砂卵石地層綜合管廊淺埋暗挖斷面優(yōu)化

郭 飛， 張 咪， 王凱麗， 單 琳， 姜培培， 馬 巖

(北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100049)

0 引 言

城市綜合管廊，是指在城市地下集中敷設(shè)市政管線(如電力、通信、給排水、熱力以及燃?xì)獾?的地下隧道[1-3]。隨著城市的發(fā)展，綜合管廊日益成為城市建設(shè)的重要組成部分，在城市綜合管廊施工建設(shè)中，通常采用明挖法施工，但當(dāng)管廊施工中遇到城市主干線、河流且上覆土層較淺時(shí)，則采用淺埋暗挖法來施工，因此盡可能減小淺埋暗挖隧道施工對(duì)周圍環(huán)境的影響，始終是廣大學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)問題[4-6]。當(dāng)綜合管廊采用暗挖法施工時(shí)，其斷面形式相對(duì)于明挖法施工，因受力不同會(huì)有所改變，而綜合管廊橫斷面形式是影響管廊功能以及造價(jià)的重要因素之一[7]。目前國內(nèi)外建造綜合管廊時(shí)大多采用矩形截面形式，隨著施工技術(shù)的發(fā)展和施工器械的完善，不同的建設(shè)和地質(zhì)條件的差異，綜合管廊的橫斷面形式也有了更多的發(fā)展，圓形、馬蹄形等新的橫斷面形式也進(jìn)入到施工建造之中[8]。合理的橫斷面形式是綜合管廊設(shè)計(jì)建造中的重點(diǎn)問題和關(guān)鍵技術(shù)之一，是施工前設(shè)計(jì)規(guī)劃主要考慮的內(nèi)容。

1 工程概況

北京市某綜合管廊工程暗挖段設(shè)計(jì)穿越城市主干線，與干線路填方路基段垂直交叉下穿，全長約110 m。工程位置如圖1所示。

圖1 工程位置示意圖

暗挖段下穿現(xiàn)況城市主干線，為北京市主要快速路，車流密集，地面動(dòng)載較大。管廊外頂距自然地面約為4.45 m，距離穿越西五環(huán)路中埋深約為10.45 m，穿越處覆土較淺。穿越處地層主要為雜填土①1層、卵石②層及細(xì)中砂②3層，穿越段多為砂卵石地層且表面為雜填土地層，圍巖分級(jí)為Ⅴ～Ⅵ級(jí)，圍巖穩(wěn)定性較差，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，不易形成自然應(yīng)力拱，施工過程中容易發(fā)生塌落。

2 數(shù)值計(jì)算分析

2.1 模型建立及參數(shù)選取

北京市某綜合管廊工程明挖段采用矩形雙艙斷面，為確保穿越西五環(huán)段管廊斷面與明挖斷面不會(huì)產(chǎn)生太大變化，保證穿越段能夠順利施工，減少施工風(fēng)險(xiǎn)，施工過程中干線路能夠正常通車，綜合施工與設(shè)計(jì)將斷面頂部改為微拱，將斷面形式分為微拱直墻雙艙斷面和兩個(gè)單艙斷面進(jìn)行數(shù)值分析。

根據(jù)圣維南原理，在距離開挖擾動(dòng)一定遠(yuǎn)處的擾動(dòng)應(yīng)力為零，此邊界上的位移也為零[9]，所以模型應(yīng)取得足夠大，以保證邊界位移基本為零，從而減小計(jì)算的誤差。將模型尺寸取為暗挖洞徑的3～5倍[10]，根據(jù)實(shí)際情況，選取40 m×15 m×110 m(寬×高×長)的區(qū)域建立FLAC 3D計(jì)算模型，充分考慮了暗挖管廊對(duì)周圍地層的影響，且在建模過程中適當(dāng)對(duì)隧道周圍網(wǎng)格進(jìn)行了加密。

根據(jù)施工，數(shù)值模擬采用分步環(huán)形開挖，預(yù)留核心土法，每次開挖長度1 m，對(duì)穿越西五環(huán)段蓋挖以及暗挖施工進(jìn)行模擬，分析綜合管廊在穿越城市干線采用不同斷面下的應(yīng)力、變形等情況，進(jìn)而對(duì)綜合管廊穿越主干線斷面進(jìn)行優(yōu)化。模型尺寸及地層分布如圖2所示，土體及管廊計(jì)算參數(shù)見表1、表2。

圖2 數(shù)值模型計(jì)算圖

表1 土體數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)表

表2 管廊計(jì)算參數(shù)表

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.2.1 管廊應(yīng)力分析

微拱直墻雙艙、單艙斷面管廊應(yīng)力云圖分別如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可知，無論單艙斷面還是雙艙斷面在進(jìn)行暗挖施工時(shí)，除拱頂外，管廊整體受到向下的豎向應(yīng)力，且最大豎向應(yīng)力集中在管廊的側(cè)墻位置，單艙斷面最大豎向應(yīng)力僅為1.85 MPa；從水平向應(yīng)力來看，在側(cè)墻與底板交界位置以及穿越西五環(huán)處管廊拱頂沿軸線處出現(xiàn)負(fù)向水平應(yīng)力集中現(xiàn)象，底板中間位置出現(xiàn)正向的水平應(yīng)力集中現(xiàn)象。單艙斷面，無論是水平向應(yīng)力還是豎向應(yīng)力，都明顯小于雙艙段面。

