軟土地層中電纜溝不均勻沉降控制措施研究

曹建偉 朱司丞 潘少良

(浙江省湖州電力設計院，浙江 湖州 313000)

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軟土地層中電纜溝不均勻沉降控制措施研究

曹建偉 朱司丞 潘少良

(浙江省湖州電力設計院，浙江 湖州 313000)

以浙江某地電纜改遷工程為背景，針對軟土地基中電纜溝產生不均勻沉降的問題，提出了換填法和水泥攪拌樁法的地基處理方案，并采用有限元法對處理方案進行了建模分析，認為在軟土地層中根據地層分布情況酌情采用換填法或水泥攪拌樁法能夠有效控制電纜溝工后沉降，最后，現場監測的工后一年沉降數據，進一步驗證了該處理方案的有效性。

軟土地層，電纜溝，不均勻沉降，水泥土攪拌樁，有限元分析

0 引言

隨著城市化進度的加快，不斷增加的城市電網需求和稀缺的工程建設空間的矛盾愈演愈烈。因此，電網線路的地下敷設方式逐漸成為趨勢，然而，在長三角地區的軟土地層中，電纜溝或電纜隧道容易發生較大的沉降，影響電纜線路的正常運行甚至存在安全隱患。

隨著軟土地基中電纜隧道的大量建設，許多學者對減小隧道沉降的工程措施進行了研究和分析。林秀桂等[1]對軟土地基城市明挖隧道的不均勻沉降控制問題進行了研究，用有限元法對施工過程進行動態模擬，最終認為樁隔離是有效的施工措施。寧茂權[2]以溫州市某隧道工程為例，對深厚軟土地層中明挖隧道基底隆起和回填加載沉降問題進行了研究，認為可以通過符合地基處理將隆起和沉降控制在安全范圍內，并提出了具體的工程措施。劉浩[3]針對軟土地基大覆土明挖隧道不均勻沉降的問題，采用有限元法分析地基處理前后的沉降規律，提出鉆孔灌注樁能夠有效減少隧道沉降的結論。蒯行成等[4]應用有限元軟件分析不同支護措施對淺埋隧道性狀和地表沉降的影響，認為超前預支護措施可以適當控制地層下陷和地表沉降。大量研究表明有限元法能夠較好地預測在施工過程中以及工后隧道的性狀以及地表沉降[5-8]。

本文依托于浙江某電纜改遷工程，針對其工后不均勻沉降問題，提出相應的工程措施，并通過有限元建模，分析工程措施的作用效果，最后，通過沉降監測驗證工程措施的有效性。

1 工程背景

該電纜改遷工程220 kV線處于太湖平原南部，天目山脈北東部，電纜溝沿線地層變化大，先后穿過中硬土、中軟土、軟弱土等工程性質差別大的土層，沿線需經過河流、下穿道路。全工程雙回路電纜3.51 km，電纜截面25 000 mm2。

電纜在綠化帶中采用電纜溝敷設，雙回路電纜呈兩個三角形布置，電纜軸間距450 mm，纜溝上方400 mm覆土。電纜穿越道路時采用現澆明挖隧道方式敷設，電纜軸間距450 mm，上方覆土1 m。電纜線路經過河流時，采用電纜橋架方式敷設，線路明敷于橋架上并設置保護罩。電纜溝及隧道采用現澆鋼筋混凝土，上蓋預制鋼筋混凝土蓋板，每隔50 m設置一道伸縮縫，縫內設置剪力鍵，使變形平滑過渡。

2 沉降預測以及處理方案選擇

本文對地層性質較差的14號～22號孔位置進行沉降預測，地基固結沉降計算方法采用e—p曲線法，沉降計算分層厚度取0.5 m，沉降壓縮層判斷附加應力與自重應力比值判斷取不大于10%，沉降修正系數取1.3。路面下新覆土重度18 kN/m3取值，其余地質參數詳見表1。

