某公路軟基施工對電廠供水管的影響分析

蔡曉英 劉廷偉

(廣東省公路勘察規劃設計院股份有限公司，廣東 廣州 510506)

1 工程概況

高欄港高速公路工程(西部沿海高速公路至南水河段)屬于利用既有珠港大道改擴建成高速公路的路段。路線大致呈南北走向，與既有珠港大道基本一致，北起既有珠港大道與黃楊大道的平交口;南至既有珠港大道南水河橋北路，路線全長23.552 km。其中 A2合同段起訖樁號為K47+100～K59+201.925。

K47+700～K53+300右側輔道路基外側布設有2條珠海電廠供水管，距路基坡腳線6 m～10 m，局部平交口路段距離只有1 m～3 m。電廠供水管直徑均為600 mm，管單節長6 m或8 m。其中，K47+700～K53+300供水管采用焊接鋼管，下穿西側輔道連接口五處。除K48+450處交叉口范圍內軟基采用管樁處理外，該段輔道軟基均采用排水固結法處理;K53+300～K59+201.631采用承插式玻璃鋼管，下穿西側輔道連接口七處，該段輔道軟基均采用排水固結法處理。

該項目右側輔道線路基段一般填土高度在1.0 m～2.5 m之間，考慮軟基填筑產生不均勻沉降(或水平位移不一致)會造成供水管接頭開裂從而導致爆管。如果管道是整體均勻變形，理論上不會發生事故。

為保證高欄港高速公路施工期間電廠供水管的安全，重點對K47+700～K59+201.631段軟基施工引起供水管附近地表沉降及水平位移進行了相應計算和有限元分析。

2 工程地質條件

沿線軟土由第四系淤泥、淤泥質亞粘土、含淤泥質砂等組成，以淤泥、淤泥質粉質粘土為主，具有層位、厚度變化大，且有單層、雙層和雞窩狀分布的特點。

本合同段線路長約12.101 km，軟土全線都有分布，發育兩層軟土，以第一層軟土為主，覆蓋層厚一般0.6 m～7.3 m，軟土層的厚度7.5 m～33.8 m，沿路線方向逐漸變厚的態勢，偶夾透鏡體狀粉質粘土層或砂層，第二層軟土則局部分布，埋藏較深，厚0.6 m ～15.0 m。

根據《高欄港一期工程巖土工程勘察報告》，本次分析中土層信息及參數取值見表1。

表1 地基土計算參數

3 計算工況

根據本工程的軟土分布特點和擬采用軟土處理措施，以及路堤與珠海電廠水管相對位置，選擇了五個典型斷面計算，各斷面的土層分布和路堤尺寸如表2所示，路堤分層填筑，路堤填筑速度按每10 d填土0.3 m考慮。

表2 典型斷面的計算工況

4 數值模擬分析模型的建立

根據路基標準斷面圖，采用三維有限元方法，利用巖土工程專用軟件Midas/GTS，有限元網格采用平面四邊形四節點等參單元。結合之前所重建的場地巖土層面，分析施工過程中輔道外側供水管處地表位移。

有限元分析中的假定:

1)考慮到公路均為平面應變問題，對路堤橫斷面采用二維平面有限元進行分析，利用對稱性，取路堤地基的一半進行分析(見圖1)。2)路堤土、砂墊層采用彈性模型，地基土體采用彈塑性模型(摩爾—庫侖屈服準則)。3)路堤填土、土體、墊層、下臥層均假設為各項均質材料(除滲透性外)。4)不考慮墊層中土工格柵的加筋作用。5)地下水位假定與地表相平。6)邊界條件:左邊界(路基中心線處)水平方向位移約束，右邊界(遠離路堤處)水平與垂直方向均為約束，下邊界水平與垂直方向均為約束，其他邊界條件自由，左邊界和下邊界為不透水面，砂墊層、地面和砂層的右邊界為透水邊界，右邊界其他土層為不透水邊界。

圖1 K51+030斷面計算網格

根據已有的經驗以及相關的研究成果，地表變形分析范圍邊線距路基中心線為3B，計算深度取到持力層10 m，其中，B為路基寬度。

5 有限元分析結果

通過對以上五個典型斷面的有限元計算分析，得到在拓寬路堤荷載的作用下，輔道外側地表變形結論見表3，表4。

表3 各斷面DX位移匯總表 mm

表4 各斷面DZ位移匯總表 mm

1)地表沉降:距離路堤腳外6 m，地表最大豎向沉降位移為3.4 cm ～21.9 cm，其中 K57+188 段豎向沉降為 21.9 cm;距離路堤腳外10 m，地表最大豎向沉降位移為1.2 cm～6.5 cm，其中K51+030段10 m處為地表隆起2.6 cm。有限元計算堤腳外5 m處地表沉降為輔道路基中心沉降的15%～30%;堤腳外10 m處地表沉降為輔道路基中心沉降的10%～15%。與類似工程經驗基本一致。

