濱海地區(qū)船閘引航道下覆管涵沉降及變形控制研究

潘國華，鄒坤壹，阿比爾的，劉明維，孔增增

(1. 杭州交投建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州 310004； 2. 重慶交通大學(xué) 國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074)

管涵是將城市污水、雨水進(jìn)行有序收集、運輸和治理的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1]，其由多節(jié)混凝土箱體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，具有跨度長等特點。管涵結(jié)構(gòu)可以防止外力荷載、地下水及土壤中的腐蝕性物質(zhì)與管線接觸，增強了內(nèi)部管線的安全性，但結(jié)構(gòu)本身易受到地基沉降的影響。陳曉偉等[2]基于數(shù)值模擬方法對盾構(gòu)隧道下穿鐵路箱涵橋變形進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)箱涵結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)會出現(xiàn)較大的沉降差。陳偉等[3]的研究發(fā)現(xiàn)：混凝土箱體不均勻沉降會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)縫處止水材料破壞，會出現(xiàn)漏水和結(jié)構(gòu)開裂現(xiàn)象。管涵整體沉降和箱體不均勻沉降過大，都會影響結(jié)構(gòu)的正常使用，因此有必要采取合理的沉降控制措施。

對于濱海軟土地區(qū)，其地基具有含水量高、強度低、壓縮性大等特征，工程中常因軟土地基的沉降、失穩(wěn)而引發(fā)工程事故[4]，軟土地基下管涵沉降變形及控制問題顯得尤為突出。管涵作為城市的基礎(chǔ)設(shè)施，不可避免地會受到其他環(huán)境荷載和在建工程影響，相關(guān)學(xué)者已對管涵類似結(jié)構(gòu)在車輛荷載、地鐵隧道施工荷載下的變形特性進(jìn)行了研究[5-8]，但在船閘引航道施工中對下覆管涵變形影響及沉降控制的研究較少。筆者依托京杭運河溝通錢塘江第二通道的八堡船閘下覆管涵工程，通過現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬相結(jié)合方法，對濱海軟土地區(qū)上跨引航道管涵結(jié)構(gòu)在不同施工荷載下的沉降變形規(guī)律和樁基處理下的沉降控制效果進(jìn)行了研究。

1 小應(yīng)變塑性硬化模型

筆者采用數(shù)值模擬方法對濱海地區(qū)管涵施工全過程進(jìn)行仿真模擬。選用合理的土體本構(gòu)模型和模型參數(shù)是提高模型準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

在巖土數(shù)值計算中，常用的本構(gòu)模型包括線彈性模型和理想彈塑性模型。線彈性模型遵從虎克定律，其參數(shù)僅有彈性模量E和泊松比υ，由于線彈性模型不能考慮土體的塑性變形行為，因此該模型不適用于分析基坑開挖過程中的土體變形。Mohr-Coulomb模型是一種理想彈塑性模型，在巖土工程數(shù)值計算中應(yīng)用廣泛，該模型能較好地反應(yīng)土體的破壞行為，但由于M-C模型只采用單一模量，會高估土體回彈變形，從而影響計算結(jié)果準(zhǔn)確性[9-10]?；诖耍P者選取塑性硬化模型進(jìn)行數(shù)值分析。

在實際工程中，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，周圍土體處于小應(yīng)變狀態(tài)[9]，土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈非線性關(guān)系，在小應(yīng)變狀態(tài)的土體模量較大，并隨著剪切應(yīng)變的增大而減小，呈“S”型[11-12]，如圖1。

圖1 模量退化曲線和典型應(yīng)變范圍Fig. 1 Modulus degradation curve and typical strain range

(1)

式中：G0為初始剪切模量；v為泊松比；c′為有效黏聚力，kPa；φ′為有效內(nèi)摩擦角，(°)；σ3為最小壓縮主應(yīng)力，kPa；pref為參考壓力，kPa，通常情況下pref=100.0 kPa；m為冪指數(shù)，通常情況下m黏土≈1；m沙土≈0.4～0.9。

2 管涵交叉施工模型

2.1 工程概況

京杭運河溝通錢塘江第二通道的八堡船閘下覆管涵工程采用明挖順作法施工，全長為630 m。管涵采用雙艙矩形框架結(jié)構(gòu)，寬14 m，高6.5 m，管涵頂板厚度1.1 m，底板厚度1.2 m，側(cè)板厚度0.7 m，管涵上覆土3.0～11.2 m，約25 m設(shè)置一道變形縫，如圖2?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)主要采用鉆孔灌注樁樁+止水帷幕和SMW工法樁，不同樁號段采用不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的形式。樁頂設(shè)置冠梁，通過加設(shè)混凝土支撐和鋼支撐來維持管涵基坑的穩(wěn)定，管涵基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)斷面如圖3。

