某高烈度區(qū)、嚴重液化場地綜合管廊結構方案設計?

陳軍 李朝龍 劉勇 曾磊

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司 200092)

1 工程概況

某建設工程位于云南省某市市區(qū)，為既有城區(qū)道路改造項目，共包含兩條綜合管廊，總長度約2.5km，含區(qū)域控制中心一座。兩條綜合管廊在端部形成三向接口的交叉口與規(guī)劃綜合管廊相接。根據城市管線專項規(guī)劃及綜合管廊規(guī)劃，并結合各管線單位近遠期需求，納入30 孔通信、28 回 10kV 電力、DN400 給水管一根、DN400 中水管一根、DN300 燃氣管兩根，根據規(guī)范及使用要求形成兩艙標準橫斷面，如圖1所示。雨污水管線采用直埋敷設，不納入綜合管廊。

圖1 綜合管廊標準斷面Fig.1 Standard cross section of the utility tunnel

既有道路總寬度52.5m，綜合管廊置于西南側人行道及綠化帶下。3.0m 寬的綠化帶用于綜合管廊通風口、投料口等口部引出。綠化帶外側距既有建筑物約10m。既有建筑物多為五層以下框架或磚混結構居民自建建筑，基礎形式為獨立基礎或條形基礎。根據現場情況，施工期間應至少保證一側道路正常通行。綜合管廊在道路下位置見圖2。

圖2 綜合管廊道路下位置Fig.2 Utility tunnel under the road

2 工程地質概況

2.1 抗震設防烈度及地震動參數

根據《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011-2010，2016年版)[1](以下簡稱抗規(guī))、《中國地震動參數區(qū)劃圖》(GB18306-2015)[2]及地勘情況，該工程所在地區(qū)抗震設防烈度為8 度，設計地震分組為第三組，設計基本地震加速度0.30g，場地類別為Ⅲ類，場地特征周期Tg＝0.65s。

2.2 區(qū)域地質構造

該地區(qū)區(qū)域構造以斷裂構造為主，區(qū)域附近主要分布有：

F17 九村-路居斷裂：為正斷層，屬全新世活動斷裂，發(fā)震斷裂，距擬建場地約10.80km；

F18 明星-二街斷裂：為正斷層，屬全新世活動斷裂，發(fā)震斷裂，距擬建場地約7.10km；

F157 玉江斷裂：為正斷層，屬晚更新世活動斷裂，不發(fā)震斷裂，距擬建場地約2.00km。

根據抗規(guī)第3.10.3 條規(guī)定，地震動參數應計入不小于1.25 的近場影響增大系數。

2.3 地基土及地下水

場地地基土分布較均勻，上層主要為①素填土層，呈松散～中密狀，力學性質差，不宜作為基礎持力層，平均厚度約 2.0m。其下主要為②-1粉質粘土層，力學性質較好，壓縮模量Es1-2＝4.21MPa，內摩擦角φ＝1.2°，粘聚力c＝21kPa，地基承載力特征值fak＝100kPa，平均厚度約3.5m。最下層為③粉砂層，中密，壓縮模量Es1-2＝8.0MPa，內摩擦角φ＝20°，粘聚力c＝6kPa，地基承載力特征值fak＝170kPa，樁基極限側阻力標準值qsk＝60kPa，極限端阻力標準值qpk＝1100kPa，土層厚度至 50m 深度未鉆透。該土層各鉆孔液化指數IlE＝11.49～26.28，液化等級為中等～嚴重液化，綜合判定場地地基液化等級為嚴重液化。因為上層土體的壓密作用，根據抗規(guī)，20m 以下土層可均按不液化的穩(wěn)定土層考慮。其典型鉆孔JTZK73 的標準貫入錘擊值見表1。

表1 土層標準貫入錘擊值Tab.1 Standard penetration hammer value of soil layer

上述土層其間還少量分布有②-2泥炭質土、②-3圓礫等土層，因厚度及分布較小，不做表述。

場地穩(wěn)定地下水位埋深為1.20m～1.70m，地下水對混凝土結構具有弱腐蝕性，對鋼筋混凝土結構具有微腐蝕性。

3 地基基礎與綜合管廊結構方案設計

根據《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》(GB50838-2015)[3]，綜合管廊結構設計使用年限應為100年且應按乙類建筑進行抗震設計。而抗規(guī)規(guī)定乙類建筑地基液化等級為嚴重時，應全部消除液化震陷，其措施主要有采用樁基礎、基礎深埋、地基處理、換填等四類。根據該工程實際情況，因液化土層較厚，基礎深埋至穩(wěn)定土層與換填全部液化土層均具有不可操作性與不經濟性，故本工程可供選擇的方案僅有樁基礎方案與地基處理方案。