圖3 雙艙斷面管廊應(yīng)力云圖

圖4 單艙斷面管廊應(yīng)力云圖

2.2.2 管廊變形分析

微拱直墻雙艙、單艙斷面管廊位移云圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 雙艙斷面管廊位移云圖

圖6 單艙斷面管廊位移云圖

由圖5、圖6可知，單艙斷面與雙艙斷面相比，單艙管廊拱頂以及側(cè)墻豎向位移較小，拱頂最大沉降僅為13.8 mm，僅為雙艙斷面的50%，而底板最大隆起為10 mm，為雙艙斷面的67%；無論單艙斷面還是雙艙斷面管廊水平位移都集中在側(cè)墻位置，由上到下逐漸增大，且兩種斷面形式水平向位移相差不大。

2.2.3 地表變形分析

沿隧道軸線提取不同斷面地表豎向位移進(jìn)行分析，如圖7、圖8所示。

圖7 雙艙斷面地表橫向沉降曲線

圖8 單艙斷面地表縱向沉降曲線圖

由于管廊開挖，地表橫向沉降呈明顯的沉降槽分布，變形情況基本一致，距隧道越遠(yuǎn)沉降量越小。單艙斷面地表橫向沉降曲線在蓋挖段曲線變化趨勢(shì)與雙艙斷面有明顯區(qū)別，由于蓋挖段預(yù)先施工拱頂，再進(jìn)行開挖，所以蓋挖段斷面拱頂位置沉降量明顯小于其他位置，斷面中間土體以及管廊外側(cè)土體，由于受到開挖的影響，靠近管廊位置的土體產(chǎn)生一定的下沉，同樣呈現(xiàn)沉降槽分布。整個(gè)管廊在蓋挖段地表最大沉降量僅為1.5 mm。

以上分析說明，模擬穿越主干線段采用單艙斷面進(jìn)行施工，可以大大減小地表沉降，防止出現(xiàn)塌方，減小對(duì)城市主干線路面的破壞，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，確保路面正常通行。

表3是設(shè)計(jì)給出的路面沉降控制要求，其中要求路面沉降應(yīng)控制在15 mm之內(nèi)。

表3 路面對(duì)稱沉降控制要求表

經(jīng)過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，采用雙艙斷面路面最大沉降量達(dá)到17 mm，而采用單艙斷面路面最大沉降僅為7.2 mm，因此在本工程中采用單艙斷面進(jìn)行施工，可以有效控制地表沉降，防止塌方，減小施工對(duì)路面的影響，同時(shí)管廊變形也大大減小，確保施工質(zhì)量。

3 斷面形式確定

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，采用微拱直墻單艙斷面進(jìn)行穿越西五環(huán)暗挖施工可以有效減少管廊受力以及變形，大大降低地表沉降，因此在斷面設(shè)計(jì)中，綜合考慮施工與設(shè)計(jì)，斷面尺寸為：水信艙4.2 m×3.6 m、熱力艙為6.6 m×3.6 m，兩艙相隔7 m。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)施工方與第三方監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制沿隧道全線縱向地表多斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化特征圖，如圖9所示。

圖9 累計(jì)橫向地表下沉變化曲線

由圖9可知，綜合管廊穿越城市主干線暗挖施工地表累計(jì)沉降不均勻，路中間地段沉降量明顯偏大，然后再逐步過渡到平穩(wěn)，呈沉降槽分布，與數(shù)值模擬得到的規(guī)律相一致，經(jīng)監(jiān)測(cè)累計(jì)沉降最大值為8.78 mm，而數(shù)值模擬累計(jì)沉降最大值為7.6 mm，兩者數(shù)據(jù)相接近，說明通過數(shù)值模擬指導(dǎo)施工得到的效果明顯。

圖10為管廊不同部位應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線圖。

圖10 管廊不同部位應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線圖

由圖10可知，管廊開挖完成支護(hù)時(shí)，管廊整體受到的應(yīng)力較大，隨著管廊的不斷推進(jìn)，頂?shù)资艿降膽?yīng)力變化趨勢(shì)基本一致，且趨于穩(wěn)定，管廊兩側(cè)受到的應(yīng)力隨開挖先減小后增加。

5 結(jié) 論

通過對(duì)北京市某綜合管廊穿越城市主干線工程采用不同斷面形式進(jìn)行施工模擬，進(jìn)而對(duì)淺埋暗挖管廊斷面進(jìn)行優(yōu)化分析，從而指導(dǎo)施工，得出以下結(jié)論：

(1) 微拱直墻單艙斷面與雙艙斷面同在側(cè)墻處承受較大的應(yīng)力，最大豎向應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)墻底部中間位置，單艙斷面豎向應(yīng)力明顯小于雙艙斷面。

(2) 無論是單艙斷面還是雙艙斷面，水平向應(yīng)力都小于豎向應(yīng)力，但兩種斷面形式水平向應(yīng)力相差不大。

(3) 從豎向位移來看，兩種斷面都在管廊拱頂與底板中間位置出現(xiàn)沉降與隆起現(xiàn)象，與應(yīng)力分布規(guī)律一致，兩者豎向位移差距較大，水平向位移差距較小。

(4) 綜合考慮數(shù)值分析、設(shè)計(jì)與施工情況，最終確定綜合管廊穿越城市主干線管廊斷面形式為兩個(gè)單艙斷面，斷面尺寸為：水信艙4.2 m×3.6 m、熱力艙為6.6 m×3.6 m，兩艙相隔7 m。