某公路软基施工对电厂供水管的影响分析

蔡晓英 刘廷伟

(广东省公路勘察规划设计院股份有限公司，广东 广州 510506)

1 工程概况

高栏港高速公路工程(西部沿海高速公路至南水河段)属于利用既有珠港大道改扩建成高速公路的路段。路线大致呈南北走向，与既有珠港大道基本一致，北起既有珠港大道与黄杨大道的平交口;南至既有珠港大道南水河桥北路，路线全长23.552 km。其中 A2合同段起讫桩号为K47+100～K59+201.925。

K47+700～K53+300右侧辅道路基外侧布设有2条珠海电厂供水管，距路基坡脚线6 m～10 m，局部平交口路段距离只有1 m～3 m。电厂供水管直径均为600 mm，管单节长6 m或8 m。其中，K47+700～K53+300供水管采用焊接钢管，下穿西侧辅道连接口五处。除K48+450处交叉口范围内软基采用管桩处理外，该段辅道软基均采用排水固结法处理;K53+300～K59+201.631采用承插式玻璃钢管，下穿西侧辅道连接口七处，该段辅道软基均采用排水固结法处理。

该项目右侧辅道线路基段一般填土高度在1.0 m～2.5 m之间，考虑软基填筑产生不均匀沉降(或水平位移不一致)会造成供水管接头开裂从而导致爆管。如果管道是整体均匀变形，理论上不会发生事故。

为保证高栏港高速公路施工期间电厂供水管的安全，重点对K47+700～K59+201.631段软基施工引起供水管附近地表沉降及水平位移进行了相应计算和有限元分析。

2 工程地质条件

沿线软土由第四系淤泥、淤泥质亚粘土、含淤泥质砂等组成，以淤泥、淤泥质粉质粘土为主，具有层位、厚度变化大，且有单层、双层和鸡窝状分布的特点。

本合同段线路长约12.101 km，软土全线都有分布，发育两层软土，以第一层软土为主，覆盖层厚一般0.6 m～7.3 m，软土层的厚度7.5 m～33.8 m，沿路线方向逐渐变厚的态势，偶夹透镜体状粉质粘土层或砂层，第二层软土则局部分布，埋藏较深，厚0.6 m ～15.0 m。

根据《高栏港一期工程岩土工程勘察报告》，本次分析中土层信息及参数取值见表1。

表1 地基土计算参数

3 计算工况

根据本工程的软土分布特点和拟采用软土处理措施，以及路堤与珠海电厂水管相对位置，选择了五个典型断面计算，各断面的土层分布和路堤尺寸如表2所示，路堤分层填筑，路堤填筑速度按每10 d填土0.3 m考虑。

表2 典型断面的计算工况

4 数值模拟分析模型的建立

根据路基标准断面图，采用三维有限元方法，利用岩土工程专用软件Midas/GTS，有限元网格采用平面四边形四节点等参单元。结合之前所重建的场地岩土层面，分析施工过程中辅道外侧供水管处地表位移。

有限元分析中的假定:

1)考虑到公路均为平面应变问题，对路堤横断面采用二维平面有限元进行分析，利用对称性，取路堤地基的一半进行分析(见图1)。2)路堤土、砂垫层采用弹性模型，地基土体采用弹塑性模型(摩尔—库仑屈服准则)。3)路堤填土、土体、垫层、下卧层均假设为各项均质材料(除渗透性外)。4)不考虑垫层中土工格栅的加筋作用。5)地下水位假定与地表相平。6)边界条件:左边界(路基中心线处)水平方向位移约束，右边界(远离路堤处)水平与垂直方向均为约束，下边界水平与垂直方向均为约束，其他边界条件自由，左边界和下边界为不透水面，砂垫层、地面和砂层的右边界为透水边界，右边界其他土层为不透水边界。

图1 K51+030断面计算网格

根据已有的经验以及相关的研究成果，地表变形分析范围边线距路基中心线为3B，计算深度取到持力层10 m，其中，B为路基宽度。

5 有限元分析结果

通过对以上五个典型断面的有限元计算分析，得到在拓宽路堤荷载的作用下，辅道外侧地表变形结论见表3，表4。

表3 各断面DX位移汇总表 mm

表4 各断面DZ位移汇总表 mm

1)地表沉降:距离路堤脚外6 m，地表最大竖向沉降位移为3.4 cm ～21.9 cm，其中 K57+188 段竖向沉降为 21.9 cm;距离路堤脚外10 m，地表最大竖向沉降位移为1.2 cm～6.5 cm，其中K51+030段10 m处为地表隆起2.6 cm。有限元计算堤脚外5 m处地表沉降为辅道路基中心沉降的15%～30%;堤脚外10 m处地表沉降为辅道路基中心沉降的10%～15%。与类似工程经验基本一致。

