大面积堆载对管线的沉降影响及保护途径

邹 燕，李永生

(扬州工业职业技术学院，江苏 扬州 225000)

1 工程概况

本次所研究的工程位于长江三角洲，因为建设需求，需要沿着长江大堤建设一座堤内水库，该水库的面积为2 211 km2，外侧的堤坝长度是2 129 m。其中的一部分堤坝需要在本市正在运营的六条取水管线之中横跨，所以坝体和管线之间就形成了十字交汇形式。具体情况如图1所示。

图1 坝体和管线交汇平面图

在与该坝体交汇的六根管线之中，有CN1600管线2组，每组2根，管中心的标高是-5.50，中心间距是18.8 m，DN1800管线两根，管中心的标高是-6.20，中心间距是19.2 m。在交汇区域之内，堤坝的断面属于对称性的三级边坡，堤坝顶部的高程是7.3 m，堤坝宽度是8 m。在堤坝的内外都进行了三级边坡以及二级平台的设置。堤坝内外坡以及平台高程都是2 m，宽度都是10 m，二级平台高程都是4.5 m，宽度都是5 m，内外坡的坡度都是1∶3，坝基高程是0，具体情况如图2所示。

图2 堤坝断面图

2 大面积管线堆载对管线沉降的影响

在堤坝坝体和管线之间交汇的区域之内，淤泥质重粉质土的分布十分广泛，且这种土质有着较大的压缩性，因为此处原来已经进行了饮水管线的建设，并正处于正常的运行之中，所以在该堤坝的施工过程中，就应该按照非跨管段的施工方式进行地基处理，通过塑料排水板加堆载预压的方法进行处理。在坝体的堆载作用之下，为保障管线的正常运行，施工单位应该对管线变形加以合理控制，并通过科学的方式来计算其变形量。

在具体的计算过程中，根据三级边坡，可以将堤坝看作是三级边坡的对称形式，其高程分别是7.3、4.5、2 m。坝基下面管道的附加应力分别是180、120、70 kN/m2。在进行坝基总沉降量的计算过程中，应该采用分层总和的方法，其公式为：

式中，第i层土厚度用hi来表示，m；最终的沉降量用S来表示，m；地基的沉降修正系数用m来表示；地基压缩层计算范围之中的土分层数用n来表示，基础底面之下第i层土在其自身重力作用下的压缩曲线孔隙比用e1i来表示；基础底面之下第i层土在其自身重力以及负荷应力之下压缩曲线最终孔隙比用e2i来表示[1]。将各个管线附近的勘测点作为计算点来进行计算，具体结果如表1所示。

表1 沉降量计算结果 单位：mm

通过表1可以看出，管线所在的区域之中，坝体最大的沉降量是910 mm，其与之对应的原管线沉降量是600 mm，这与实际的安全运营需求不符合，根据相关规定，原来管线的安全变形值不应该超过100 mm。基于这一情况，在具体施工之中，就一定要对跨堤管线所在的范围做好保护，在本次工程之中，每一根管线与堤坝的交汇段长度都大约在110 m左右[2]。

3 结构加固处理方案

为了有效降低大面积管线堆载对管线受力情况的影响，避免管线变形，相关单位在施工之中就应该将管线的沉降量控制在100 mm以内。为达到这一目标，本文主要对三种加固处理的方案进行对比：

1)预制桩、承台和预制盖板的加固处理方案。将钢筋混凝土承台修建在堤坝下的管道上方，通过混凝土预制桩对承台进行支撑，并对来自于管道上方的主要荷载进行承担。具体施工过程中，可以沿着管线的纵向，在管线两侧各打一排预制桩，预制桩直径为1 000 mm。这种方案的施工方法比较简单，工期比较短，施工速度快，但是在施工过程中可能会导致管道两侧出现应力突变情况，进而引起管道的径向变形。且因为管线处在预制桩的中上部，预制桩需要沿着管线的方向进行施工，所以为了对沉桩造成的周围土体应力变形影响作出准确计算，可以采用圆柱形孔的扩张理论对预制桩施工和原来管线之间的安全距离进行分析，如图3所示。

图3 圆柱形孔的扩张理论模型图

在对塑性区域半径进行计算的过程中，可以应用以下的公式进行计算：

式中，土模量用E来表示;桩半径用r来表示;土泊桑比用μ来表示;桩周围饱和图不排水抗剪强度用Cu来表示[3]。

经过计算可知，塑型区的半径应该在7.2 m左右。要想满足施工过程中预制桩和管线之间的安全距离，上部的承台和预制板就应该和大地之间建立起比较大的刚度构件，预制桩的长度也会很长，这样的情况就会进一步加大预制桩施工过程中的偏斜风险。

