综合管廊与道路共建不均匀沉降特性与控制的数值模拟分析

欧振锋 何 娜

(1.广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东 广州 510060；2.广东开放大学（广东理工职业学院），广东 广州 510091)

0 引言

综合管廊是将两类及以上工程管线集中设置于同一管廊内，实现地下管线的集约化管理。随着城市化进程不断深入推进，为提高城市国土空间利用效率，通常会将综合管廊与道路进行共建。在我国沿海城市，由于软土分布广泛，对于共同建设在深厚软土区的管廊与道路，管廊所在位置土体被挖空，其下方软基承受的荷载将小于其他位置，管廊与所在道路的刚柔过渡段极易出现裂缝、跳车和路面塌陷等，给道路行车、行人的舒适性与安全性带来较大影响。

关于软土地区管廊与道路沉降，国内外学者通过现场实测监测、理论分析和数值计算等方法，对其形成原因、机理和分布特征[1-3]，及其对管廊与路面结构受力影响[4-7]等开展了较多研究，提出沉降预测方法和减沉加固措施[8-11]。例如，周秋月与余湘娟等针对南京市某综合管廊工程中采用的钢板桩加二道钢支撑支护方式进行的管廊基坑监测表明，地面沉降量随着基坑开挖而增大，而沉降速率逐渐减小，第二道支撑轴力受开挖速度及支撑架设时间等因素影响。张旭文基于管廊-不均匀土体无限长梁模型与有限长梁模型，给出了单个集中荷载作用下拼装式管廊纵向内力和变形分布形式；并针对几种典型沉降类型（马鞍型、凹陷型、渐缓型和突变型），考虑管-土相互作用，利用ABAQUS对单舱管廊结构受力特征进行三维数值分析，分析表明管廊侧板与腋角相接处应力较集中，此处易受破坏。

尽管文献中有关深厚软土地区管廊与道路沉降的研究较多，但对两者相互作用下的变形规律认识仍有待深化。本文结合广州南沙软土地区某装配式综合管廊项目，通过建立管廊-道路三维数值模型，进行综合管廊与道路共建时不均匀沉降特性与控制的数值模拟分析，所得成果可为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

广州南沙综合管廊工程项目的管廊断面均为3.8m×3.7m单舱矩形形式，管节厚度35cm；采用整体预制节段拼装技术，节段长度为2m，相邻管节选用承插式接口形式拼接。项目所在区域典型土层断面分布如图1所示，自上而下分别为素填土、淤泥、粉质黏土、粉细砂和砂质黏土，其中分布着深厚软土层，管廊与道路共建易产生不均匀沉降。为控制管廊与道路共建时路面不均匀沉降，该项目对综合管廊基础及两侧路基进行加固处理（如图1所示）。其中，综合管廊基坑采用钢板桩或SMW工法桩加内支撑的围护形式，基坑被动区加固采用水泥搅拌桩三轴Φ850@600×600进行处理；在管廊基坑开挖至坑顶施工面后进行基坑两侧水泥搅拌桩复合地基二次处理，水泥搅拌桩直径0.5m，正三角形布置，间距1.3m，水泥搅拌桩处理至综合管廊基础外5m范围；同时在水泥搅拌桩与管廊间设置5m宽搭板。

图1 管廊与道路共建立面布置与典型土层分布

2 模型建立及参数选取

2.1 模型建立与网格划分

进行管廊与道路共建过程不均匀沉降分析时，以区域典型土层分布为土层划分依据。为降低边界对计算结果的影响，计算模型底面取至管廊基坑支护桩底面5m以下（约5～10倍桩径），道路横断面方向取至道路边线，路线纵断面方向取1倍路基宽度，模型整体尺寸为36m×36m×32.3m；模型底面固定，侧面法向约束。计算网格模型如图2所示，除了管廊基坑钢支撑为梁单元外，土层及其他结构均为实体单元。图3 所示为管廊和道路主要结构布置。

图2 三维网格模型

图3 管廊和道路主要结构（立面图）

2.2 本构模型与材料参数选择

岩土本构模型需较好地描述土体的真实力学-变形特性，在涉及基坑开挖和路基填筑施工过程模拟中，选用修正莫尔库伦模型比较合适。本文分析中的有限元模型对主要土层和坑底加固土采用了修正莫尔-库伦模型，中风化岩、钢板桩、SMW工法桩、钢筋混凝土冠梁和钢支撑等采用了线弹性模型进行模拟。相关参数见表1、表2所示。

表1 岩土材料主要模型参数

表2 其他材料参数

3 数值计算工况与计算结果分析

3.1 荷载施加

荷载主要包括土体自重，行车道车辆荷载和人群荷载。土体自重，水位以上取天然重度，水位以下取饱和重度，管廊基坑开挖阶段，基坑外侧计算水位按常水位（5.5m）计算，基坑内侧水位取坑底以下1m。依据《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)第7.0.4条，在双向行车道各布置4辆车辆荷载；人行道人群荷载取3.0kN/m2，非机动车道人群荷载取3.0×1.15=3.45kN/m2。

3.2 计算工况

该项目分析共设置5个工况：初始地应力分析、管廊基坑开挖、管廊基坑回填、路基路面施工和车辆荷载和人群荷载施加。

3.3 路面不均匀沉降计算结果分析

图4～图5给出了路面沉降的分布。路面沉降横向关于道路中线呈W型分布，靠近管廊侧沉降相对小些，这主要是因为管廊掏空部分土层，使得管廊处土层载荷相对较小。路面最大沉降为5.6mm，位于远离管廊侧左行车道后排车辆中轴外侧；靠近管廊侧右行车道最大沉降为4.8mm，两者相差0.8mm。

图4 路面整体沉降云图

图5 路面最大沉降处断面沉降云图

3.4 路面不均匀沉降控制效果分析

该项目在管廊两侧各设置5m宽搭板，搭板可以将上部路基荷载均匀分散至管廊及管廊两侧土层中，降低路面差异沉降。为分析搭板对路面沉降控制的积极作用，对无搭板情况下路面沉降展开了分析。图6给出了有搭板和无搭板情况下路面沉降对比。从图6可知，搭板的设置可降低路面总体沉降10%，差异沉降减少了20%。这说明搭板对降低路面总体沉降和差异沉降具有积极作用。

图6 有搭板和无搭板情况下路面沉降对比

4 结束语

本文以某装配式综合管廊工程为例，通过建立管廊-道路-土体三维有限元数值计算模型，分析了管廊与道路共建时不均匀沉降的特征，并分析了设置搭板对不均匀沉降的控制效果，结论如下：

（1）管廊与道路共建时，路面沉降呈W型分布，靠近管廊侧路面沉降相对较小，管廊两侧路面最大沉降相差0.8mm。

（2）数值分析表明，搭板的设置可降低路面总体沉降10%，差异沉降减少了20%；说明在管廊两侧设置搭板可有效降低路面不均匀沉降。