軟土地層中電纜溝不均勻沉降控制措施研究

曹建偉 朱司丞 潘少良

(浙江省湖州電力設(shè)計(jì)院，浙江 湖州 313000)

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軟土地層中電纜溝不均勻沉降控制措施研究

曹建偉 朱司丞 潘少良

(浙江省湖州電力設(shè)計(jì)院，浙江 湖州 313000)

以浙江某地電纜改遷工程為背景，針對(duì)軟土地基中電纜溝產(chǎn)生不均勻沉降的問(wèn)題，提出了換填法和水泥攪拌樁法的地基處理方案，并采用有限元法對(duì)處理方案進(jìn)行了建模分析，認(rèn)為在軟土地層中根據(jù)地層分布情況酌情采用換填法或水泥攪拌樁法能夠有效控制電纜溝工后沉降，最后，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的工后一年沉降數(shù)據(jù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了該處理方案的有效性。

軟土地層，電纜溝，不均勻沉降，水泥土攪拌樁，有限元分析

0 引言

隨著城市化進(jìn)度的加快，不斷增加的城市電網(wǎng)需求和稀缺的工程建設(shè)空間的矛盾愈演愈烈。因此，電網(wǎng)線路的地下敷設(shè)方式逐漸成為趨勢(shì)，然而，在長(zhǎng)三角地區(qū)的軟土地層中，電纜溝或電纜隧道容易發(fā)生較大的沉降，影響電纜線路的正常運(yùn)行甚至存在安全隱患。

隨著軟土地基中電纜隧道的大量建設(shè)，許多學(xué)者對(duì)減小隧道沉降的工程措施進(jìn)行了研究和分析。林秀桂等[1]對(duì)軟土地基城市明挖隧道的不均勻沉降控制問(wèn)題進(jìn)行了研究，用有限元法對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，最終認(rèn)為樁隔離是有效的施工措施。寧茂權(quán)[2]以溫州市某隧道工程為例，對(duì)深厚軟土地層中明挖隧道基底隆起和回填加載沉降問(wèn)題進(jìn)行了研究，認(rèn)為可以通過(guò)符合地基處理將隆起和沉降控制在安全范圍內(nèi)，并提出了具體的工程措施。劉浩[3]針對(duì)軟土地基大覆土明挖隧道不均勻沉降的問(wèn)題，采用有限元法分析地基處理前后的沉降規(guī)律，提出鉆孔灌注樁能夠有效減少隧道沉降的結(jié)論。蒯行成等[4]應(yīng)用有限元軟件分析不同支護(hù)措施對(duì)淺埋隧道性狀和地表沉降的影響，認(rèn)為超前預(yù)支護(hù)措施可以適當(dāng)控制地層下陷和地表沉降。大量研究表明有限元法能夠較好地預(yù)測(cè)在施工過(guò)程中以及工后隧道的性狀以及地表沉降[5-8]。

本文依托于浙江某電纜改遷工程，針對(duì)其工后不均勻沉降問(wèn)題，提出相應(yīng)的工程措施，并通過(guò)有限元建模，分析工程措施的作用效果，最后，通過(guò)沉降監(jiān)測(cè)驗(yàn)證工程措施的有效性。

1 工程背景

該電纜改遷工程220 kV線處于太湖平原南部，天目山脈北東部，電纜溝沿線地層變化大，先后穿過(guò)中硬土、中軟土、軟弱土等工程性質(zhì)差別大的土層，沿線需經(jīng)過(guò)河流、下穿道路。全工程雙回路電纜3.51 km，電纜截面25 000 mm2。

電纜在綠化帶中采用電纜溝敷設(shè)，雙回路電纜呈兩個(gè)三角形布置，電纜軸間距450 mm，纜溝上方400 mm覆土。電纜穿越道路時(shí)采用現(xiàn)澆明挖隧道方式敷設(shè)，電纜軸間距450 mm，上方覆土1 m。電纜線路經(jīng)過(guò)河流時(shí)，采用電纜橋架方式敷設(shè)，線路明敷于橋架上并設(shè)置保護(hù)罩。電纜溝及隧道采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土，上蓋預(yù)制鋼筋混凝土蓋板，每隔50 m設(shè)置一道伸縮縫，縫內(nèi)設(shè)置剪力鍵，使變形平滑過(guò)渡。

2 沉降預(yù)測(cè)以及處理方案選擇

本文對(duì)地層性質(zhì)較差的14號(hào)～22號(hào)孔位置進(jìn)行沉降預(yù)測(cè)，地基固結(jié)沉降計(jì)算方法采用e—p曲線法，沉降計(jì)算分層厚度取0.5 m，沉降壓縮層判斷附加應(yīng)力與自重應(yīng)力比值判斷取不大于10%，沉降修正系數(shù)取1.3。路面下新覆土重度18 kN/m3取值，其余地質(zhì)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

