大面積堆載對管線的沉降影響及保護途徑

鄒 燕，李永生

(揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚州 225000)

1 工程概況

本次所研究的工程位于長江三角洲，因為建設(shè)需求，需要沿著長江大堤建設(shè)一座堤內(nèi)水庫，該水庫的面積為2 211 km2，外側(cè)的堤壩長度是2 129 m。其中的一部分堤壩需要在本市正在運營的六條取水管線之中橫跨，所以壩體和管線之間就形成了十字交匯形式。具體情況如圖1所示。

圖1 壩體和管線交匯平面圖

在與該壩體交匯的六根管線之中，有CN1600管線2組，每組2根，管中心的標(biāo)高是-5.50，中心間距是18.8 m，DN1800管線兩根，管中心的標(biāo)高是-6.20，中心間距是19.2 m。在交匯區(qū)域之內(nèi)，堤壩的斷面屬于對稱性的三級邊坡，堤壩頂部的高程是7.3 m，堤壩寬度是8 m。在堤壩的內(nèi)外都進行了三級邊坡以及二級平臺的設(shè)置。堤壩內(nèi)外坡以及平臺高程都是2 m，寬度都是10 m，二級平臺高程都是4.5 m，寬度都是5 m，內(nèi)外坡的坡度都是1∶3，壩基高程是0，具體情況如圖2所示。

圖2 堤壩斷面圖

2 大面積管線堆載對管線沉降的影響

在堤壩壩體和管線之間交匯的區(qū)域之內(nèi)，淤泥質(zhì)重粉質(zhì)土的分布十分廣泛，且這種土質(zhì)有著較大的壓縮性，因為此處原來已經(jīng)進行了飲水管線的建設(shè)，并正處于正常的運行之中，所以在該堤壩的施工過程中，就應(yīng)該按照非跨管段的施工方式進行地基處理，通過塑料排水板加堆載預(yù)壓的方法進行處理。在壩體的堆載作用之下，為保障管線的正常運行，施工單位應(yīng)該對管線變形加以合理控制，并通過科學(xué)的方式來計算其變形量。

在具體的計算過程中，根據(jù)三級邊坡，可以將堤壩看作是三級邊坡的對稱形式，其高程分別是7.3、4.5、2 m。壩基下面管道的附加應(yīng)力分別是180、120、70 kN/m2。在進行壩基總沉降量的計算過程中，應(yīng)該采用分層總和的方法，其公式為：

式中，第i層土厚度用hi來表示，m；最終的沉降量用S來表示，m；地基的沉降修正系數(shù)用m來表示；地基壓縮層計算范圍之中的土分層數(shù)用n來表示，基礎(chǔ)底面之下第i層土在其自身重力作用下的壓縮曲線孔隙比用e1i來表示；基礎(chǔ)底面之下第i層土在其自身重力以及負(fù)荷應(yīng)力之下壓縮曲線最終孔隙比用e2i來表示[1]。將各個管線附近的勘測點作為計算點來進行計算，具體結(jié)果如表1所示。

表1 沉降量計算結(jié)果 單位：mm

通過表1可以看出，管線所在的區(qū)域之中，壩體最大的沉降量是910 mm，其與之對應(yīng)的原管線沉降量是600 mm，這與實際的安全運營需求不符合，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，原來管線的安全變形值不應(yīng)該超過100 mm。基于這一情況，在具體施工之中，就一定要對跨堤管線所在的范圍做好保護，在本次工程之中，每一根管線與堤壩的交匯段長度都大約在110 m左右[2]。

3 結(jié)構(gòu)加固處理方案

為了有效降低大面積管線堆載對管線受力情況的影響，避免管線變形，相關(guān)單位在施工之中就應(yīng)該將管線的沉降量控制在100 mm以內(nèi)。為達到這一目標(biāo)，本文主要對三種加固處理的方案進行對比：

1)預(yù)制樁、承臺和預(yù)制蓋板的加固處理方案。將鋼筋混凝土承臺修建在堤壩下的管道上方，通過混凝土預(yù)制樁對承臺進行支撐，并對來自于管道上方的主要荷載進行承擔(dān)。具體施工過程中，可以沿著管線的縱向，在管線兩側(cè)各打一排預(yù)制樁，預(yù)制樁直徑為1 000 mm。這種方案的施工方法比較簡單，工期比較短，施工速度快，但是在施工過程中可能會導(dǎo)致管道兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力突變情況，進而引起管道的徑向變形。且因為管線處在預(yù)制樁的中上部，預(yù)制樁需要沿著管線的方向進行施工，所以為了對沉樁造成的周圍土體應(yīng)力變形影響作出準(zhǔn)確計算，可以采用圓柱形孔的擴張理論對預(yù)制樁施工和原來管線之間的安全距離進行分析，如圖3所示。

圖3 圓柱形孔的擴張理論模型圖

在對塑性區(qū)域半徑進行計算的過程中，可以應(yīng)用以下的公式進行計算：

式中，土模量用E來表示;樁半徑用r來表示;土泊桑比用μ來表示;樁周圍飽和圖不排水抗剪強度用Cu來表示[3]。

經(jīng)過計算可知，塑型區(qū)的半徑應(yīng)該在7.2 m左右。要想滿足施工過程中預(yù)制樁和管線之間的安全距離，上部的承臺和預(yù)制板就應(yīng)該和大地之間建立起比較大的剛度構(gòu)件，預(yù)制樁的長度也會很長，這樣的情況就會進一步加大預(yù)制樁施工過程中的偏斜風(fēng)險。

