地下管廊施工襯砌施做時(shí)機(jī)研究

張 宇

(廣東河海工程咨詢有限公司，廣州 510610)

0 前 言

地下綜合管廊被譽(yù)為現(xiàn)代城市的地下命脈，程波等在論述西安地質(zhì)與可持續(xù)發(fā)展時(shí)指出，應(yīng)大力發(fā)展地下空間。而地下綜合管廊施工建造正是為了高效利用所開發(fā)的地下空間。檀繼猛等將手持移動(dòng)式三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于地下綜合管廊的測量施工，克服了傳統(tǒng)測量方法的缺陷。張一航等認(rèn)為將綜合管廊與地下基礎(chǔ)設(shè)施合并進(jìn)行一體化建設(shè)勢在必行，是高效和集約利用地下空間的重要方法，但是目前沒有得到普及，應(yīng)該加以提倡。彭琦等在分析了幾類主要地下市政工程設(shè)施的建設(shè)現(xiàn)狀和遠(yuǎn)期建設(shè)計(jì)劃后，認(rèn)為深圳市在地下空間開發(fā)利用中存在若干問題，結(jié)合實(shí)例分析，提出了幾條建議。楊至瑜等總結(jié)了六盤水市在進(jìn)行管廊施工時(shí)采取的措施，面對復(fù)雜山區(qū)環(huán)境和典型喀斯特地貌，采用了多種針對性的施工處理措施，成效顯著，為類似地質(zhì)條件下的廊道施工提供了參考。劉希亮等針對地下綜合管廊可能出現(xiàn)的問題，預(yù)見性的進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，采用LS-DYNA有限元軟件，模擬了燃?xì)獗▽芾冉Y(jié)構(gòu)的沖擊效應(yīng)。劉亞龍等對地下管廊中最易發(fā)生甲烷爆炸現(xiàn)象進(jìn)行了研究，主要分析了甲烷爆炸對井蓋的沖擊作用帶來的不良災(zāi)害，重點(diǎn)論證了井蓋與基座采用鉸接的方式，爆炸發(fā)生時(shí)，爆炸對井蓋的沖擊作用造成的二次災(zāi)害最能得到有效預(yù)防[1-11]。

文章依托地下綜合管廊工程，采用FLAC3D軟件對城市地下綜合管廊的施工進(jìn)行了分析計(jì)算，分別探討在不施做襯砌和襯砌及時(shí)施做后的位移變化特征，通過比較，得出襯砌及時(shí)施做的作用，在地下綜合管廊施工中，應(yīng)保證上一步開挖后的隧道斷面，襯砌施做完成，方可進(jìn)行下一步開挖。

1 地下管廊工程地質(zhì)條件

如圖1所示，地下管廊頂部埋深3m，圓形隧道形式，直徑4m，管廊整體所處地層為黃土高原的黃土地層中，黃土物理力學(xué)參數(shù)主要包括：重度、體積模量、剪切模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角，由于黃土在天然條件下自穩(wěn)性較好，因此其內(nèi)摩擦角較一般土質(zhì)為高。襯砌管片為預(yù)制型C40鋼筋混凝土管片，具體相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 地下綜合管廊剖視圖

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2 FLAC3D中Liner單元

Liner單元作為一種殼型結(jié)構(gòu)單元，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，所需要賦值的參數(shù)多，主要有密度、法相剛度、切向剛度、厚度耦合黏聚力、耦合摩擦角、耦合切向剛度、耦合法相剛度、耦合法向張拉強(qiáng)度、切向耦合彈簧的參與黏聚力、大變形滑動(dòng)標(biāo)志、大變形滑動(dòng)誤差。在數(shù)值模擬中相交于另外兩種殼型結(jié)構(gòu)單元更為復(fù)雜。如表2所示，另兩種殼型單元僅需要Liner單元的部分參數(shù)，尤其是Shell單元，僅需密度、彈性模量、泊松比、厚度。但是，盡管復(fù)雜，正是由于Liner單元所需參數(shù)較多，才使其能夠模擬多種襯砌構(gòu)件。

表2 殼型結(jié)構(gòu)單元模擬時(shí)所需參數(shù)對比

4 模型建立

依據(jù)實(shí)際管廊埋深3m，構(gòu)建模型如圖2所示，對于黃土，模擬時(shí)，假設(shè)其為彈性模型，鋼筋混凝土襯砌管片采用Liner單元模擬，設(shè)置其為各項(xiàng)同性模型，厚度0.2m，耦合法相剛度為7.4e10，耦合切向剛度7.4e10，耦合切向黏聚力為1e20，其它參數(shù)采用默認(rèn)值。

