巖溶地區(qū)下綜合管廊倒虹吸結(jié)構(gòu)模擬設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

毛文忠

（上海建工五建集團(tuán)有限公司，上海 200063）

0 引言

近年來(lái)，綜合管廊作為提升城市功能、促進(jìn)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型的重大國(guó)家導(dǎo)向，在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)方面得到了快速的發(fā)展。我國(guó)復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，對(duì)地下管廊建設(shè)提出了大量嶄新的要求。

本溪地下綜合管廊位于北方喀斯特溶巖地貌區(qū)，是該地質(zhì)條件下的首次嘗試，也是本溪第一個(gè) EPC 總承包模式下的市政管廊工程。

通過(guò)物探、鉆探綜合勘察確定溶洞的位置和規(guī)模，確定可溶巖、溶洞填充物、上覆地層的物理力學(xué)指標(biāo)，從空間和物性上掌握巖溶地基的特征，在此基礎(chǔ)上展開(kāi)理論分析與數(shù)值計(jì)算確定最不利工況下管廊內(nèi)力和變形，溶洞的存在對(duì)于地下綜合管廊的應(yīng)力和沉降都有影響，對(duì)覆蓋型巖溶區(qū)地下管廊地基處理技術(shù)采用增加管廊鋼筋混凝土頂、底板厚度來(lái)跨越溶洞方法處理技術(shù)。

1 工程實(shí)例概述

本溪地下綜合管廊（見(jiàn)圖 1）位于明山區(qū)威寧大街沿線，東西走向，南側(cè)依附太子河流域，項(xiàng)目總長(zhǎng)度 6.22 km，其中包含三處倒虹吸施工段，倒虹 A1 位于 K0+987～K1+053，長(zhǎng) 66 m；A2：K3+504～K3+571，長(zhǎng) 67 m；A3：K5+002.5～K5+078.77，長(zhǎng) 76.27 m；結(jié)構(gòu)形式均為平行三艙，頂板、外墻厚度為 700 mm，內(nèi)墻 300 mm，基礎(chǔ)底板厚度為 750 mm，總寬 10.3 m，高 5 m；威寧大街沿線無(wú)設(shè)計(jì)保留河道，沿線共設(shè)有 3 根雨水箱涵由北向南橫穿道路后將雨水引入太子河，根據(jù)箱涵設(shè)計(jì)資料，3 根雨水箱涵均為雙孔箱涵；上述 3 根雨水箱涵標(biāo)高均與威寧大街綜合管廊標(biāo)高沖突。本工程考慮采用綜合管廊倒虹的形式下穿雨水箱涵。

圖1 倒虹吸段工程平面圖

2 倒虹段地下溶洞空間分布勘查及定位技術(shù)

2.1 溶洞物探空間分布勘查

為準(zhǔn)確定位地下巖溶位置，根據(jù)地震映像法基本原理，根據(jù)工程地震波在不同巖性、界面、裂隙中的傳遞反射規(guī)律，展開(kāi)巖溶區(qū)巖溶發(fā)育程度勘察，采用 SE2404 工程地震儀對(duì)溶洞位置展開(kāi)物探法勘察，通過(guò)詳勘、補(bǔ)勘多階段勘察最終確立了溶洞在地基中發(fā)布的空間特征。

首先，根據(jù)地下管廊結(jié)構(gòu)特征布設(shè)綜合勘探孔，針對(duì)巖溶較發(fā)育地段布置 3 條測(cè)線；對(duì)于巖溶特別發(fā)育、頂?shù)卓缍容^大且成群分布地段加密至 4 條，對(duì)于巖溶發(fā)育一般地段，僅針對(duì)鉆孔控制一側(cè)布置 2 條測(cè)線，測(cè)線間距一般為 5 m，加密段間距為 3.3 m。然后，采用大錘敲打震源，形成地震波在土層地基下介質(zhì)中傳播，采用地震波的強(qiáng)弱、頻譜、振幅、波長(zhǎng)和反射波的傳播時(shí)間和空間的尋找來(lái)確定溶洞位置［1-3］，如圖 2 所示。

圖2 SE2404 工程地震儀工作圖

2.2 數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)處理流程為：調(diào)用反射波采集數(shù)據(jù)文件→道平衡→濾波→速度分析→動(dòng)校正→水平疊加→時(shí)深轉(zhuǎn)換→數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

2.3 溶洞工程勘查與定位技術(shù)

根據(jù)波形走向，地勘鉆探深度除應(yīng)滿(mǎn)足倒虹吸段基坑開(kāi)挖深度的 1～3 倍，同時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足基坑開(kāi)挖、地下水控制、支護(hù)設(shè)計(jì)、基坑抗浮及施工的要求，該部分地段為石灰?guī)r地區(qū)，巖溶強(qiáng)發(fā)育，為探明巖溶分布情況，鉆孔深度達(dá)到 30.0 m。當(dāng)設(shè)計(jì)深度內(nèi)揭遇基巖，則鉆孔進(jìn)入中風(fēng)化巖層后連續(xù) 3 m 且深度≥15 m 時(shí)可終孔。

