路基填筑作用下埋地管道力學響應與施工管控措施研究

中圖分類號：U416.1 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.013

文章編號：1673-4874（2025）03-0046-04

0 引言

隨著城市化進程的加快和基礎設施建設的蓬勃發展，道路、鐵路等交通網絡的建設成為推動社會經濟發展的關鍵因素。埋地管道作為一種常見的地下設施，在路基填筑施工過程中產生的力學荷載往往會對鄰近埋地管道造成一定的影響，可能導致管道的變形、損傷甚至破裂，從而引發安全事故和經濟損失。因此，深入研究路基填筑作用下埋地管道的力學響應特性，并提出有效的施工管控措施，對于保障管道的安全運行具有重要意義。

針對地表堆載作用對埋地隧道、管道的力學響應分析，不少的研究學者已開展了研究。王虎等1基于實際工程案例，設計了三種不同的路基填土方案，探討三種路基施工方案下對下伏頂管隧道的整體位移和收斂變形趨勢；魏井申等2基于能量法研究了地表堆載引起鄰近隧道沉降，通過將隧道簡化為擱置于Pasternak地基上的Euler梁推導出系統的能量控制方程，利用變分法求解了方程，并研究了不同的參數變量下對隧道沉降的影響；梁榮柱等[3]基于非線性Pasternak地基模型和Boussineq公式推導了地表堆載作用下對下伏既有隧道的撓度表達式，結合具體的工程案例驗證了其模型的合理性；張芳等4以蘇州某區間盾構隧道為研究背景，建立了三維有限元數值模型，系統分析了不同地表堆載參數作用下對盾構隧道的變形規律；龔曉南等5將埋地管道擱置于Winkler彈性地基上，推導了地表堆載作用下管道力學響應，并基于有限差分算法求解了管道埋深與堆載大小等因素下對管道的變形影響；李揚等6基于有限元軟件建立三維有限元模型，研究了地表堆載對埋地的X70管道的力學響應安全性評估，耦合多種因素下分析了管道失效時的堆載強度，其研究結果可為埋地管道在堆載作用下的安全防護問題提供參考。

基施工填筑對下伏埋地管道的力學響應，并提出針對路基填筑作用下埋地管道的施工管控措施，減少因施工不當導致的管道損壞，保障地下管道的安全運行，同時為相關領域的工程技術人員提供參考。

工程概況

1.1 項目概述

云南省保山市昌保高速公路位于保山市，線路全長86.388km，路線起于鳳慶縣勐佑鎮與昌寧縣溫泉鎮交界處的光山村，經溫泉、昌寧縣城、柯街、丙麻、羊邑、正于下莊接保山市東南繞城高速公路，其后與保山市東南繞城高速公路共線至黑泥田（設計終點）接G56杭瑞高速公路。保山市昌保高速公路多次跨越“中緬油氣管線”，技術標準采用雙向四車道高速公路標準建設，設計時速為80km/h ，汽車荷載等級為公路一級。 180+175.82～ 1×26+800 段路基寬度為 26m，K26+800～K37+517.64 段路基寬度為25. 5m 。

選取典型的施工工況進行分析。以保山市昌保高速公路的 124+147～124+172 樁號為研究背景，該段路基樁號間為填筑路基，下伏既有 ×70 石油管道，管道與路基接近平行，且管道中心線與新建道路中心線接近重合，其路基路面與下伏既有 ×70 管道的位置關系剖面如圖1所示。

本文以保山市昌保高速公路為研究背景，基于ABQUS有限元軟件建立三維有限元模型，探討地表上路

路基填筑于既有管道的正上方，當地面承受路基堆載時，管道會出現下沉現象。此時，管道會受到上方土體的壓迫，同時受到堆載的重量影響，導致管道出現擠壓和彎曲變形。若地表路基堆載的荷載過大，管道的變形程度將加劇，嚴重時可能導致管道斷裂。

1.2管道應力失效強度

以X70管道為本文研究對象，取其 ×70 管道的屈服強度作為重點考察值，即對于管道失效的判斷，管道應力不應超過管道最低屈服強度的 80% ，即需滿足式（1）：

σlt;[σ]=0.8σ_s

式中： σ 管道的米塞斯應力/Pa;[σ] T 管道允許應力值/Pa；σ_s 一 管道材料最低屈服強度/Pa。根據廠家給的參數數據， ×70 管道的失效強度為388MPa，屈服強度為485 MPa， 0

2路基施工有限元模型的建立

2.1模型尺寸與基本假設

基于實際工程項目，運用ABAQUS軟件構建了新填筑路基與既有管道的三維有限元數值模型。根據圣維南原理，有限元模型的尺寸一般設定為施工區域大小的3～5 倍以上，以減少邊界條件對關鍵分析區域的影響。考慮到計算效率，所建立的有限元模型的長寬高尺寸最終確定為80 m×40m×30m ，如圖2所示