計(jì)算得到的沉降值和管線斜率如圖1，圖2所示。從圖1，圖2中可以看出，超過(guò)一半的孔位斜率超過(guò)了安全限制值，說(shuō)明管線不均勻沉降現(xiàn)象十分嚴(yán)重。造成不均勻沉降的原因主要有以下幾點(diǎn)：1)管溝敷設(shè)方式突變，特別是橋架兩端接電纜溝節(jié)點(diǎn)和拖拉管與排管接點(diǎn)處，造成沉降差偏大；2)管溝沿線地質(zhì)變化較大，從西往東先后穿越中硬土、中軟土、軟土和中軟土場(chǎng)地，在地質(zhì)條件突變區(qū)域，差異沉降較大；3)由于規(guī)劃地面標(biāo)高抬高，新覆土厚度不一，填土厚度變化突變較大處，差異沉降較大。

表1 土層參數(shù)

管線不均勻沉降可能影響管線的正常運(yùn)維功能甚至存在安全隱患，必須采取一定的措施控制沉降量。

根據(jù)地勘報(bào)告可知，14號(hào)孔和19號(hào)孔～22號(hào)孔地層中存在1.6 m～5 m厚的淤泥層，其中14號(hào)孔位置淤泥層分布范圍不大，分布深度淺，最大厚度僅1.6 m，決定用級(jí)配良好的砂石采用挖除換填法處理，而19號(hào)孔～22號(hào)孔位間的電纜穿越規(guī)劃道路，考慮道路車輛地面附加荷載的影響，決定采用水泥土攪拌樁法進(jìn)行加固處理。

3 處理方案效果分析

本文利用有限元軟件對(duì)地基加固措施進(jìn)行模擬分析。換填法僅考慮地基處理對(duì)沉降量的影響，而進(jìn)行水泥土攪拌樁加固的19號(hào)～22號(hào)區(qū)段需穿越規(guī)劃道路，道路車輛的地面附加荷載可能導(dǎo)致電纜管溝的側(cè)移，需同時(shí)考慮處理措施對(duì)抗沉降和抗側(cè)移的作用。

3.1 換填法效果分析

在有限元軟件中建立地層尺寸為40 m×12.7 m的模型。土層本構(gòu)為摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則，參數(shù)根據(jù)勘察數(shù)據(jù)確定，如表1所示。換填時(shí)，將③b層淤泥置換為級(jí)配良好的砂土，有限元模型以及網(wǎng)格分割形式如圖3所示。

考慮地面附加荷載20 kPa，用軟件分別計(jì)算未換填和換填后的地層以及管溝沉降，考察換填法對(duì)減少管溝沉降的作用。計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

從有限元分析結(jié)果可以看出，若不采取換填措施，管溝的沉降達(dá)到了0.135 m，將管溝下方的淤泥層用換填砂置換后，沉降減少到了0.096 m，說(shuō)明換填能夠有效減少管溝下方軟弱土層的沉降。對(duì)下方有淤泥層且淤泥分布厚度和范圍均不大的情況，可以采用換填法以減少與其他位置的沉降差，從而將管線斜率控制在安全范圍內(nèi)。

3.2 水泥攪拌樁抗沉降效果分析

本文以22號(hào)孔為例，對(duì)水泥攪拌樁的抗沉降性能進(jìn)行有限元模擬分析，在有限元軟件中建立地層尺寸為40 m×20 m的模型，土層參數(shù)根據(jù)勘察數(shù)據(jù)確定，與表1一致。有限元模型以及網(wǎng)格分割形式如圖5所示，樁長(zhǎng)5 m。

考慮地面附加荷載20 kPa，用有限元軟件分別計(jì)算無(wú)樁、設(shè)置3 m樁和5 m樁后地層以及管溝的沉降，考察水泥攪拌樁對(duì)減少管溝沉降的作用。有限元分析結(jié)果顯示，不設(shè)置水泥攪拌樁時(shí)，管溝在上覆土自重和地面附加荷載的作用下，沉降值為0.435 m；設(shè)置3 m長(zhǎng)度的攪拌樁后，沉降值為0.373 m，設(shè)置5 m攪拌樁后，沉降值減小至0.279 m。設(shè)置攪拌樁前后的地層沉降如圖6所示。

3.3 水泥攪拌樁抗側(cè)移效果分析

為驗(yàn)證水泥攪拌樁對(duì)電纜溝抗側(cè)移的作用，分別分析無(wú)攪拌樁、電纜溝基底設(shè)置5 m長(zhǎng)攪拌樁、電纜溝基底及兩側(cè)均有攪拌樁三種工況下的地層位移和電纜溝位移。土層參數(shù)與表1所示一致。底部和兩側(cè)均設(shè)有攪拌樁的有限元模型以及網(wǎng)格分割形式如圖7所示。

考慮地面附加荷載20 kPa，附加荷載邊緣與管溝中心的水平距離為5 m，以此分析電纜溝在附近地面有附加荷載情況下的側(cè)移情況。有限元法分析結(jié)果顯示，基底和兩側(cè)均無(wú)攪拌樁時(shí)，在側(cè)方地面附加荷載的作用下，管溝側(cè)移距離為20.87 mm；當(dāng)?shù)鼗O(shè)置有攪拌樁時(shí)，管溝側(cè)移為12.63 mm；當(dāng)基底及兩側(cè)均設(shè)置有攪拌樁時(shí)，管溝側(cè)移減小至9.62 mm?？梢?jiàn)在管溝基底和兩側(cè)設(shè)置水泥攪拌樁能夠有效減小附近地面附加荷載對(duì)管溝的影響，減少管溝的側(cè)移。如圖8所示為設(shè)置攪拌樁前后地層位移情況。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

