明挖法地下综合管廊预拌水泥土回填理论分析研究

明挖法地下综合管廊预拌水泥土回填理论分析研究

宋东清李威陆长兵

南京市浦口新城开发建设有限公司江苏省南京市211800

摘要：本文着重介绍了明挖地下综合管廊预拌流态水泥土回填后的理论沉降分析研究，分析总结了管廊因基槽回填达不到设计压实度的情况下，回填预拌流态水泥土后的沉降分析。

关键词：综合管廊;预拌水泥土;沉降;回填

TheoreticalAnalysisandResearchonPre-mixedCement-soilBackfillforUndergroundComprehensivePipelineGallerybyOpen-cutMethod

Abstract：Inthispaper,thetheoreticalsettlementanalysisofpre-mixedfluidizedcement-soilbackfillingforopen-cutundergroundcomprehensivepipelinegalleryisintroduced,andthesettlementanalysisofpre-mixedfluidizedcement-soilbackfillingforpipelinegalleryisanalyzedandsummarizedwhenthedesigncompactnessisnotreached.

Keyword：Utilitytunnel;cementsoil;settlement;backfill

1、引言

综合管廊在整合城市地下管线，保障管线安全，减少路面开挖，集约利用地下空间等方面发挥了重要作用。近几年，国务院高度重视推进城市地下综合管廊建设，2013年以来先后印发了《国务院关于加强城市基础设施建设的意见》、《国务院办公厅关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》。2015年又印发《关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》加大力度部署开展城市地下综合管廊建设工作。除此之外住建部、发改委、财政部等相关部门也都已经下发相关文件，支持地下管廊建设，并在全国开展试点工作，在政策上和资金上给予大力支持。

管廊平面线形与所在道路平面线形一致，通常，干线设置于机动车道或道路中央下方，支线设置于人行道或非机动车道下方。管廊施工完成后，如何保证两侧回填土压实度和道路路基承载力是一个关键问题，因为只有保证压实度满足设计要求，才能确保路面恢复后不下沉、不开裂。而目前，在明挖法施工方式下，不同回填材料和方案存在着不同程度的问题与不足，此外，受城镇化建设持续快速推进的影响，城市中大量工程项目同步施工，而现有弃土场数量和容量无法满足施工现场弃土需求，造成大量弃土无处可弃的不良局面。

基于以上回填土施工中存在的问题，依托某综合管廊工程，通过在管廊基坑开挖土方内拌入水泥、矿渣等外加剂的方法，形成高强度、自密实、高抗渗、绿色环保的预制流态基坑回填土材料，以满足现场基坑施工回填的要求；同时，解决管廊基坑在开挖过程中产生大量弃土外运的难题，就地取材、变废为宝，大幅度降低成本，达到“减亏增盈”的目的，实现经济效益与社会效益双丰收。

2、计算分析方案

2.1模型概述

某综合管廊工程有如下图所示典型基坑，坑底相对标高7.3~7.5m，粉细砂底部标高22.8m，管廊底部有4米深双轴水泥土搅拌桩格栅加固区，加固区下部有14.4m-7.5m-4.0m=2.9m深淤泥质粉质黏土，底部是22.8-14.4=8.4m深粉细砂。土层参数依据图中右侧孔号获得。

现拟在坑底上部回填水泥土，报告主要分析回填水泥土在不同模量下地表沉降变化规律，从而对水泥土配比提供一定参考。

2.2模型建立

依据基坑剖面图简化几何模型如图2，基坑两侧已打入钢板桩并采用两道钢围檩加固，且基坑两侧土层参数不明，为便于分析计算，建模时边界条件设置为两侧水平方向位移约束，底部水平和竖直方向位移约束。

各部分材料物理性指标如表1所示，管廊和加固区用线弹性材料模拟，其他部分土体均采用理想弹塑性本构摩尔-库伦材料模拟，选用CPE4（四节点平面应变单元）计算分析，位移和力的收敛容差均为ABAQUS默认值。尤其需要注意的是地勘报告中并未给出弹性模量和泊松比具体数值，因此依据数值模拟经验此处弹性模量取压缩模量的2~5倍得出（最大可达10倍），泊松比取值同样依据经验取得，后续可根据现场实际情况调整。

假定回填水泥土更偏向于黏土而不是砂性土，管廊部分和加固区材料特性参照钢构物，地勘报告未给出的土层静止侧压力系数均取为0.5。完全没有依据的参数在表中高亮表示。有限元计算分析时，加固区以下土体认为已经沉降完毕。

参照《水泥土材料力学性能的试验研究》和《水泥土加固机理及材料性能》中建议水泥土50天后的弹性模量取值范围在60~600MPa之间，同时还分析了该值取10MPa和50MPa条件下的地表沉降量。

3.1最危险条件下地表沉降分析

此时各土层弹性模量取2倍地勘报告中的压缩模量，模型中加固区下方2.9m深淤泥质粉质黏土完全按照表1中取值。地表沉降量随回填水泥土弹性模量变化规律如表2所示，可见整体而言随着回填土弹性模量增大，地表沉降量显著减小，且从其变化规律而言，存在一个回填水泥土弹性模量最优值，当模量小于该最优值时，随着模量的不断增大，地表沉降量下降较快，而大于该最优值时，地表沉降量减小速率减缓直至几乎与弹性模量无关。此外，由图3可以发现，当回填土弹性模量较大时，几乎没有不均匀沉降，而当弹性模量较小时，基坑中部与基坑边缘存在一定量的不均匀沉降。

2.2最安全条件下地表沉降分析

此时各土层弹性模量取5倍地勘报告中的压缩模量，模型中加固区下方2.9m深淤泥质粉质黏土认为已挖空，用表1中粉细砂材料替代该层土体。此时地表沉降量随回填水泥土弹性模量变化规律如表3所示，可见地表沉降变化规律几乎和最危险情况下相同，此处不再赘述。

将表2和表3得到的计算结果整理可得图5，该图较为直观的反映了该模型计算得到的地表沉降随回填土弹性模量的变化规律，可见回填土弹性模量应该存在一个最优值。

4、结论

1、无地下水位等相关参数，无堆载产生超孔压，底部为强透水细砂层，因此模型中未考虑地下水下降及排水固结导致土层有效应力增大而造成的沉降。

2、仅计算坑底以上土体（包括加固区）回填后产生的沉降，管廊对下部土体载荷以其重力荷载替代，取该部分重度为25kN/m3。且为保证管廊部分不产生形变，设置其弹性模量为206GPa，可能与实际情况不相适应。

3、回填土参数设定为粘聚力c=15KPa，内摩擦角15°（此处认为水泥土更偏向于黏土而不是砂土）。

4、最安全条件下，即便各土层弹性模量取10倍压缩模量，水泥回填土弹性模量取600MPa时，地表沉降仍达6.415mm。该报告未研究土层弹性模量及泊松比取值变化情况对地表沉降的影响。

参考文献

[1]黄鹤,张俐，杨晓强，郭全全.水泥土材料力学性能的试验研究.太原理工大学学报,2000.11.

[2]刘正勇.水泥土加固机理及材料性能[D].山西建筑.2005.2.

[3]叶华洋，张伟锋，刘懿韬.地聚合物水泥土研究现状及应用发展前景.工程建设.2018.07.

[4]栗霞，沈兴刚，杜俊，杨叶秀，李丽蓉.废弃混凝土水泥土强度特性及固化机理研究.工程建设与设计,2018.01.

[5]GB50009—2012建筑结构荷载规范[S].

[6]GB50838—2015城市综合管廊技术规范[S].