3.1 樁基礎方案設計

1.設計方案

方案在綜合管廊標準段非變形縫位置按上下部結構整澆設計，以增加結構整體性及縱向剛度。在變形縫位置按上下部結構脫開設計以方便設置變形縫，變形縫處樁基布置見圖3。平面上約5m 左右布置一排鉆孔灌注樁，每排三根，基樁位于承臺中心線與綜合管廊豎墻中心線交點位置，樁徑初選φ600，樁長按計算確定并滿足規(guī)范對全部消除液化震陷時樁端伸入液化土層以下穩(wěn)定土層的深度要求。承臺梁初選 600mm×1000mm，變形縫位置的承臺兩側設置上翻擋板以防止地震時綜合管廊橫向滑移。

圖3 管廊標準段變形縫處樁基布置Fig.3 Pile foundation profile at deformation joint

綜合管廊每道豎墻下沿縱向設置400mm×600mm 鋼筋混凝土梁，變形縫位置管廊梁簡支于承臺上(梁在承臺范圍內進行橫向整澆，以增大受壓接觸面積，保證承臺不出現局部受壓，同時方便施工)，承臺與管廊結構不做整體澆筑；其他承臺處管廊梁與承臺均整體澆筑。此時，綜合管廊底板厚度可進行優(yōu)化，方案階段按400mm考慮。綜合管廊縱向按不大于30m 間距設置變形縫，變形縫設置于承臺中心線處，縫寬30mm，縫間通長設置帶鋼邊止水帶。

施工時，基坑開挖至承臺底以下不小于1m，并采用中粗砂回填至管廊底板，待結構施工完成后，采用壓實性較好的素土回填至設計路面并分層夯實。

在綜合管廊引出口、通風口、交叉口等特殊節(jié)點，因管廊外擴后尺寸不規(guī)則，考慮采用樁筏基礎，筏板厚度及樁長均按計算確定，同一般建(構)筑物，本次不做詳述。

2.結構設計

該工程處于高烈度區(qū)與嚴重液化場地，不同于一般情況下的綜合管廊結構。樁基豎向及水平承載力、上部管廊結構承載力可能均由地震工況控制；同時在地震可能存在的液化土層被掏空時，樁身還存在壓屈可能，方案設計階段均應做相應初步計算。計算時，管廊及樁基均采用C30混凝土，容重取25kN/m3，土平均容重取18kN/m3，地面車輛及行人荷載取20kPa，管廊內活荷載取4kPa，抗浮設計水位按-0.50m 計，基床系數Kh＝30MPa/m、Kv＝35MPa/m，地基土水平抗力系數的比例系數m＝30MN/m4?；炷亮芽p控制等級按三級，裂縫寬度限值為ωlim＝0.20mm?？紤]綜合管廊結構重要性、設計使用年限及地質復雜情況，管廊結構、樁基礎重要性系數均取γ0＝1.1。

(1)樁基礎計算

1)樁基豎向承載力計算

因地層土性、使用條件及樁數原因，樁基不考慮承臺效應，基樁豎向承載力特征值取單樁豎向承載力特征值，樁基豎向承載力特征值取三單樁豎向承載力特征值之和。

非地震工況時，上部結構荷載標準組合引起的單樁最大軸力為Nk＝1616kN。根據《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ94-2008)[4](以下簡稱樁規(guī))第5.2.2 條、5.3.5 條及 5.4.3 條，反算的樁長為25.9m。根據標高關系換算，樁端伸入下部穩(wěn)定土層14.5m，滿足規(guī)范要求(其中，抗規(guī)要求不應小于0.8m，樁規(guī)要求不應小于2d～3d)。