計算得到的沉降值和管線斜率如圖1，圖2所示。從圖1，圖2中可以看出，超過一半的孔位斜率超過了安全限制值，說明管線不均勻沉降現象十分嚴重。造成不均勻沉降的原因主要有以下幾點：1)管溝敷設方式突變，特別是橋架兩端接電纜溝節點和拖拉管與排管接點處，造成沉降差偏大；2)管溝沿線地質變化較大，從西往東先后穿越中硬土、中軟土、軟土和中軟土場地，在地質條件突變區域，差異沉降較大；3)由于規劃地面標高抬高，新覆土厚度不一，填土厚度變化突變較大處，差異沉降較大。

表1 土層參數

管線不均勻沉降可能影響管線的正常運維功能甚至存在安全隱患，必須采取一定的措施控制沉降量。

根據地勘報告可知，14號孔和19號孔～22號孔地層中存在1.6 m～5 m厚的淤泥層，其中14號孔位置淤泥層分布范圍不大，分布深度淺，最大厚度僅1.6 m，決定用級配良好的砂石采用挖除換填法處理，而19號孔～22號孔位間的電纜穿越規劃道路，考慮道路車輛地面附加荷載的影響，決定采用水泥土攪拌樁法進行加固處理。

3 處理方案效果分析

本文利用有限元軟件對地基加固措施進行模擬分析。換填法僅考慮地基處理對沉降量的影響，而進行水泥土攪拌樁加固的19號～22號區段需穿越規劃道路，道路車輛的地面附加荷載可能導致電纜管溝的側移，需同時考慮處理措施對抗沉降和抗側移的作用。

3.1 換填法效果分析

在有限元軟件中建立地層尺寸為40 m×12.7 m的模型。土層本構為摩爾庫侖準則，參數根據勘察數據確定，如表1所示。換填時，將③b層淤泥置換為級配良好的砂土，有限元模型以及網格分割形式如圖3所示。

考慮地面附加荷載20 kPa，用軟件分別計算未換填和換填后的地層以及管溝沉降，考察換填法對減少管溝沉降的作用。計算結果如圖4所示。

從有限元分析結果可以看出，若不采取換填措施，管溝的沉降達到了0.135 m，將管溝下方的淤泥層用換填砂置換后，沉降減少到了0.096 m，說明換填能夠有效減少管溝下方軟弱土層的沉降。對下方有淤泥層且淤泥分布厚度和范圍均不大的情況，可以采用換填法以減少與其他位置的沉降差，從而將管線斜率控制在安全范圍內。

3.2 水泥攪拌樁抗沉降效果分析

本文以22號孔為例，對水泥攪拌樁的抗沉降性能進行有限元模擬分析，在有限元軟件中建立地層尺寸為40 m×20 m的模型，土層參數根據勘察數據確定，與表1一致。有限元模型以及網格分割形式如圖5所示，樁長5 m。

考慮地面附加荷載20 kPa，用有限元軟件分別計算無樁、設置3 m樁和5 m樁后地層以及管溝的沉降，考察水泥攪拌樁對減少管溝沉降的作用。有限元分析結果顯示，不設置水泥攪拌樁時，管溝在上覆土自重和地面附加荷載的作用下，沉降值為0.435 m；設置3 m長度的攪拌樁后，沉降值為0.373 m，設置5 m攪拌樁后，沉降值減小至0.279 m。設置攪拌樁前后的地層沉降如圖6所示。

3.3 水泥攪拌樁抗側移效果分析

為驗證水泥攪拌樁對電纜溝抗側移的作用，分別分析無攪拌樁、電纜溝基底設置5 m長攪拌樁、電纜溝基底及兩側均有攪拌樁三種工況下的地層位移和電纜溝位移。土層參數與表1所示一致。底部和兩側均設有攪拌樁的有限元模型以及網格分割形式如圖7所示。

考慮地面附加荷載20 kPa，附加荷載邊緣與管溝中心的水平距離為5 m，以此分析電纜溝在附近地面有附加荷載情況下的側移情況。有限元法分析結果顯示，基底和兩側均無攪拌樁時，在側方地面附加荷載的作用下，管溝側移距離為20.87 mm；當地基設置有攪拌樁時，管溝側移為12.63 mm；當基底及兩側均設置有攪拌樁時，管溝側移減小至9.62 mm。可見在管溝基底和兩側設置水泥攪拌樁能夠有效減小附近地面附加荷載對管溝的影響，減少管溝的側移。如圖8所示為設置攪拌樁前后地層位移情況。