2)灌注樁和承臺加預(yù)制板的加固處理方案。將鋼筋混凝土承臺修建在堤壩下的管道上方，通過混凝土灌注樁對承臺進行支撐，并對來自于管道上方的主要荷載進行承擔(dān)。具體施工過程中，可以沿著管線的縱向，在管線兩側(cè)各打一排預(yù)制樁，預(yù)制樁直徑為600 mm。因為這種方案所應(yīng)用的是灌注樁，而不是擠土樁。所以通過這一方案的應(yīng)用，可以有效解決上述方案施工過程中對原來管線的不利影響，施工過程中，灌注樁和管線之間的距離只有2.5 m，這就在很大程度上縮短了承臺和預(yù)制板的跨度，并保障了樁長徑比的合理性，可有效控制專輯施工過程中對管線所代帶來的風(fēng)險，且實現(xiàn)工程造價的進一步節(jié)約。但是在該方法的應(yīng)用過程中，灌注樁的成樁時間比較長，且需要很長的時間進行水下養(yǎng)護。

3)復(fù)合地基的加固處理方案。在原有管道兩側(cè)20 m范圍之內(nèi)，通過高壓旋噴樁和水泥土攪拌樁來進行壩基土地的加固處理，這樣就可以在此范圍之內(nèi)構(gòu)建起一個矩形的復(fù)合地基。在圍堤、平臺以上以及管道的兩側(cè)矩形投影范圍之內(nèi)，可以通過高壓旋噴樁來進行加固處理，將其布置成正方形，樁與樁之間的距離是2 m，樁徑是600 mm，樁長度是20 m，在剩余的范圍之內(nèi)，可以通過水泥土攪拌樁來進行加固處理，將其布置成梅花形，樁與樁之間的距離是2 m，樁直徑是600 mm，樁長度是20 m。這種方案的施工十分簡單，但是在施工過程中，為了讓土體所受到的負(fù)荷得到合理控制，就需要對壓縮模量做出較大的處理，保障其沿線的埋設(shè)深度一致。但是因為本次工程的水庫壩體屬于階梯狀壩體，所以就有著比較大的附加應(yīng)力，這樣的情況就很容易導(dǎo)致理論沉降計算和實際沉降都存在誤差。

通過對以上三種加固處理方案的對比分析，并結(jié)合本次工程的實際情況，施工單位最終確定用第二種方案進行本次工程的加固處理。因為該方案的風(fēng)險性最低，且經(jīng)過沉降監(jiān)測和管線變形監(jiān)測可知，通過該方案進行加固處理，壩體的實際變形監(jiān)測數(shù)據(jù)和理論計算值十分接近。由此可見，該方案在本次工程之中十分適用。

4 加固處理方案的優(yōu)化措施

1)優(yōu)化方案一。為實現(xiàn)工程造價的合理控制，在具體方案設(shè)計過程中，考慮到平臺標(biāo)高不同所施加到管線上的附加應(yīng)力也有所不同，所以在樁長的選擇上也應(yīng)該有所不同，并注意布設(shè)的合理性，進而讓管線的縱向理論變形值和相關(guān)規(guī)程的允許曲率盡量接近，允許曲率半徑是3 000D以上[4]。具體情況如圖4所示。

圖4 布樁斷面圖

同時，在施工過程中，也需要在承臺板之下的左右兩側(cè)各預(yù)留出大約20 cm的預(yù)沉降層，這樣就可以對堤壩下沉帶給原來管線的影響起到一個抵消作用，并將堤壩原來的計算沉降量放寬，使其從原來的10 cm放大到25 cm，通過沉降層來抵消增量，這樣就可以將管線的最大變形值控制在100 mm以下。

2)優(yōu)化方案二。因為壩體的施工以及管線的保護都需要在臨時性的圍堰之內(nèi)進行，所以在具體的施工過程中，為保障圍堰高度和長江低潮水位要求相符，一次來實現(xiàn)施工成本的最大化節(jié)約，施工單位可以分別按照Φ600和Φ800這兩種樁徑進行布樁，以此來對管線進行保護，并合理比較工程的綜合費用。

根據(jù)現(xiàn)場施工分析發(fā)現(xiàn)，雖然應(yīng)用直徑為Φ600的灌注樁會比應(yīng)用直徑為Φ800的灌注樁節(jié)約很多的費用，但是因為Φ800的基樁數(shù)量比較少，且施工工期比較短，可以在長江低水位的季節(jié)之內(nèi)完成施工，這樣就可以節(jié)約更多的費用。

因此，通過綜合考慮，在本次工程之中，應(yīng)用直徑為Φ800的灌注樁進行加固處理，壩體的高程分別是7.3、4.5、2 m，其平臺所對應(yīng)的灌注樁長度分別是38、28、18 m，樁基的承臺梁在樁頂縱向設(shè)置，其跨度是1 m，高度是0.8 m。根據(jù)堤壩的分級將其劃分成六段，將旋噴止水的間距預(yù)留在承臺中心，并將單向的現(xiàn)澆筑平臺板設(shè)置在承臺梁上，厚度是1 m，高度是0。在承臺下部的左右兩側(cè)各預(yù)留出大約200 mm的沉降層，樁基中心的最大沉降值是255 mm。

5 結(jié) 語

綜上所述，本次以某實際工程為例，分析了大面積堆載管線對沉降的影響，并通過不同方案的比對來確定了合理的保護措施，同時也對該保護措施的優(yōu)化方案進行了分析。該工程已經(jīng)完成了近兩年時間，通過每個月的實測發(fā)現(xiàn)，管線位置的沉降量與相關(guān)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)完全相符，管線運行一切正常。希望本次的分析可以為類似工程的設(shè)計與施工提供出一定的幫助。

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