩桩长不同，造成两侧承载能力有所差异，产生沉降差。 有管廊处路基底面产生的最大位移，最大位移量为28 mm， 无管廊处路基底面最大位移为26 mm，两侧产生2 mm 的沉降差与造成路基顶面沉降差的原因相同， 两侧的差异沉降率分别为0.33%、0.47%。

图8 路基位移曲线

2.2 工后沉降

路基施工完毕后对路基施加公路-I 标准均布车辆荷载10.5 kPa 和路面结构等效均布荷载22.5 kPa，共33 kPa，同时开启蠕变计算。

由图9 可知，在竣工时，路基顶面的沉降量很小，有管廊处与无管廊处的沉降差仅为1 mm，随着工后时间的延长，路基顶面的沉降不断增加，运营20 年后，无管廊处路基顶面沉降呈“V”型，产生的最大位移为58 mm， 有管廊处路基顶面沉降呈“S”型，产生的最大位移为20 mm，无管廊处与有管廊处路基顶面差异沉降率分别为0.6%、0.37%， 与填筑结束时有管廊处路基底面的沉降量大于有管廊处路基底面相比，管廊开挖过程中造成基坑土体的上浮及管廊的存在减少了自重应力，使得有管廊处路基顶面的沉降量小于无管廊处。 但是对于路面的破坏来说，路基顶面有管廊相对于无管廊产生的破坏更大，造成的危害也更大，需要重点关注。

图9 不同时期路面沉降曲线

管廊竣工及工后20 年总沉降量见表4。 由表4可知，管廊在竣工时顶面与底面产生水平位移差为4 cm，倾斜率为0.8%；运营20 年后，管廊水平位移差为6.7 cm，倾斜率为1.3%。

表4 管廊竣工以及工后20 年总沉降量

3 结论

通过数值模拟分析，对比有管廊和无管廊部位在施工期及工后的沉降值，得出以下结论：

（1）基坑回填结束，管廊左右两侧受力对称，无倾斜，整体的沉降量几乎为0。 路基回填结束，管廊发生倾斜，倾斜率为0.84%。 运营20 年后，与路基回填结束相比，倾斜率增大到1.3%，通过对比，管廊倾斜率增加缓慢， 该地基对管廊的变形影响不大。

（2）路基填筑结束，管廊处路基顶面的沉降量略大于无管廊处，沉降差约为0.5 mm，产生差异沉降的原因可能是有管廊处和无管廊处CFG 摩擦桩桩长不同， 造成两侧承载能力有所差异，CFG 摩擦桩越长，路基顶面的沉降量越小，反之，路基顶面沉降量越大，从而产生沉降差。

（3）路基回填结束，无管廊处路基底面与有管廊处路基底面的差异沉降率分别为0.33%、0.47%。运营20 年后，无管廊处路基顶面沉降呈“V”型，有管廊处路基顶面沉降呈“S”型，无管廊处路基顶面与有管廊处路基顶面差异沉降率分别为0.6%、0.37%，与路基回填结束时相比，管廊开挖过程中造成基坑土体的上浮及管廊的存在减少了自重应力，使得有管廊处路基顶面的差异沉降率逐渐小于无管廊处路基顶面。 但是对于路基顶面的破坏来说，路基顶面有管廊相对于无管廊产生的破坏更大，造成的危害也更大，因此，需要对有管廊处路基顶面和无管廊处路基底面进行处理， 以减少沉降量，保证路基的安全性。