地震工況時，經換填后的樁承臺底面上、下非液化土層滿足抗規(guī)4.4.3 條要求，單樁豎向承載力特征值按以下兩者中的不利情況取用。

①樁承受全部地震作用。樁承載力特征值比非抗震時提高25%，但液化土的樁周摩阻力需乘以液化影響折減系數。

樁的地震作用效應應按管廊-承臺-樁協(xié)同工作模型，并考慮土的彈性抗力作用，采用反應位移法或時程分析法計算。方案設計階段，按下列簡化模型進行估算：由于管廊結構與樁基脫開設計，地震液化時，樁基類似于豎向桿件，管廊及其上覆土類似于附著其上的單質點結構，水平地震作用按底部剪力法進行估算，且水平地震影響系數α1取最大值αmax；管廊大跨度簡支，豎向地震作用參照抗規(guī)大跨度結構按重力荷載代表值的15%估算，并均考慮近場影響增大系數1.25，施工圖階段進行復核計算。

同時考慮水平及豎向地震作用時，地震作用標準組合的組合值系數規(guī)范中未作出相關規(guī)定，參照YJK 軟件用戶手冊[5]及抗規(guī)5.4.1 條條文說明按0.40 取用。

可得地震工況時，地震作用標準組合下單樁的最大軸力為NEk＝1739kN。

不同深度的實測標貫錘擊數與臨界標貫錘擊數的比值λN＝Ni/Ncr見表1，液化影響折減系數φl見表2。

表2 土層液化影響折減系數Tab.2 Reduction coefficient of the liquefied soil

由此反算的樁長為26.2m。

② 水平地震作用按αmax的10%取用，豎向地震作用影響系數按水平地震作用影響系數的65%取用。樁承載力特征值比非抗震時提高25%，但扣除液化土層的全部摩阻力。由此計算的標準組合下單樁的最大軸力為NEk＝1495kN，并反算樁長為29.8m。

綜上可得，樁基豎向承載力由地震工況控制，初算樁長取30m。經換算，樁端伸入下部穩(wěn)定土層18.6m，滿足規(guī)范要求。初配鋼筋20，配筋率ρ＝0.67%。

2)樁基水平承載力計算

因樁數、承臺側面土水平抗力、承臺底面土的摩擦力不滿足規(guī)范要求，樁基水平承載力不考慮群樁效應，取三單樁水平承載力之和。非抗震時的單樁水平承載力按式(1)、式(2)計算[4]，得Rh＝520.5kN。

式中：υx為因管廊縱向支承作用，樁基縱向水平承載力不做計算。樁基橫向水平承載力計算時，按樁規(guī)表5.7.2 樁頂固接取值；χ0a為樁頂水平位移允許值，取10mm，在管廊變形縫容許變形范圍之內，可滿足使用要求。

非地震工況時，因結構無風荷載等水平荷載作用，故樁基基本不存在水平力，不做計算。地震工況時，同豎向承載力計算，地震作用按簡化模型計算，樁基水平承載力按抗規(guī)4.4.3 條中兩者中的不利情況取用。

①地震作用標準組合下的單樁最大水平力HEk＝435.2kN。此時，考慮液化影響折減系數的單樁水平承載力與單樁豎向承載力等比例折減[1]，即：

式中：Ra、Rh為未考慮液化影響折減系數的單樁豎向、水平承載力特征值；、為考慮液化影響折減系數后的單樁豎向、水平承載力特征值。

按 30m 樁長計算可得＝452.7kN，考慮抗震承載力比非抗震時提高 25%，R＝1.25×＝565.9kN ＞HEk＝435.2kN，滿足要求。

②按αmax的10%計算的地震標準組合下單樁最大水平力HEk＝43.5kN。此時，單樁水平承載力計算同式(3)，但為不計液化土層全部摩阻力的單樁豎向、水平承載力特征值?？傻茫?39.2kN，考慮抗震承載力比非抗震時提高25% ，滿足要求。

3)樁身壓屈驗算

樁身壓屈按式(4)、式(5)計算[4]：

式中：φ為樁的計算長度lc與樁徑d之比按樁規(guī)表5.8.4-2 計算的樁身穩(wěn)定系數。樁的計算長度lc應考慮液化影響折減系數按樁頂鉸接計算。

荷載效應的基本組合下的樁頂軸力按式(6)計算[6]：

其中，分項系數γG、γQ按 2018 版的可靠性規(guī)范[6]取用。

地震作用效應及其他荷載效應的抗震基本組合按抗規(guī)式5.4.1 進行計算。可得兩種工況下，樁頂軸力分別為N＝2383.2kN、NE＝2344kN。經計算，樁身壓屈驗算滿足要求。