圖2 數(shù)值模擬模型圖

5 模擬結(jié)果

下面主要分析未加襯砌支護(hù)和加了襯砌支護(hù)后，Z方向、X方向位移變化特征。

5.1 未加襯砌支護(hù)時(shí)，第一步開挖完成后

Z方向位移云圖如圖3所示。負(fù)值表示Z方向位移向下沿Z軸負(fù)向，正值表示Z方向位移向上沿Z軸正向，可以看出，在Z方向上最大負(fù)向位移，也即向下的位移值為2.5e-2m，最大下沉位移集中分布于隧道拱頂部位，拱頂臨空面位移最大，由臨空面向里位移值逐漸變小，由拱頂向兩幫，Z方向位移值逐漸減小。Z方向最大上拱位移位于仰拱處，最大值約為2.6e-2m，隧道最下部臨空面上拱位移最大，有臨空面向里逐漸減小，由拱底向兩側(cè)，Z方向最大位移值逐漸減小?？芍猌方向隧道橫斷面整體呈現(xiàn)出拱頂向下、仰拱向上的向里收斂的變形特征。

圖3 未加支護(hù)時(shí)Z方向位移云圖

圖4是X方向位移云圖，負(fù)值表示位移沿X軸負(fù)向，正值表示位移沿X軸正向，最大內(nèi)擠位移集中分布于隧道拱腰部位，拱腰處臨空面位移最大，最大值為2.5e-2m，由臨空面向里位移值逐漸變小，由拱腰向隧道拱頂和拱底部位延伸，X方向位移值逐漸減小?？芍猉方向，最大內(nèi)凸位移位于拱腰處，最大值為2.5e-2m，隧道橫斷面整體呈現(xiàn)兩幫向內(nèi)擠壓變形特征。

圖4 未加支護(hù)時(shí)X方向位移云圖

由以上分析可知，隧道變形主要集中于拱頂、拱底和拱腰處，整體呈現(xiàn)處上部掉落、下部上拱，兩側(cè)向內(nèi)擠壓收斂的變形特征。

5.2 加了襯砌支護(hù)后，第一步開挖完成時(shí)

及時(shí)施做管片襯砌后，Z方向位移云圖如圖5所示。負(fù)值表示下沉，正值表示上升，可知Z方向最大沉降位移位于拱頂處，最大值為1.4e-2m，Z方向最大上拱位移位于仰拱處，最大值約為1.4e-2m，隧道橫斷面整體呈現(xiàn)下部上拱，上部下落的變形風(fēng)險(xiǎn)特征。相較于未施做襯砌管片時(shí)，Z方向最大沉降位移明顯減小。

圖5 加了襯砌后Z方向位移云圖

及時(shí)施做管片襯砌后，X方向位移云圖如圖6所示。負(fù)值表示位移沿X軸負(fù)向，正值表示位移沿X軸正向，可知X方向最大內(nèi)凸位移位于拱腰處，最大值為1.4e-2m，隧道橫斷面整體呈現(xiàn)兩幫向內(nèi)擠壓變形特征。

圖6 加了襯砌后X方向位移云圖

由以上分析可知，隧道變形主要集中于拱頂、拱底和拱腰處，整體呈現(xiàn)處上部掉落、下部上拱，兩側(cè)向內(nèi)擠壓收斂的變形特征。相較于未施做襯砌管片時(shí)，X方向最大沉降位移明顯減小。

6 結(jié) 論

1)隧道變形主要集中于拱頂、拱底和拱腰處，整體呈現(xiàn)處上部掉落、下部上拱，兩側(cè)向內(nèi)擠壓收斂的變形特征。

2)相較于未施做襯砌管片時(shí)，X方向、Z方向最大沉降位移減小了1.1e-2m，明顯減小，說明管片襯砌的及時(shí)施做能夠有效控制隧道變形。

3)以上結(jié)論說明，在進(jìn)行地下綜合管廊施工時(shí)，應(yīng)及時(shí)有效施做襯砌結(jié)構(gòu)。未開展對管片施做前后的應(yīng)力分析，此方面有待進(jìn)一步研究。