在數值模擬計算中，分析道路施工填筑對下伏既有管道的變形影響，需要對其做以下假設：（1）道路填筑前，其地基土已完成固結作用，且忽略模型受到地質構造力的影響；（2）地基土與路基填土滿足Mohr-Coulomb強度準則，管道則滿足彈線性本構；（3施工不受地下水影響；（4）道路在填筑施工的過程中，其材料力學參數不隨施工變化而變化。

2.2邊界條件與網格劃分

模型左右側限制法向位移面（限制 X 方向移動，U1=0） ；模型前后側限制法向位移面（限制 Y 方向移動， U2=0） ；固定模型的底部位移，即限制 X，Y 與 Z 的移動 U1=U2=U3=0） ；模型頂部為自由態。路基填筑與管道區域是該工程的重點分析對象，在對模型進行單元網格劃分時從道路與管道區域向模型四周由密至疏的原則劃分，該模型共劃分為53976個單元，60537個節點，且單元類型均為C3D8R類型實體單元。

2.3數值模擬施工步驟

為了獲取新建路基填筑施工作用對下伏既有管道的力學響應，本文數值模擬主要分為兩步模擬步驟。模擬步驟一：管道埋置于土層內部進行地應力平衡，且在管道內部施加 10MPa 的面壓力來模擬管道的內部壓力，使得地基土與管道在路基施工填筑前存在內應力；模擬步驟二：采用“生死單元\"模擬路基分層填筑，每層路基的填筑厚度為0 5～0.8m ，路基高度為3m，總共填筑5次。

2.4計算參數與接觸面設置

本文數值計算對管道與路面僅考慮其彈性階段，而地基與路基填土的材料力學性能具有明顯的非線性特征，數值計算中對土層均選用Mohr-Coulomb本構。根據依托工程項目的現場地質勘察報告和室內土工試驗，本次數值模擬計算參數如表1所示， ×70 管道尺寸參數如表2所示。

在有限元里，兩種不同屬性的材料相互作用需要設置合理的接觸面。本文對管道、路基填土與地基土等之間的接觸面采用庫侖摩擦接觸面進行表征，其中“罰函數（Penalty）\"的摩擦系數值設為 0.7^[7] 。

3有限元計算結果分析

3.1管道變形分析

外部荷載作用下，對鄰近現有結構的變形進行評估是衡量其安全性能的一項關鍵指標。路基填筑完成后對應的管道沉降與水平變形云圖如圖3所示。由圖3可知，路基填筑作用下管道的變形主要表現為沉降作用，管道的最大沉降值為19.83cm，最大水平位移值為-5.088mm（向管道外側位移）；地表路基施工填筑作用引起土體間擠壓，使下伏既有管道左右兩側均向外移動，造成管道發生橢變，如圖3（a）所示；地表路基堆載作用下，下伏既有管道拱頂變形大于其拱底，引起該現象主要緣于土層沿著深度方向發生壓力擴散作用。整體上，管道的沉降與水平變形沿著管線的縱向基本呈現一條直線。

3.2 管道應力分析

地表路基堆載施工完成后對應的下伏管道米塞斯應力云圖如圖4所示。由圖4可知，管道在路基填筑作用下，其內部的應力值呈現出“兩端大，中部小\"的現象，引起該現象的主要因素是管道兩端受到邊界擠壓作用。

3.3路基填料密度對下伏管道變形的影響分析

實際上，路基填料的密度可以進行人工控制，同時路基填料密度的大小直接影響作用在下伏既有管道的附加荷載值。參考《氣泡混合輕質土填筑工程技術規程》（CJJT177一2012）[8]，泡沫輕質土彈性模量隨其密度的增加而增加。因此，本文分別選取泡沫輕質土與普通填土（材料參數與表1內容相同）作為路基填料，通過數值模擬計算，探究這兩種填料密度對下伏既有管道的變形影響。在探究填料差異對管道變形時，控制其他的變量不變。數值模型中泡沫輕質土材料的計算參數如表3所示。

工后普通填土、兩種泡沫輕質土（密度為 500kg/m³ 和800 kg/m³ 路基對應的管道縱向沉降變形云圖如圖6所示。同時，擬合不同路基填料密度與管道最大沉降變形的曲線關系，如圖7所示。

如圖7所示為不同路基填筑材料下管道最大沉降變形關系的有限元計算結果和擬合曲線。其中， x 軸為路基填土密度， y 軸為對應管道最大沉降值。可以看到，隨著路基填土密度的增加，管道最大沉降值也逐漸增大，且擬合優度 R²=0.99 ，說明二者呈現良好的線性相關關系。其路基填筑密度與管道的最大變形關系表達如式（2）所示：

y=0.00 148+16.91x 式中： y 一 管道的最大沉降值/cm；x 一 一路基填料的密度/ （kg?m^-3 ）。

由圖6與圖7可知，隨著路基填料的密度值減小，其下伏管道的沉降變形值也逐漸減小。具體而言，當路基填料由普通填土（密度 1950kg/m³ 轉變為泡沫輕質土（密度800 kg/m³ 和 500kg/m³ ）時，管道的縱向沉降變形明顯減少。這一現象表明，采用低密度路基填料可以有效減輕管道的沉降負擔，對于保護下伏既有管道的結構完整性和功能穩定性具有重要意義。此外，圖6中的沉降變形云圖直觀地展示了不同密度填料下管道的沉降分布情況，可以看出普通填土由于其較高的密度，導致管道受到附加荷載值增大，產生了較為明顯的沉降變形；而泡沫輕質土由于其較低的密度，使管道的沉降變形得到了顯著的控制。圖7中的擬合曲線進一步量化了這一關系，揭示了路基填料密度與管道最大沉降值之間的線性相關性。