4)樁基沉降計算

根據樁規(guī)，該工程地基基礎設計等級可確定為乙級。結構體型較簡單，荷載分布較均勻且樁端平面以下不存在軟弱土層?？刹贿M行樁基沉降計算。

5)承臺計算

因綜合管廊簡支，承臺可按均布荷載下的連續(xù)梁進行計算，并按深梁進行復核。經試算，承臺梁滿足要求。

綜上，樁基結構承載力由抗震工況下的豎向承載力控制，樁長按30m 計。

(2)綜合管廊結構計算

1)抗浮驗算

綜合管廊標準段應分別進行整體、局部抗浮驗算，不計入全部活荷載和側壁摩阻力的情況下，結構抗浮安全系數Kf≥1.05。綜合管廊特殊節(jié)點采用樁筏基礎時，抗浮可不做驗算。

2)正常使用極限狀況與持久設計狀況

綜合管廊標準段在兩種設計狀況下橫向均可采用二維閉合框架的簡化模型進行計算，并按三維模型復核支座及跨中處的管廊縱向裂縫及承載力，同時按深梁對管廊底縱向梁進行復核。綜合管廊特殊節(jié)點應采用樁-結構-土的三維有限元模型對兩種設計狀況進行計算。

3)地震設計狀況

根據《地下結構抗震設計標準》(GB/T51336-2018)[7](以下簡稱地抗規(guī))，綜合管廊標準段橫向抗震計算應采用二維模型的反應位移法Ⅰ、縱向抗震計算應采用二維模型的反應位移法Ⅲ；特殊節(jié)點應采用三維模型的彈塑性時程分析法進行計算。地震作用計入近場影響系數，且應分別滿足多遇地震動下性能目標Ⅰ、基本地震動下性能目標Ⅱ、罕遇地震動下性能目標Ⅲ的設防水準。

采用 Autodesk Robot Structural Analysis 與Midas Gen軟件對上述工況分別進行了初步計算分析，結果表明：管廊結構布置合理，壁厚初選合適，結構由地震設計工況控制。

(3)抗震措施

為保證地震時，管廊結構與樁基的穩(wěn)定性與可靠性，本工程應采取下列抗震措施。

1)樁基礎抗震措施

①樁端應伸入液化土層下穩(wěn)定土層長度不小于3d即1.8m；

②樁頂至液化土層底以下3d且不小于4.0/α范圍內的縱向鋼筋配置應同樁頂，且此范圍內應采用螺旋箍筋并全高加密，間距不大于100mm。其下范圍的縱向鋼筋可適當減小但不應突變且不小于樁頂的1/2，箍筋間距可適當加大但不大于200mm；

③ 承臺底上、下各1.5m、1.0m 范圍內換填的非液化土層應嚴格夯實，以利于樁基抵抗水平地震作用。其余范圍內非液化土層回填壓實系數不應小于0.94。

2)綜合管廊抗震措施

根據抗規(guī)及《建筑工程抗震設防分類標準》(GB50223-2008)[8]，8 度 0.30g、Ⅲ類場地下的乙類建筑抗震措施應雙重提高，應按比9 度更高要求采取抗震措施。根據抗規(guī)及地抗規(guī)，綜合考慮綜合管廊抗震等級為二級，結構抗震措施同抗震等級為二級的地面結構并滿足抗規(guī)14.3 節(jié)要求。

3.2 地基處理方案設計

1.設計方案

方案考慮在綜合管廊標準段與特殊節(jié)點均采用沉管砂石樁進行加密液化土層處理，處理深度至液化深度下界，并伸入穩(wěn)定土層不小于1 倍樁徑。處理寬度應滿足抗規(guī)4.3.7 條第5 款的要求，如圖4所示。處理后的樁間土標準貫入錘擊數Ni不應小于標準貫入錘擊數臨界值Ncr。為減少土方開挖量及回填量，同時考慮處理邊界外側距既有建筑物較近，為減小施工擾動，管廊基坑外側處理范圍內處理深度至地面算起，基坑范圍內處理深度至管廊底算起。施工完成后，基坑內回填非液化土層。

圖4 地基處理方案示意Fig.4 Sketch map of the ground treatment

根據標高關系，此時基坑內處理深度H＝12.55m，沉管砂石樁長約13m；基坑外處理深度為20m，樁長約20.5m。故綜合管廊標準段及特殊節(jié)點寬出每側的處理寬度A≥max{H/2，B/5}＝6.275m(B為標準段或特殊節(jié)點的寬度)。標準段處理總寬度應不小于18.55m，特殊節(jié)點處理總寬度根據節(jié)點寬度情況確定。沉管砂石樁徑初選φ400，間距s＝1.5m，梅花形布置。

