道路上跨影響下的地下管道沉降特性研究

蔡新森

（中交城鄉建設規劃設計研究院有限公司，湖北 武漢）

引言

隨著我國交通事業的發展，工程施工不可避免的會對周邊建筑產生影響。為了研究施工過程對建筑的影響，減少對周邊建筑的破壞，學者們進行了大量研究。

孫祖望等人提出了雙向自由度動力學模型[1]；楊人鳳等人建立了沖擊+振動+靜碾復合動態系統模型[2]；陳超通過試驗，分析了振動壓路機對不同土質填土壓實度的影響[3]；楊興哲等人通過室內試驗結合數值模擬的方法，研究了低路堤施工對周圍結構的影響[4]；馮牧、雷曉燕等人通過模型分析，研究了列車行駛影響下的建筑物振動特性[5]；王繼倫等人通過試驗和數值分析，研究了煤矸石路基的工程力學特性[6]；王艷等人通過有限元模型，分析了土中應力隨土體深度的變化規律[7]；肖偉等人通過研究得到了振動輪- 土體的動力學微分模型[8]；張志峰等人通過研究得到了振動壓路機下土體豎向應力的能量分布圖[9]；軒振華等人通過有限元模型，分析得到了填土在不同振頻下的應力分布規律[10]；徐冉通過建立仿真模型，進行了壓路機的減震性能研究[11]；張少宏、王勇、陳華衛等人通過研究粗粒土的流變特性，提出了相應的流變本構模型[12-14]。

隨著雄安新區進入大規模建設階段，道路建設中跨越地下管道的情況越來越多，為響應政府降本增效的政策，指導今后相似工程的建設，對地下管道在道路施工影響下的變形特性進行研究顯得愈發重要。

1 數值模型的建立

本文基于雄安新區EA1 西段工程，建立了有限元模型。土體采用摩爾- 庫倫本構模型，混凝土與鑄鐵采用彈性本構模型，材料參數如表1。

表1 模型材料參數

管道位于橋跨正中與路線正交，頂部距地面2 m，直徑2 m；樁基為圓樁，樁徑1.2 m，樁長40 m，樁間距4 m；橋梁跨徑10 m。取模型長度、寬度、高度均為50 m，并將梁板和行車荷載等效為均布荷載處理，見圖1-2。

圖1 模型整體圖

圖2 鉆孔灌注樁及管線單元剖面圖

2 模型計算

2.1 計算階段的劃分

根據工程的施工和運營程序，將計算過程劃分為幾個階段：（1） 初始階段：生成模型，初始地應力平衡；（2） 樁基施工階段：建立樁基構件；（3） 路基、橋臺施工階段：建立路基與橋臺構件；（4） 橋梁施工階段：在橋臺上施加橋梁上部荷載；（5） 運營階段：施加行車荷載。

2.2 模型計算結果

本文通過調整道路寬度和橋下凈空高度建立模型，并對計算結果進行正交分析，計算結果如表2 所示。

表2 管道最大沉降

3 計算結果分析

3.1 地下管線隨橋下凈空高度的變形特性分析

在道路寬度一定的條件下，對管線隨橋下凈空高度的變形規律進行分析，其規律如圖3 所示。

圖3 管線最大沉降量隨橋下凈空高度的變化曲線

對圖中數據進行擬合，得到了在道路寬度一定時，管線最大沉降量隨橋下凈空高度變化的回歸模型如表3。

表3 管線最大沉降量隨橋下凈空高度變化的回歸方程

對上述回歸模型進行相關系數檢驗：當顯著性水平a=0.05 時，R=0.878；當顯著性水平a=0.01 時，R=0.959[15]，分析可知，上述回歸模型擬合所得的R 值均大于0.959，即橋下凈空高度與管線的最大沉降量具有十分顯著的線性關系，利用P 值進行檢驗，由于P 值均小于顯著性水平a，故可判定擬合所得的回歸模型在1.5≤x≤3.5 的范圍內成立。

3.2 地下管線隨道路寬度的變形特性分析

在橋下凈空高度一定的條件下，對管線隨道路寬度的變形規律進行分析，其規律如圖4 所示。

圖4 管線最大沉降量隨道路寬度的變化曲線

對圖中數據進行擬合，得到了在橋下凈空高度一定時，管線最大沉降量隨道路寬度的回歸模型如表4。

表4 管線最大沉降量隨道路寬度的回歸方程

對上述回歸模型進行相關系數檢驗：當顯著性水平a=0.05 時，R=0.878；當顯著性水平a=0.01 時，R=0.959[15]，分析可知，上述一元回歸模型擬合所得的R 值均大于0.959，即道路寬度與管線的最大沉降量具有十分顯著的線性關系，利用P 值進行檢驗，由于P 值均小于顯著性水平a，故可判定擬合所得的回歸模型在10≤x≤26 的范圍內成立。

3.3 多因素影響下的地下管線變形特性分析

經分析可知，管線的最大沉降量，同時受到橋下凈空高度與道路寬度的影響，故對管線進行多因素變形特性分析，發現其變形規律如圖5。

圖5 多因素作用下的管線沉降變形特性

對變形規律進行多因素回歸擬合，得到擬合關系如表5。

表5 管線最大沉降預測模型

對上述多元線形回歸模型進行相關系數檢驗，經查相關系數的臨界值表：當顯著性水平a=0.05 時，R=0.878；當顯著性水平a=0.01 時，R=0.959[15]，分析可知，上述多元回歸模型擬合所得的R 值大于0.959，利用P 值進行檢驗，由于P 值小于顯著性水平a，故可判定該回歸模型在10≤x≤26 且1.5≤y≤3.5 的范圍內成立。

4 結論

本文通過建立三維有限元模型進行分析，研究了道路施工影響下的管道沉降變形特性。得出結論與建議如下：

（1） 在道路寬度一定的情況下，管線的最大沉降量與橋下凈空高度呈正相關，并得到了一元線性回歸方程。

（2） 在橋下凈空高度一定的情況下，管線的最大沉降量與道路寬度呈正相關，并得到了一元線性回歸方程。

（3） 通過多因素回歸分析，得到了在橋下凈空高度與道路寬度雙因素影響下的，管線最大沉降量的預測方程。

（4） 本文的研究成果僅適用于本項目，建議類似項目建設時僅可作為參照，應根據工程的具體情況進行針對性分析。