3 倒虹段框架結(jié)構(gòu)模擬與計(jì)算比選

3.1 倒虹吸段施工概述

1 # 雨水箱涵位于 K1+010 處規(guī)劃相交道路，箱涵頂面標(biāo)高 121.70 m，內(nèi)地面標(biāo)高 118.00 m，頂板覆土厚度約 3 m；2 # 雨水箱涵位于 K3+540 處規(guī)劃相交道路，箱涵頂面標(biāo)高 124.65 m，內(nèi)地面標(biāo)高 120.95 m，頂板覆土厚度約 3.1 m；3 # 雨水箱涵位于 K5+043 處規(guī)劃相交道路，箱涵頂面標(biāo)高 126.67 m，內(nèi)地面標(biāo)高 122.97 m，頂板覆土厚度約 3.8 m，施工剖面圖如圖 3 所示。

圖3 倒虹段布置施工剖面圖（單位：mm）

上述 3 根雨水箱涵標(biāo)高均與威寧大街綜合管廊標(biāo)高沖突。本次考慮采用綜合管廊倒虹的形式下穿雨水箱涵。管廊外頂面與箱涵外底面保持約 500 mm 間隔。

3.2 倒虹吸段溶洞數(shù)值的模型建立

3.2.1 模型的建立

針對(duì)串珠狀溶洞分別對(duì)倒虹吸段綜合管廊的應(yīng)力與沉降的影響進(jìn)行研究，且串珠狀巖溶工況采用倒虹吸段管廊區(qū)域進(jìn)行模擬。溶洞分布位置為中段管廊正下方，兩溶洞間距取物探資料里的實(shí)際工況中的距離 0.4 m，溶洞距管廊距離為 2.4 m，兩溶洞可簡(jiǎn)化為兩個(gè)半徑為 4 m 的球體。巖溶工況示意圖如圖 4 所示。

圖4 串珠狀溶洞工況圖

3.2.2 溶洞巖溶對(duì)地下綜合管廊的影響

1）底側(cè)溶洞的不同半徑對(duì)地下綜合管廊的影響。針對(duì)底測(cè)溶洞不同半徑的工況進(jìn)行數(shù)值模擬，研究其對(duì)地下綜合管廊的影響。如圖 5 所示可以看出，管廊整體沉降隨著底側(cè)溶洞半徑增大而增大，當(dāng)?shù)讉?cè)溶洞半徑超過(guò)頂側(cè)溶洞半徑時(shí)，管廊的整體沉降增長(zhǎng)率將會(huì)逐漸擴(kuò)大。

圖5 底側(cè)溶洞半徑下的管廊沉降曲線

2）底側(cè)溶洞的高度對(duì)地下綜合管廊的影響。如圖 6 所示可以看出，管廊所受最大應(yīng)力值與底側(cè)溶洞高度之間的關(guān)系曲線斜率未發(fā)生顯著變化，原因是高度變化未使頂側(cè)溶洞頂板的跨中彎矩增加，土體未出現(xiàn)應(yīng)力重分布現(xiàn)象，因而對(duì)管廊所受應(yīng)力的影響效果不夠明顯。如圖 7 所示得知底側(cè)溶洞高度變化未對(duì)管廊的整體沉降產(chǎn)生顯著影響。底側(cè)溶洞的高度并未對(duì)頂側(cè)溶洞頂板的撓度造成影響［4］。

圖6 底側(cè)溶洞高度對(duì)管廊應(yīng)力值的影響圖

圖7 底側(cè)溶洞高度下的管廊沉降曲線

綜上所述，針對(duì)串珠狀溶洞分別對(duì)地下綜合管廊的應(yīng)力與沉降的影響不大，同時(shí)得出結(jié)論當(dāng)孔徑小而深的溶洞在巖石的上部更接近管廊時(shí)，采用跨越法處理非常適合，不用大規(guī)模鉆探灌漿施工［5-7］。

3.3 倒虹吸段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算比選

3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)段框架結(jié)構(gòu)計(jì)算

模擬分析得出地下綜合管廊的結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及變形情況，采用閉合框架結(jié)構(gòu)模型。對(duì)于結(jié)構(gòu)底板的基底反力分布應(yīng)結(jié)合地基條件具體確定。

采用彈性地基梁模擬計(jì)算，圖 8～圖 10 所示為采用有限元分析軟件對(duì)管廊斷面進(jìn)行受力分析。

圖8 450 mm 壁厚計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖9 450 mm 壁厚彎矩計(jì)算

圖10 450 mm 壁厚剪力計(jì)算

根據(jù)原工程勘察及可研報(bào)告資料，威寧大街綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)計(jì)壁厚為 450 mm，底板厚 500 mm，頂板厚 450 mm。根據(jù)上述數(shù)據(jù)對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)算，結(jié)果如下。