2.結構設計

(1)沉管砂石樁計算

處理后的樁間土標準貫入錘擊數Ni應通過實驗確定。但現階段規(guī)范未提供相應估算方法，相關文獻亦未見類似工程經驗。方案設計階段，參照抗規(guī)式4.4.3 的打入式預制樁(擠土樁)計算方法進行估算，并在施工圖設計前選取典型場地進行實驗實測，為施工圖設計提供計算依據。

(2)綜合管廊結構計算

標準段橫向計算同樁基礎方案中的管廊結構計算；縱向可采用構造配筋，不做計算。特殊節(jié)點應采用結構-土的三維有限元模型進行計算。

(3)抗震措施

同樁基礎設計方案中的綜合管廊結構抗震措施。

4 設計方案比選

4.1 方案適用性

對兩方案技術適用性對比見表3。

結合本工程實際情況，樁基礎方案在技術上相對較優(yōu)，符合本工程實際情況。

4.2 工程經濟性

以一個標準段變形縫之間的距離30m 為參考，根據工程造價信息，兩種方案主要的結構成本(不含防水、機電安裝等附屬成本)分別見表4、表5。

表4 樁基礎方案結構成本(30m 標準段)Tab.4 Structure cost of pile foundation scheme

其中，基坑圍護采用 SMW 工法樁，初選φ850@600，樁長 19m，H700×300×13×20 型鋼插二跳一；φ609，t＝16mm 鋼支撐兩道，第一道間距6m，第二道間距3m?；訉挾劝?.5m，基坑深度9.0m(變形縫位置9.6m)。

表5 地基處理方案結構成本(30m 標準段)Tab.5 Structure cost of ground treatment scheme

其中，基坑圍護采用 SMW 工法樁，初選φ650@450，樁長 15m，H500×300×11×15 型鋼插二跳一；φ609，t＝16mm 鋼支撐兩道，兩道間距均為6m?；訉挾劝?.0m，深度7.6m。

綜上對比可知，兩方案管廊標準段主要結構成本相差不大，但樁基礎方案相對較低(較地基處理方案低約6.4%)，方案更優(yōu)。主要原因在于地基處理方案需沉管砂石樁處理的范圍較大且單價較高。

(1)處理嚴重液化帶來工程結構成本劇增59%。如果本工程場地無液化可能，則地基處理方案扣除地基處理費用即為無液化場地的結構成本。對比樁基礎方案，處理液化措施主要引起：①樁基及承臺成本增加430890 元/30m；②基坑圍護增加158758 元/30m；③基坑開挖及回填增加120930 元/30m；④綜合管廊結構減小19900 元/30m。由此可見，嚴重液化對本工程影響巨大。

(2)烈度高低對本工程結構成本影響較小。根據以往設計經驗，在6 度的低烈度區(qū)，此標準橫斷面的結構壁厚可以優(yōu)化為350mm，與本工程的壁厚400mm、450mm 相比，對混凝土及鋼筋成本、基坑及回填成本影響較小。其余如抗震等級影響鋼筋錨固長度等引起的成本增加更小。

5 結論

1.綜合管廊應按乙類建筑進行抗震設計，嚴重液化場地下應采取措施全部消除液化震陷。結合工程實際情況，提出了采用樁基礎和地基處理的工程方案。

2.對樁基應進行非抗震與抗震工況下的豎向、水平承載力及樁身壓屈計算，對承臺進行了承載力初步計算。結果表明，高烈度區(qū)、嚴重液化場地下的管廊樁基礎由抗震工況下的豎向承載力控制。

3.對綜合管廊結構進行了各設計工況下的初步計算。分析表明，高烈度區(qū)的綜合管廊結構由地震工況控制，不再由正常使用極限狀態(tài)下的裂縫控制。

4.采用地基處理消除液化震陷時設計參數應結合現場試驗綜合確定。

5.對樁基礎方案和地基處理方案進行了適用性與經濟性比選，結果表明，樁基礎方案具有更好的適用性與經濟性。

6.處理嚴重液化場地可能引起綜合管廊工程成本的劇增，對結構方案及造價影響巨大。而烈度高低對綜合管廊的結構及造價影響較小。

7.在嚴重液化場地進行管廊建設時，在地基基礎或地基處理方面投入較大，應慎重規(guī)劃、科學選型、綜合比對、理性建設。