圖2 管涵結(jié)構(gòu)斷面Fig. 2 Cross section of pipe culvert structure

圖3 管涵基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)斷面Fig. 3 Cross section of enclosure structure of foundation pit of pipe culvert

管涵和船閘的相對位置如圖4。管涵與在建的八堡船閘下閘首相距130 m，管涵工程和船閘工程均為在建工程，存在時空關(guān)系。管涵主體結(jié)構(gòu)施工結(jié)束，回填上覆土后，再進(jìn)行船閘主體結(jié)構(gòu)和引航道段的開挖，引航道底部距管涵上頂板2.6 m。

圖4 管涵與八堡船閘的相對關(guān)系Fig. 4 The relative relation between pipe culvert and Babao Ship Lock

管涵上覆引航道兩側(cè)采用重力式擋墻結(jié)構(gòu)，位于樁號K0+130～K0+160和K0+260～K0+285段，后方用填土進(jìn)行回填，如圖5。為避免引航道兩側(cè)箱體受堆載作用產(chǎn)生過大的沉降，引航道下覆管涵地基采用樁徑為1 000 mm，橫向間距為4 m，縱向間距為5 m的鉆孔灌注樁進(jìn)行加固，樁基處理深度為20 m。

圖5 管涵下穿航道段Fig. 5 The pipe culvert crossing the channel section

2.2 模型建立

筆者基于FLAC3D有限差分軟件，建立了三維數(shù)值分析模型，計算了管涵結(jié)構(gòu)在整個交叉施工過程中沉降變形的規(guī)律。以K0+000～K0+317.5段管涵作為研究對象，其中K0+160～K0+265段為引航道開挖段，模型深度為70 m。管涵基坑開挖寬度為14 m，基坑深度為9.5～17.7 m，為消除模型邊界對計算結(jié)果的影響，基坑兩側(cè)寬度為50 m，整個有限元模型尺寸為317.5 m×114 m×70 m。模型四周采用面上位移約束來限制其水平方向位移，地表為自由邊界，底部為固定邊界，如圖6。模型網(wǎng)格采用四面體型，對管涵及附近土體的網(wǎng)格采取增大單元劃分密度，提高計算精度；對模型四周和底部采取增大單元劃分密度，在保證計算精度情況下節(jié)省計算時間，提高計算效率。

圖6 三維數(shù)值分析模型Fig. 6 Three-dimensional numerical analysis model

2.3 材料本構(gòu)模型及參數(shù)選取

土體材料使用小應(yīng)變塑性硬化模型，土體參數(shù)及地質(zhì)勘探見文獻(xiàn)[13]。圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要由SMW工法樁、鉆孔灌注樁和水泥攪拌組成，圍護(hù)樁采用實體單元模擬，采用線彈性模型[14]。管涵主體材料為C35混凝土，與周圍土體相比，其材料剛度較大，因此管涵結(jié)構(gòu)也采用線彈性模型。

管涵結(jié)構(gòu)縫處的止水材料強度較低，不考慮止水材料對兩側(cè)箱體的約束作用。管涵外壁與土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間通過interface單元來建立接觸關(guān)系；管涵基坑內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)和底部樁基采用結(jié)構(gòu)單元，其中支撐結(jié)構(gòu)采用beam單元，樁基采用pile單元；結(jié)構(gòu)單元中的節(jié)點(node)可與周圍的實體網(wǎng)格(zone)或其他結(jié)構(gòu)節(jié)點建立連接(link)。通過連接實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和巖土體(結(jié)構(gòu))，與其它結(jié)構(gòu)相互作用[15]，采用簡單單元形式便可對復(fù)雜結(jié)構(gòu)體進(jìn)行模擬。

通過面積換算水泥土和型鋼的等效模量，得到SMW工法樁的彈性模量和密度參數(shù)[16]。相關(guān)材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1、表2。

表1 土體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical property parameters of soil mass

表2 結(jié)構(gòu)材料物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of structural materials

3 模型計算結(jié)果與討論

3.1 模型計算工況

整個管涵施工主要包括管涵基坑開挖、上覆土回填和引航道開挖等。為分析管涵結(jié)構(gòu)在整個施工過程的沉降變形規(guī)律，筆者建立的模型計算工況如表3。

工況1為地應(yīng)力平衡，通過該步驟對模型賦予初始的地應(yīng)力狀態(tài)；工況2～工況4為管涵結(jié)構(gòu)的施工過程，是從基坑開挖、管涵結(jié)構(gòu)施工和管涵基坑回填的整個過程；工況5～工況6為管涵后續(xù)所受的施工荷載作用，包括擋墻施工和上覆引航道開挖。目前管涵工程已經(jīng)完成上覆土回填工作(工況4)，引航道段施工尚未進(jìn)行，筆者采用數(shù)值模擬方法對管涵整個施工過程進(jìn)行模擬，并分析管涵結(jié)構(gòu)在不同施工荷載下的變形效應(yīng)。