為了驗(yàn)證換填法和水泥攪拌樁法對(duì)管溝抗沉降的效果，對(duì)預(yù)測(cè)沉降較大的位置——14號(hào)孔～22號(hào)孔區(qū)段進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括地層分層沉降以及管溝沉降和管溝側(cè)移。本文每隔50 d左右對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)一年的固結(jié)排水，各測(cè)點(diǎn)的沉降已經(jīng)基本完成。如圖9，圖10所示為一年后各測(cè)點(diǎn)的沉降值和由此計(jì)算出的管線斜率。從圖9，圖10中可以看到，各點(diǎn)的實(shí)際沉降相比無(wú)措施情況下的預(yù)測(cè)值有明顯的減小，而各點(diǎn)的斜率值均在安全限制值以內(nèi)。這說(shuō)明換填法和水泥攪拌樁法有效減少了管溝的沉降，并顯著減弱了不均勻沉降的現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以浙江某220 kV電纜線路改造工程為依托，針對(duì)電纜溝不均勻沉降問(wèn)題提出一系列工程措施，并用有限元法對(duì)換填法和水泥攪拌樁法進(jìn)行模擬分析，最后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)地基處理措施效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到結(jié)論如下：

1)若不采取適當(dāng)?shù)鼗幚泶胧娎|管溝將產(chǎn)生嚴(yán)重的不均勻沉降，造成電纜溝沉降差的原因主要有：管溝敷設(shè)方式突變；管溝沿線地質(zhì)差異大；新覆土厚度差別較大等。

2)對(duì)下方有淤泥層且淤泥分布厚度和范圍均不大的情況，可以采用換填法以減少與其他位置的沉降差，從而將管線斜率控制在安全范圍內(nèi)。

3)在基底設(shè)置水泥攪拌樁能夠有效減小電纜溝在新覆土和地面附加荷載作用下的沉降，在電纜溝基底及兩側(cè)設(shè)置水泥土攪拌樁能夠有效減小電纜溝在附近地面附加荷載作用下的側(cè)移。

4)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)證明，工后一年管溝的沉降已基本完成，采取適當(dāng)?shù)鼗幚泶胧┖蠊軠系牟痪鶆虺两惮F(xiàn)象得到明顯改善，管溝斜率被控制在安全范圍內(nèi)。

[1] 林秀桂,李志剛.某軟土明挖隧道回填不均勻沉降控制技術(shù)研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2012(4):828-835.

[2] 寧茂權(quán).深厚軟土明挖隧道基底標(biāo)高變異及其控制措施研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2015(3):31-38.

[3] 劉 浩.軟土地區(qū)大覆土明挖隧道沉降變形規(guī)律研究[J].鐵道建筑技術(shù),2016(2):31-35.

[4] 蒯行成,楊海朋,茆秋華,等.支護(hù)措施對(duì)淺埋隧道性狀和地表沉降的影響[J].公路工程,2007(4):82-86.

[5] 張 旭.考慮土體—隧道共同作用的盾構(gòu)隧道三維有限元分析[D].上海：上海交通大學(xué),2013.

[6] 夏 釩,冷 建,卞 榮,等.電纜隧道穿越對(duì)高速公路影響的數(shù)值分析研究[J].特種結(jié)構(gòu),2014(3):65-68.

[7] 韓 磊,葉冠林,王建華,等.淺覆土大直徑盾構(gòu)穿越對(duì)河堤影響的有限元分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2015(S1):125-128.

[8] 冷 建,卞 榮,劉燕平,等.結(jié)構(gòu)性軟土中隧道對(duì)鄰近樁基的長(zhǎng)期影響數(shù)值分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2013(S2):352-356.

Research on control measures of cable trench uneven settlement in soft soil stratum

Cao Jianwei Zhu Sicheng Pan Shaoliang

(ZhejiangHuzhouElectricPowerDesignInstitute,Huzhou313000,China)

Taking a cable diversion engineering in Zhejiang as the background, according to the uneven settlement problems of cable trench in soft soil foundation, put forward the ground treatment scheme of replacement method and cement mixing pile, and using the finite element method made modeling analysis on treatment scheme, in soft soil foundation, according to the strata distribution situation discretion using the replacement method or cement mixing pile method could effectively control the cable trench settlement after construction, finally, the one year settlement data after construction of on-site monitoring, further verified the effectiveness of the treatment scheme.

soft soil stratum, cable trench, uneven settlement, cement soil mixing pile, finite element analysis

1009-6825(2016)31-0131-03

2016-08-21

曹建偉(1978- )，男，高級(jí)工程師； 朱司丞(1976- )，男，工程師； 潘少良(1963- )，男，工程師

TU994

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