鋼筋砼管片選型與管廊應變關系研究

毛 頓

（陜西恒業(yè)建設集團有限公司,陜西 西安 710000）

1 前言

預制拼裝法在工程建設的各個領域得到廣泛應用,尤其在類似管廊洞室的長線式地下空間工程建設中,鋼筋砼管片作為現(xiàn)代綜合管廊洞室圍巖的支撐,其規(guī)格參數(shù)與洞室圍巖的變形有密切關系。王建波等[1-2]就目前普遍采用的PPP模式的地下管廊項目中的風險分擔問題進行了研究,提出了一種可有效使用的風險分擔方法。黃劍等[3-4]對深厚軟土地層中的地下管廊沉降控制方法進行了探討,認為在設計時有措施應對軟土中管廊沉降,施工中有效實施和合理改進,建成后進行監(jiān)測預警的方法,可有效保證該類地層中的管廊建設和運營安全。卜令方等[5]對我國當前存在的綜合管廊出現(xiàn)的廣泛方面的問題進行了總結,認為當前建設綜合管廊的技術已臻成熟,應對綜合管廊的長期可靠運營進行深入研究。喬柱等[6-7]通過分析綜合管廊項目的成本和效益特點,指出應建立適當?shù)木C合管廊有償使用機制,并提出了“使用者付費原則”的定價收費方法。錢喜玲等[8-9]采用Fluent軟件進行了天然氣泄露的擴展模擬,通過模擬獲得的結果對報警器的設計和安裝起到了指導作用。韋海民等[10-11]分析了近年來有關地下綜合管廊的文獻特點,指出了地下管廊的研究熱點,并對未來地下管廊的研究方向給出了建議。

以下結合某綜合地下管廊工程,在FLAC3D中進行數(shù)值分析研究,主要對預制砼管片的規(guī)格和參數(shù)與管廊洞室圍巖變形之間的關系進行了研究,通過對C35和C50兩種鋼筋砼管片條件下支護圍巖體時的圍巖位移特點的對比分析,獲得相應的規(guī)律,為相似地質條件管廊洞室工程施工時不同規(guī)格的砼管片的選擇提供了借鑒。

2 工程地質

某工程項目管廊洞室長約10.2 km,平面上呈環(huán)型網狀形式,該管廊建成后預計將收納包括通信管線、電力電纜管線、給水管、空調供回水管等多種市政設施管線,市政地位十分突出,洞室斷面采用圓形斷面,見圖1。洞室埋深5 m,洞室直徑5 m,洞室周邊土體為第四紀粉質粘砂土地層,相關物理力學參數(shù)見表1,管廊洞室的支護材料預計在C35和C50兩種鋼筋砼管片之間進行選擇,據實驗測量兩種材料的力學性質和物理參數(shù)見表1。

圖1 城市地下管廊剖面圖

表1 巖土體物理力學參數(shù)

3 兩種規(guī)格管片模擬

專門的襯砌單元為用戶應用FLAC3D進行相關支護條件的洞室圍巖變化模擬提供了可能和便利,用戶可通過對相關參數(shù)進行設置,從而實現(xiàn)對不同規(guī)格襯砌結構特征的模擬計算,在以下,主要通過Liner單元對兩種規(guī)格管片進行模擬,需要設置的相關力學性質和物理參數(shù)見表2。

表2 兩種規(guī)格襯砌的設定

4 模型建立

管廊洞室開挖掘進支護模型見圖2,自洞室頂部向上圍巖厚度為5 m,以模擬實際的5 m埋深,圍巖土層（粉質粘砂土層）的力學性質和物理參數(shù)見表1。實際模擬時,通過將初始平衡后的位移清零,再進行開挖支護模擬,第一次對C35 類型的鋼筋砼管片進行模擬計算,計算完成獲得相應的云圖后,再采用相同的方法對C50 類型的鋼筋砼管片進行數(shù)值計算。

圖2 綜合管廊洞室施工模型

5 模擬結果

以下分述兩種規(guī)格的鋼筋砼管片支護管廊洞室時的圍巖土體蠕動變化情況。

（1）規(guī)格C35 的鋼筋砼管片

采用規(guī)格為C35 的鋼筋砼管片對管廊洞室進行開挖襯砌支護,經過開挖支護數(shù)值模擬計算后,得到如圖3 所示圍巖土體水平向蠕變云圖。洞室在水平方向的最大蠕變值為4.4×10-3m,最大蠕變值分布于洞室圍巖體正中間水平線處,向外蠕變值逐漸減小,在洞室周邊成環(huán)向圍繞洞室周長逐漸減小,較小的蠕變值分布區(qū)域逐漸增大。