表3 模型計算工況Table 3 Model calculation condition

3.2 模型驗證

地應(yīng)力平衡后，對管涵基坑開挖部分賦予“空模型”，通過激活beam單元來實現(xiàn)基坑開挖和支撐的過程。激活K0+130～K0+160和K0+265～K0+290段基坑底部的pile單元實現(xiàn)該處的樁基處理過程；導(dǎo)入管涵模型于基坑底部，采用interface單元模擬管涵結(jié)構(gòu)與四周模型接觸。

圖7為工況3下的沉降位移云圖。在管涵自重作用下，模型出現(xiàn)了整體沉降，基坑邊緣地表沉降最大，土體位移主要集中于管涵結(jié)構(gòu)和基坑附近；隨離基坑距離增加，地表沉降逐漸減小，在模型邊緣處地表沉降量量級在10～4 mm，沉降量較小證明了模型邊界范圍選取合理。

圖7 模型沉降位移云圖Fig. 7 Model settlement displacement nephogram

3.2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

圍護(hù)結(jié)構(gòu)在主動土壓力和管涵荷載的作用下產(chǎn)生水平位移的實測和數(shù)值模擬結(jié)果如圖8。其中：管涵基坑底部開挖面對應(yīng)圖8(a)的-9.5 m和圖8(b)的-14.3 m處。由圖8可知：底部開挖面以下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)受被動土壓力作用水平位移較??；底部開挖面以上，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移較大，且最大水平位移位于開挖面附近[17]，數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果一致，并在數(shù)值上擬合程度較好。兩條位移曲線在圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂端存在差異(圖3)，頂端采用混凝土支撐對兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移進(jìn)行約束，對于多道內(nèi)支撐體系基坑，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移主要呈拋物線型位移和組合位移[18]，數(shù)值模擬結(jié)果與理論相符。實測圍護(hù)結(jié)構(gòu)端部有較大的水平位移，考慮可能是現(xiàn)場施工導(dǎo)致混凝土支撐未充分發(fā)揮其支撐作用，位于-5.1 m處的第二道鋼支撐對兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移進(jìn)行了約束，控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生過大的水平位移。

圖8 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移Fig. 8 Horizontal displacement of enclosure structure

3.2.2 地表沉降

地表沉降現(xiàn)場實測結(jié)果和數(shù)值模擬如圖9。由圖9可知：地表沉降呈凹槽型，最大沉降在基坑邊緣附近。K0+000～K0+075段現(xiàn)場實測地表沉降，隨著距基坑距離增加，地表沉降逐漸減小，與數(shù)值模擬結(jié)果擬合較好；K0+150～K0+275段數(shù)值模擬結(jié)果稍大于現(xiàn)場實測結(jié)果。這兩種結(jié)果的地表沉降變化趨勢一致，擬合程度能較好驗證了計算模型的合理性。

圖9 地表沉降Fig. 9 Surface settlement

3.3 堆載作用下管涵變形效應(yīng)

3.3.1 上覆荷載作用下的管涵不均勻沉降規(guī)律

圖10為在基坑回填土和上覆引航道擋墻作用下的沉降變形曲線。

圖10 無樁基處理下管涵沉降位移Fig. 10 Settlement displacement of pipe culvert without pile foundation treatment

由圖10可知：工況4中，管涵受上覆回填土影響會產(chǎn)生較大沉降，其中K0+100～K0+317.5段箱體沉降較大，平均沉降量為63.8 mm；工況5中，經(jīng)過上覆引航道擋墻施工后，K0+100～K0+317.5段箱體沉降繼續(xù)增大，引航道擋墻下覆箱體的沉降最大為84.6 mm。根據(jù)規(guī)范要求[19-21]，對于中、低壓縮性土，管涵平均允許沉降量為60 mm[3]。管涵在工況4、5的堆載作用下平均沉降量都大于允許值，故需對管涵沉降進(jìn)行控制。

3.3.2 樁基處理下管涵沉降變形規(guī)律

為避免箱體受堆載作用產(chǎn)生過大沉降，對引航道下覆管涵地基采用鉆孔灌注樁進(jìn)行加固，樁徑為1 000 mm，樁長為20 m，橫向間距為4 m，縱向間距為5 m。圖11為地基處理加固下管涵的整體沉降變形曲線。

圖11 地基加固下管涵沉降位移Fig. 11 Settlement displacement of pipe culvert under foundation reinforcement