2)地表水平位移:由路基水平位移的云圖可知，輔道路基下的土體向兩側擠出(即指向主線中心線方向和輔道路基外側)，兩者的分界線為通過老路堤坡腳向內與豎向線大致成45°～55°角的近似直線。距離路堤腳外6 m，地表最大水平向位移為17.6 cm，距離路堤腳外10 m，地表最大水平向位移為19.0 cm。有限元計算結果反映，在堤腳外5 m～10 m范圍內，真空預壓與堆載預壓兩施工方案的地表水平位移均在5 cm～20 cm。但是真空預壓的水平位移影響范圍更大(一般控制在25 m范圍內)，一般影響深度不超過12 m。

因沿線的珠海電廠供水管大部分均置于地表，管線基礎沒有進行特別處理，所以軟基處理采用排水固結法施工將對路堤堤腳5 m～10 m范圍內的供水管影響較大，軟基處理有可能導致供水管因不均勻變形而爆管。

6 供水管線對變形適應范圍

供水管采用焊接鋼管時，因管道整體性較強，所以鋼管具備一定跨越能力;而供水管采用承插式玻璃鋼管時，管道采用雙“O”形密封圈承接口或法蘭連接，并在承插接口外加連接鎖頭，根據GB 50268－2008給水排水管道工程施工及驗收規范第5.8.3條，玻璃鋼管接口的允許轉角為1.0°(管內徑500＜Di＜1 000)。故接頭對變形的適應范圍有限。

根據珠海電廠提供的資料:

供水管單節長6 m或8 m。玻璃鋼管接口的允許轉角為1.0°時(管內徑500＜Di＜1 000)，相鄰管道接頭計算的允許偏移值為10.5 cm ～14.0 cm。

7 結論及建議

經過有限元計算，對比不同供水管接頭和路基軟基處理方案，得出以下結論和建議:

1)關于豎向和水平向位移。a.路基采用管樁處理的路段，沉降小，對管線無較大影響，公路路基軟基處理可正常施工;只在相應平交口段，對供水管道影響，需避讓施工。b.路基為袋裝砂井和真空堆載預壓處理段沉降值與軟土層厚度、填土高度大致成正比，軟土越厚沉降越大，填土越高沉降越大。c.水平位移:堤腳外5 m～10 m范圍，兩施工方案的地表水平位移均在5 cm～20 cm，線狀工程的水平位移的一致性、連續性的特點，對與之平行走向的管線影響較小。d.豎向沉降:綜合分層沉降計算和有限元結果分析，堤腳外5 m～10 m范圍，地表豎向沉降位移一般在3.4 cm～20.4 cm之間，大部分管段豎向沉降差不超過相鄰管道接頭允許偏移值為10.4 cm～14.0 cm的變形范圍。

綜上所述，堤腳外5 m～10 m范圍，地表水平位移和豎向沉降基本滿足相鄰管道接頭允許偏移值的變形范圍。考慮到管道施工質量、材料老化、道路施工機械騎壓、土方堆載等各種不利因素，為安全起見，沉降差(或水平位移差)限值尚應酌情減少，建議現場對5 m范圍內的電廠水管進行改遷。

2)建議現場認真加強施工期右側輔道及供水管路接頭的位移監測和預警工作，并對距堤腳較近，沉降較大路段供水管的接頭重點監測，通過動態信息化施工，確保珠海電廠供水管道的安全。

3)珠海電廠應對現有供水管道進行完整性檢測。根據檢測結果并結合監測位移數據，對相應段管道作懸掛保護，建議沿管線兩側各布設一排管樁，管樁縱向間距12 m。

4)管道保護和高速公路軟基處理施工應及時溝通，進行合理施工組織，確保施工對供水管的安全影響降到最小。

[1] 魏汝龍.軟粘土的強度和變形[M].北京:人民交通出版社，1987.

[2] 陳立宏，陳祖煜，李廣信.砂井地基有限元計算的等效面應變算法[J].土木工程學報，2004，37(6):82－86.

[3] GB 50268－2008，給水排水管道工程施工及驗收規范[S].

[4] 廣東省公路勘察規劃設計院股份有限公司.珠海市高欄港高速公路一期工程兩階段施工圖設計[Z].2009.