圖3 規(guī)格C35鋼筋砼加固時圍巖水平向蠕變云圖

采用規(guī)格為C35 的鋼筋砼管片對管廊洞室進行開挖襯砌支護,經過開挖支護數(shù)值模擬計算后,得到如圖4所示圍巖土體豎向蠕變云圖。洞室在豎向方向的最大蠕變值約為4.4×10-3m,最大蠕變值分布于洞室圍巖體正中間豎直線處,向外蠕變值逐漸減小,在洞室周邊成環(huán)向圍繞洞室周長逐漸減小,較小的蠕變值分布區(qū)域逐漸增大。

圖4 規(guī)格C35鋼筋砼加固時圍巖豎向蠕變云圖

由以上對水平向、豎直向的蠕變云圖的探討,從中可以知道,最大水平向蠕變值分布區(qū)集中在洞室圍巖體正中間水平線處所在區(qū)域,最大豎向蠕變值分布區(qū)集中在洞室圍巖體正中間豎直線處所在區(qū)域,由洞室周邊向外側逐漸變小,在洞室周邊方向呈徑向減小趨勢擴散,且較小值區(qū)域分布面積逐漸變大。

（2）規(guī)格C50 的鋼筋砼管片

采用規(guī)格為C50 的鋼筋砼管片對管廊洞室進行開挖襯砌支護,經過開挖支護數(shù)值模擬計算后,得到如圖5 所示圍巖土體水平向蠕變云圖。洞室在水平方向的最大蠕變值為1.5×10-3m,與規(guī)格C35 的鋼筋砼管片獲得的最大蠕變值4.4×10-3m相比明顯減小,最大蠕變值分布于洞室圍巖體正中間水平線處,向外蠕變值逐漸減小,在洞室周邊成環(huán)向圍繞洞室周長方向逐漸減小,較小的蠕變值分布區(qū)域逐漸增大。

圖5 標號C40支護時水平方向應力圖

采用規(guī)格為C50 的鋼筋砼管片對管廊洞室進行開挖襯砌支護,經過開挖支護數(shù)值模擬計算后,得到如圖6所示圍巖土體豎向蠕變云圖。洞室在豎方向的最大蠕變值為2.0×10-3m,與規(guī)格C35 的鋼筋砼管片獲得的最大蠕變值4.4×10-3m相比明顯減小,最大蠕變值分布于洞室圍巖體正中間豎線處,向外蠕變值逐漸減小,在洞室周邊成環(huán)向圍繞洞室周長方向逐漸減小,較小的蠕變值分布區(qū)域逐漸增大。

圖6 標號C40支護時豎直方向應力圖

由以上對水平向、豎直向的蠕變云圖的探討,從中可以知道,最大水平向蠕變值分布區(qū)集中在洞室圍巖體正中間水平線處所在區(qū)域,最大豎向蠕變值分布區(qū)集中在洞室圍巖體正中間豎直線處所在區(qū)域,由洞室周邊向外側逐漸變小,在洞室周邊方向呈徑向減小趨勢擴散,且較小值區(qū)域分布面積逐漸變大。與規(guī)格C35 的鋼筋砼管片獲得的蠕變云圖相比,采用規(guī)格C50 的鋼筋砼管片蠕變值明顯減小。

6 結論

（1）由兩種規(guī)格的鋼筋砼管片支護后獲得的蠕變云圖,最大水平向蠕變值分布區(qū)集中在洞室圍巖體正中間水平線處所在區(qū)域,最大豎向蠕變值分布區(qū)集中在洞室圍巖體正中間豎直線處所在區(qū)域。

（2）水平向、豎向蠕變值由洞室周邊向外側逐漸變小,在洞室周邊方向呈徑向減小趨勢擴散,且較小值區(qū)域分布面積逐漸變大。

（3）規(guī)格C50的鋼筋砼管片蠕變值明顯小于規(guī)格C35的鋼筋砼管片獲得的蠕變值,建議在該粉質粘砂土中進行管廊洞室施工時,采用規(guī)格C50的鋼筋砼管片進行支護。