根據(jù)計(jì)算，管廊側(cè)墻如取 450 mm（C35），抗剪能力不滿(mǎn)足要求（V=498 kN＞0.7βhftbh0=434.11 kN 截面不足），需要在支座范圍內(nèi)增設(shè)抗剪鋼筋，同時(shí)支座配筋須Φ8@100 才能滿(mǎn)足 0.2 mm 裂縫要求（配筋率達(dá) 1.37 %），因此截面取 450 mm 不合理。

3.3.2 倒虹吸段框架結(jié)構(gòu)計(jì)算

本工程設(shè)計(jì)中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化復(fù)算后，確定本工程威寧大街地下綜合管廊倒虹吸段設(shè)計(jì)壁厚按 700 mm、底板厚按 750 mm，頂板厚按 750 mm 考慮。具體計(jì)算如圖 11 所示。

圖11 框架計(jì)算模型及結(jié)果

綜上所述，采用有限元分析軟件對(duì)管廊斷面進(jìn)行受力分析，倒虹段框架結(jié)構(gòu)頂?shù)装逵?jì)算是合理的，經(jīng)過(guò)計(jì)算倒虹吸段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度比普通標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)要厚，可以使工程更加安全可靠。

4 倒虹吸段現(xiàn)場(chǎng)施工

4.1 降水

根據(jù)倒虹吸段勘察物探溶洞的分部情況，在倒虹吸段采用新型的降水技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)降水的要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際管線布置，預(yù)防溶洞位置出現(xiàn)降水倒流發(fā)生。

降水井機(jī)械采用 CZ-75 型，沖擊鑿井機(jī)結(jié)合鋼管直接成井，鉆探井孔徑 Φ400 mm、Φ273 mm，鉆孔孔徑＞600 mm，鉆孔深度應(yīng)滿(mǎn)足降水井設(shè)計(jì)深度 12 m 及進(jìn)入風(fēng)化巖 0.5 m 以上。過(guò)濾管直徑 Φ400 外面采用主筋 6Φ18，加強(qiáng)筋采用 Φ14@300，主筋間綁扎竹桿，外包一層尼龍網(wǎng)，過(guò)濾器長(zhǎng)度按圖紙要求。濾料圍填完成后，接上空壓機(jī)進(jìn)行空壓機(jī)洗井，壓縮空氣（壓力為 0.8 MPa，排氣量為 12 m3/min），吹出管底沉淤，清洗到清水為止，再用污水泵循環(huán)抽洗，抽洗時(shí)間＞24 h（見(jiàn)圖 12）。

圖12 空壓機(jī)洗井原理示意圖

4.2 施工難點(diǎn)及措施

1）由于排水管線是沿路邊鋪設(shè)，在鋪設(shè)過(guò)程中有過(guò)街或過(guò)路區(qū)域，所以在過(guò)街區(qū)域?yàn)楸苊鈱?duì)路面造成破壞和不影響道路使用，威龍路口采用 7 根直徑 159 mm 壁厚 5 mm 鋼管分流，鋪在過(guò)街處上下滿(mǎn)鋪碎石同時(shí)共用 16 塊 20 mm 厚鋼板滿(mǎn)鋪路面，鋼板尺寸 6 m×2 m。同時(shí)太子河排水出口處鋪設(shè) 15 根直徑 159 mm 壁厚 5 mm 鋼管分流，并明鋪在過(guò)街處上下滿(mǎn)鋪碎石同時(shí)共用 13 塊 20 mm 厚鋼板滿(mǎn)鋪 12.2 m 寬路面，鋼板尺寸 12 m×2 m，并橫向通長(zhǎng)焊接間距 1 m 直徑 22 mm 鋼筋防滑條，保證路面正常使用（見(jiàn)圖 13）。

圖13 沿路邊鋪設(shè)排水管線示意圖

2）鄰近施工場(chǎng)地需過(guò)街區(qū)域，由于施工場(chǎng)地常有重型機(jī)械車(chē)輛通過(guò)，現(xiàn)需將排水管倒虹處理，所以該區(qū)域要求施工迅速不影響其施工，同時(shí)焊接質(zhì)量需要保證避免返工影響其他施工場(chǎng)地施工。

5 結(jié)論

結(jié)合巖溶地區(qū)下綜合管廊倒虹吸段結(jié)構(gòu)模擬設(shè)計(jì)與施工技術(shù)，通過(guò)物探技術(shù)并結(jié)合地質(zhì)勘察手段尋找溶洞，在工程勘測(cè)中發(fā)現(xiàn)倒虹吸中段底部有串珠狀溶洞，現(xiàn)根據(jù)實(shí)際工程情況進(jìn)行溶洞模擬建立，采用彈性地基梁模擬計(jì)算，采用有限元分析軟件對(duì)管廊斷面進(jìn)行受力分析。實(shí)踐證明倒虹段框架結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全，該技術(shù)值得推廣應(yīng)用，為類(lèi)似管廊倒虹吸段工程施工，提供了可靠的施工數(shù)據(jù)及豐富的管理經(jīng)驗(yàn)。Q