2)灌注桩和承台加预制板的加固处理方案。将钢筋混凝土承台修建在堤坝下的管道上方，通过混凝土灌注桩对承台进行支撑，并对来自于管道上方的主要荷载进行承担。具体施工过程中，可以沿着管线的纵向，在管线两侧各打一排预制桩，预制桩直径为600 mm。因为这种方案所应用的是灌注桩，而不是挤土桩。所以通过这一方案的应用，可以有效解决上述方案施工过程中对原来管线的不利影响，施工过程中，灌注桩和管线之间的距离只有2.5 m，这就在很大程度上缩短了承台和预制板的跨度，并保障了桩长径比的合理性，可有效控制专辑施工过程中对管线所代带来的风险，且实现工程造价的进一步节约。但是在该方法的应用过程中，灌注桩的成桩时间比较长，且需要很长的时间进行水下养护。

3)复合地基的加固处理方案。在原有管道两侧20 m范围之内，通过高压旋喷桩和水泥土搅拌桩来进行坝基土地的加固处理，这样就可以在此范围之内构建起一个矩形的复合地基。在围堤、平台以上以及管道的两侧矩形投影范围之内，可以通过高压旋喷桩来进行加固处理，将其布置成正方形，桩与桩之间的距离是2 m，桩径是600 mm，桩长度是20 m，在剩余的范围之内，可以通过水泥土搅拌桩来进行加固处理，将其布置成梅花形，桩与桩之间的距离是2 m，桩直径是600 mm，桩长度是20 m。这种方案的施工十分简单，但是在施工过程中，为了让土体所受到的负荷得到合理控制，就需要对压缩模量做出较大的处理，保障其沿线的埋设深度一致。但是因为本次工程的水库坝体属于阶梯状坝体，所以就有着比较大的附加应力，这样的情况就很容易导致理论沉降计算和实际沉降都存在误差。

通过对以上三种加固处理方案的对比分析，并结合本次工程的实际情况，施工单位最终确定用第二种方案进行本次工程的加固处理。因为该方案的风险性最低，且经过沉降监测和管线变形监测可知，通过该方案进行加固处理，坝体的实际变形监测数据和理论计算值十分接近。由此可见，该方案在本次工程之中十分适用。

4 加固处理方案的优化措施

1)优化方案一。为实现工程造价的合理控制，在具体方案设计过程中，考虑到平台标高不同所施加到管线上的附加应力也有所不同，所以在桩长的选择上也应该有所不同，并注意布设的合理性，进而让管线的纵向理论变形值和相关规程的允许曲率尽量接近，允许曲率半径是3 000D以上[4]。具体情况如图4所示。

图4 布桩断面图

同时，在施工过程中，也需要在承台板之下的左右两侧各预留出大约20 cm的预沉降层，这样就可以对堤坝下沉带给原来管线的影响起到一个抵消作用，并将堤坝原来的计算沉降量放宽，使其从原来的10 cm放大到25 cm，通过沉降层来抵消增量，这样就可以将管线的最大变形值控制在100 mm以下。

2)优化方案二。因为坝体的施工以及管线的保护都需要在临时性的围堰之内进行，所以在具体的施工过程中，为保障围堰高度和长江低潮水位要求相符，一次来实现施工成本的最大化节约，施工单位可以分别按照Φ600和Φ800这两种桩径进行布桩，以此来对管线进行保护，并合理比较工程的综合费用。

根据现场施工分析发现，虽然应用直径为Φ600的灌注桩会比应用直径为Φ800的灌注桩节约很多的费用，但是因为Φ800的基桩数量比较少，且施工工期比较短，可以在长江低水位的季节之内完成施工，这样就可以节约更多的费用。

因此，通过综合考虑，在本次工程之中，应用直径为Φ800的灌注桩进行加固处理，坝体的高程分别是7.3、4.5、2 m，其平台所对应的灌注桩长度分别是38、28、18 m，桩基的承台梁在桩顶纵向设置，其跨度是1 m，高度是0.8 m。根据堤坝的分级将其划分成六段，将旋喷止水的间距预留在承台中心，并将单向的现浇筑平台板设置在承台梁上，厚度是1 m，高度是0。在承台下部的左右两侧各预留出大约200 mm的沉降层，桩基中心的最大沉降值是255 mm。

5 结 语

综上所述，本次以某实际工程为例，分析了大面积堆载管线对沉降的影响，并通过不同方案的比对来确定了合理的保护措施，同时也对该保护措施的优化方案进行了分析。该工程已经完成了近两年时间，通过每个月的实测发现，管线位置的沉降量与相关规定的标准完全相符，管线运行一切正常。希望本次的分析可以为类似工程的设计与施工提供出一定的帮助。

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