因此，在實際工程設計和施工過程中，應當根據地下管道的具體情況，合理選擇路基填料的類型和密度，以確保管道的安全運營和延長其使用壽命。

4施工管控措施研究

為了保障路基填筑施工過程中埋地管道的安全運行，減少管道變形和損傷，本文提出了以下幾種施工管控措施。

4.1優化路基填筑材料和施工方法

選擇低密度填料和控制填料含水量：采用泡沫輕質土等低密度填料可以有效降低路基填筑對下伏管道的附加荷載，從而減小管道的沉降和變形；同時，適當控制路基填料的含水量，避免填料過濕導致強度降低，進而影響路基穩定性和對管道的附加荷載。分層填筑，控制填筑速率：將路基填筑過程分為若干層，每層厚度控制在 ，并逐層壓實，確保路基的穩定性和均勻性；同時，控制填筑速率，避免對管道造成過大的沖擊荷載，導致管道變形或損傷。

4.2加強管道監測和變形控制

埋設監測點，定期巡檢：在管道上埋設位移計、應變片等監測設備，實時監測管道的沉降、水平位移和應力變化，及時發現異常情況并采取相應措施；定期對管道進行巡檢，檢查管道是否存在變形、破損等情況，及時發現并處理問題；設置隔離層或緩沖層；在路基填筑材料與管道之間設置隔離層或緩沖層，如土工布、泡沫板、砂石等，可以有效隔離路基填料對管道的直接作用，吸收路基填筑過程中產生的沖擊荷載，減小對管道的損害。

4.3完善施工方案和管理

制定應急預案，加強施工人員培訓：制定應對管道變形、破損等突發事件的應急預案，確保能夠及時有效地處理突發事件，保障管道安全運行；對施工人員進行安全培訓，提高施工人員的安全意識和操作技能，確保施工安全。加強與相關部門的溝通協調：與管道管理單位、設計單位、監理單位等相關部門加強溝通協調，共同制定施工方案，確保施工安全和管道安全。

通過采取以上施工管控措施，可以有效降低路基填筑對埋地管道的影響，保障管道的安全運行，避免安全事故和經濟損失。

5結語

本文以保山市昌保高速公路為研究背景，利用有限元軟件建立了三維數值模型，分析了路基填筑施工對下伏X70石油管道的力學響應，并提出了相應的施工管控措施，得出主要結論如下：

（1）路基填筑導致管道變形。路基填筑施工會對下伏管道造成沉降和水平位移，管道變形主要表現為沉降，并伴隨橢變現象。（2）管道應力安全。在本文研究工況下，管道的應力值未超過材料的允許應力值，滿足安全要求。（③路基填料密度影響。路基填料的密度對管道變形有顯著影響，密度越大，管道沉降變形越大。采用低密度填料可以有效減輕管道的沉降負擔，例如泡沫輕質土。（4）施工管控措施有效。通過優化路基填筑材料、加強管道監測、完善施工方案和管理等措施，可以有效降低路基填筑對管道的影響，保障管道安全運行。

另外，建議在實際工程中，應根據具體情況選擇合適的路基填料和施工方法，并加強管道監測和變形控制，確保管道安全。

參考文獻

[1王虎，葉勝，羅天霖，等.深厚軟土區地表附加荷載對頂管隧道變形的影響分析[J].現代隧道技術，2024，61（增刊1）：1011-1017.

[2魏井申，柴天建，郭文杰，等.基于能量法的地表堆載引起鄰近隧道沉降研究J.華東交通大學學報，2024，41（6）：28-34.

[3]梁榮柱，王理想，李忠超，等.地表堆載對既有盾構隧道縱向變形影響[J].建筑科學與工程學報，2023，40（3）：130-141.

4張芳，王露露，朱云桂，等.地面堆載作用下盾構隧道結構變形分析[J].科學技術與工程，2023，23（8）：3474-3481.

5龔曉南，孫中菊，俞建霖.地面超載引起鄰近埋地管道的位移分析[J].巖土力學，2015，36（2）：305-310

6李揚，葛華，湯明高，等.堆載作用下埋地管道應力影響因素及失效荷載研究[J.中國安全生產科學技術，2022，18（12）：33-42.

[7]孔祥武，姜峰林，劉賢旺.高烈度地震區域泡沫輕質土路堤穩定性分析[J].路基工程，2022（4）：144-149

[8]廣東冠生土木工程技術有限公司，深圳市政工程總公司.氣泡混合輕質土填筑工程技術規程：CJU/T177一2012[S.北京：中國建筑工業出版社，2012：68-76