2)地表水平位移:由路基水平位移的云图可知，辅道路基下的土体向两侧挤出(即指向主线中心线方向和辅道路基外侧)，两者的分界线为通过老路堤坡脚向内与竖向线大致成45°～55°角的近似直线。距离路堤脚外6 m，地表最大水平向位移为17.6 cm，距离路堤脚外10 m，地表最大水平向位移为19.0 cm。有限元计算结果反映，在堤脚外5 m～10 m范围内，真空预压与堆载预压两施工方案的地表水平位移均在5 cm～20 cm。但是真空预压的水平位移影响范围更大(一般控制在25 m范围内)，一般影响深度不超过12 m。

因沿线的珠海电厂供水管大部分均置于地表，管线基础没有进行特别处理，所以软基处理采用排水固结法施工将对路堤堤脚5 m～10 m范围内的供水管影响较大，软基处理有可能导致供水管因不均匀变形而爆管。

6 供水管线对变形适应范围

供水管采用焊接钢管时，因管道整体性较强，所以钢管具备一定跨越能力;而供水管采用承插式玻璃钢管时，管道采用双“O”形密封圈承接口或法兰连接，并在承插接口外加连接锁头，根据GB 50268－2008给水排水管道工程施工及验收规范第5.8.3条，玻璃钢管接口的允许转角为1.0°(管内径500＜Di＜1 000)。故接头对变形的适应范围有限。

根据珠海电厂提供的资料:

供水管单节长6 m或8 m。玻璃钢管接口的允许转角为1.0°时(管内径500＜Di＜1 000)，相邻管道接头计算的允许偏移值为10.5 cm ～14.0 cm。

7 结论及建议

经过有限元计算，对比不同供水管接头和路基软基处理方案，得出以下结论和建议:

1)关于竖向和水平向位移。a.路基采用管桩处理的路段，沉降小，对管线无较大影响，公路路基软基处理可正常施工;只在相应平交口段，对供水管道影响，需避让施工。b.路基为袋装砂井和真空堆载预压处理段沉降值与软土层厚度、填土高度大致成正比，软土越厚沉降越大，填土越高沉降越大。c.水平位移:堤脚外5 m～10 m范围，两施工方案的地表水平位移均在5 cm～20 cm，线状工程的水平位移的一致性、连续性的特点，对与之平行走向的管线影响较小。d.竖向沉降:综合分层沉降计算和有限元结果分析，堤脚外5 m～10 m范围，地表竖向沉降位移一般在3.4 cm～20.4 cm之间，大部分管段竖向沉降差不超过相邻管道接头允许偏移值为10.4 cm～14.0 cm的变形范围。

综上所述，堤脚外5 m～10 m范围，地表水平位移和竖向沉降基本满足相邻管道接头允许偏移值的变形范围。考虑到管道施工质量、材料老化、道路施工机械骑压、土方堆载等各种不利因素，为安全起见，沉降差(或水平位移差)限值尚应酌情减少，建议现场对5 m范围内的电厂水管进行改迁。

2)建议现场认真加强施工期右侧辅道及供水管路接头的位移监测和预警工作，并对距堤脚较近，沉降较大路段供水管的接头重点监测，通过动态信息化施工，确保珠海电厂供水管道的安全。

3)珠海电厂应对现有供水管道进行完整性检测。根据检测结果并结合监测位移数据，对相应段管道作悬挂保护，建议沿管线两侧各布设一排管桩，管桩纵向间距12 m。

4)管道保护和高速公路软基处理施工应及时沟通，进行合理施工组织，确保施工对供水管的安全影响降到最小。

[1] 魏汝龙.软粘土的强度和变形[M].北京:人民交通出版社，1987.

[2] 陈立宏，陈祖煜，李广信.砂井地基有限元计算的等效面应变算法[J].土木工程学报，2004，37(6):82－86.

[3] GB 50268－2008，给水排水管道工程施工及验收规范[S].

[4] 广东省公路勘察规划设计院股份有限公司.珠海市高栏港高速公路一期工程两阶段施工图设计[Z].2009.