由圖11可知：K0+000～K0+100段管涵上覆填土較淺，所受堆載較小，沉降相對均勻，沉降量為30～45 mm；K0+100～K0+317.5段箱體出現(xiàn)不均勻沉降，其中K0+130～K0+160和K0+265～K0+290段地基有樁基加固，該處箱體沉降較小，沉降量約為20 mm；K0+160～K0+185和K0+240～K0+265段箱體因地基處理存在差異從而產(chǎn)生較大的不均勻沉降，不均勻沉降量分別為66.0、67.9 mm。與無樁基處理下管涵結(jié)構(gòu)的沉降相比，對擋墻下部管涵地基進(jìn)行樁基處理可減小結(jié)構(gòu)沉降。

對管涵廊道內(nèi)部進(jìn)行觀測發(fā)現(xiàn)：結(jié)構(gòu)縫處兩側(cè)箱體存在沉降差，筆者對管涵底板四個腋角處結(jié)構(gòu)縫沉降差進(jìn)行了統(tǒng)計。圖12為箱體結(jié)構(gòu)縫處沉降差的數(shù)模計算值與實測平均值。

圖12 箱體結(jié)構(gòu)縫的沉降差Fig. 12 Settlement difference of box structure joint

由圖12可知：K0+025、K0+050和K0+075處結(jié)構(gòu)縫沉降差較小，這是因為K0+000～K0+100段的箱體沉降相對均勻，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果接近；沉降差最大位置均出現(xiàn)在K130處，現(xiàn)場實測結(jié)果稍大于數(shù)值模擬結(jié)果，但整體趨勢一致。數(shù)模結(jié)果顯示：K0+100、K0+165和K0+240處的結(jié)構(gòu)縫沉降差均較大，且位于地基處理差異處，這說明了沉降差伴隨著箱體的不均勻沉降出現(xiàn)，且箱體不均勻沉降越大，箱體結(jié)構(gòu)縫處的沉降差越大。

3.4 引航道開挖卸載下管涵沉降變形效應(yīng)

3.4.1 引航道開挖下管涵整體沉降規(guī)律

工況6為上覆引航道段開挖過程，其開挖深度為8.5 m，橫向長度為114 m，縱向長度為115 m。計算時，引航道延橫向均分為6段開挖，每段開挖長度延模型橫向為19 m。圖13為引航道開挖下管涵的沉降變形，引航道段土體開挖卸載對K0+000～K0+100段箱體影響較小，該段沉降均勻；對K0+100～K0+317.5段箱體的影響較大。其中K0+100～K0+160和K0+265～K0+317.5段箱體受上覆擋墻和墻后回填土作用，在引航道開挖后沉降有所增加；K0+160～K0+265段箱體位于引航道正下方，在開挖過程中產(chǎn)生了向上的位移。

圖13 引航道開挖下管涵沉降變形Fig. 13 Settlement deformation of pipe culvert under excavation of approach channel

K0+160～K0+265四段箱體的平均沉降，如圖14。各箱體隨引航道開挖卸載作用，沉降均表現(xiàn)為向上的位移。在引航道第3、4段開挖時，箱體沉降變化最顯著，說明航道開挖段距離箱體越近，箱體受到的開挖卸載影響越大，管涵回彈變形越大。

圖14 引航道下方箱體平均沉降Fig. 14 Average settlement of box under approach channel

3.4.2 引航道段開挖下箱體沉降差

引航道開挖后箱體結(jié)構(gòu)縫處的沉降差如圖15。沉降差最大位置是K0+130處，為11.4 mm；與工況4相比，各結(jié)構(gòu)縫處的沉降差均有所減小，隨著引航道土體卸載作用，管涵不均勻沉降得到減緩，從而減小了箱體結(jié)構(gòu)縫處的沉降差。

圖15 引航道開挖下箱體結(jié)構(gòu)縫沉降差Fig. 15 Settlement difference of box structure joint under approach channel excavation

4 結(jié) 論

1)筆者建立了濱海地區(qū)綜合管涵與內(nèi)河大型水運設(shè)施交叉施工的分析模型，利用小應(yīng)變塑性硬化模型，實現(xiàn)了管涵施工全過程仿真模擬，數(shù)值模擬計算結(jié)果與實測結(jié)果擬合良好。

2)在上覆回填土和引航道擋墻荷載作用下，下沙路管涵平均沉降量超過允許值60 mm，需要對管涵的變形進(jìn)行控制。

3)采用灌注樁進(jìn)行地基處理后，管涵整體沉降明顯減小，但地基處理差異段箱體會產(chǎn)生不均勻沉降，結(jié)構(gòu)縫會出現(xiàn)沉降差現(xiàn)象；受到引航道開挖卸荷影響，箱體不均勻沉降和結(jié)構(gòu)縫處沉降差均減小，有利于管涵穩(wěn)定性。航道開挖段距離管涵越近，箱體受到的開挖卸載影響越大，管涵回彈變形越大。