4 現場監測結果

為了驗證換填法和水泥攪拌樁法對管溝抗沉降的效果，對預測沉降較大的位置——14號孔～22號孔區段進行沉降監測，監測內容包括地層分層沉降以及管溝沉降和管溝側移。本文每隔50 d左右對各監測點沉降進行測量，發現經過一年的固結排水，各測點的沉降已經基本完成。如圖9，圖10所示為一年后各測點的沉降值和由此計算出的管線斜率。從圖9，圖10中可以看到，各點的實際沉降相比無措施情況下的預測值有明顯的減小，而各點的斜率值均在安全限制值以內。這說明換填法和水泥攪拌樁法有效減少了管溝的沉降，并顯著減弱了不均勻沉降的現象。

5 結語

本文以浙江某220 kV電纜線路改造工程為依托，針對電纜溝不均勻沉降問題提出一系列工程措施，并用有限元法對換填法和水泥攪拌樁法進行模擬分析，最后結合現場監測結果對地基處理措施效果進行評價，得到結論如下：

1)若不采取適當地基處理措施，電纜管溝將產生嚴重的不均勻沉降，造成電纜溝沉降差的原因主要有：管溝敷設方式突變；管溝沿線地質差異大；新覆土厚度差別較大等。

2)對下方有淤泥層且淤泥分布厚度和范圍均不大的情況，可以采用換填法以減少與其他位置的沉降差，從而將管線斜率控制在安全范圍內。

3)在基底設置水泥攪拌樁能夠有效減小電纜溝在新覆土和地面附加荷載作用下的沉降，在電纜溝基底及兩側設置水泥土攪拌樁能夠有效減小電纜溝在附近地面附加荷載作用下的側移。

4)經現場監測證明，工后一年管溝的沉降已基本完成，采取適當地基處理措施后管溝的不均勻沉降現象得到明顯改善，管溝斜率被控制在安全范圍內。

[1] 林秀桂,李志剛.某軟土明挖隧道回填不均勻沉降控制技術研究[J].地下空間與工程學報,2012(4):828-835.

[2] 寧茂權.深厚軟土明挖隧道基底標高變異及其控制措施研究[J].現代隧道技術,2015(3):31-38.

[3] 劉 浩.軟土地區大覆土明挖隧道沉降變形規律研究[J].鐵道建筑技術,2016(2):31-35.

[4] 蒯行成,楊海朋,茆秋華,等.支護措施對淺埋隧道性狀和地表沉降的影響[J].公路工程,2007(4):82-86.

[5] 張 旭.考慮土體—隧道共同作用的盾構隧道三維有限元分析[D].上海：上海交通大學,2013.

[6] 夏 釩,冷 建,卞 榮,等.電纜隧道穿越對高速公路影響的數值分析研究[J].特種結構,2014(3):65-68.

[7] 韓 磊,葉冠林,王建華,等.淺覆土大直徑盾構穿越對河堤影響的有限元分析[J].巖土工程學報,2015(S1):125-128.

[8] 冷 建,卞 榮,劉燕平,等.結構性軟土中隧道對鄰近樁基的長期影響數值分析[J].巖土工程學報,2013(S2):352-356.

Research on control measures of cable trench uneven settlement in soft soil stratum

Cao Jianwei Zhu Sicheng Pan Shaoliang

(ZhejiangHuzhouElectricPowerDesignInstitute,Huzhou313000,China)

Taking a cable diversion engineering in Zhejiang as the background, according to the uneven settlement problems of cable trench in soft soil foundation, put forward the ground treatment scheme of replacement method and cement mixing pile, and using the finite element method made modeling analysis on treatment scheme, in soft soil foundation, according to the strata distribution situation discretion using the replacement method or cement mixing pile method could effectively control the cable trench settlement after construction, finally, the one year settlement data after construction of on-site monitoring, further verified the effectiveness of the treatment scheme.

soft soil stratum, cable trench, uneven settlement, cement soil mixing pile, finite element analysis

1009-6825(2016)31-0131-03

2016-08-21

曹建偉(1978- )，男，高級工程師； 朱司丞(1976- )，男，工程師； 潘少良(1963- )，男，工程師

TU994

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