綜合管廊施工中鋼筋混凝土管片襯砌性能研究

陳就坤

（深圳市水務(wù)工程檢測有限公司,廣東 深圳 518000）

1 前言

地下綜合管廊成為現(xiàn)代化大型城市市政工程的重要標(biāo)志,它有利于市政設(shè)施的合理高效維護(hù),顯著降低了維護(hù)成本,極大提高了各項(xiàng)市政設(shè)施的可靠性。姚源等[1]研究了多種混凝土摻加劑對地下管廊混凝土耐久性的影響,得出了各摻加劑對關(guān)乎耐久性的各關(guān)鍵指標(biāo)的影響規(guī)律,為地下管廊混凝土的配置提供了可靠指導(dǎo)。王亮等[2-3]針對蘇州市夏季高溫高濕的氣候容易造成地下管廊內(nèi)匯集露水,從而影響混凝土的強(qiáng)度的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一套除濕裝置用于易出現(xiàn)該類狀況的地下管廊的除濕,并進(jìn)行了原位試驗(yàn),結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)除濕裝置能夠有效降低地下管廊內(nèi)的濕度。胡志平等[4-5]針對某市廣泛分布的地裂縫,設(shè)計(jì)了模型試驗(yàn)研究地下管廊在穿越地裂縫時(shí)的變形和破壞過程及特征,為類似穿越地裂縫的地下管廊的設(shè)計(jì)提供了幫助。張軍等[6-7]基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本理論建立了多因素量化工程施工質(zhì)量的方法,為施工質(zhì)量的前期控制在地下綜合管廊施工中的應(yīng)用提供了幫助。王輝等[8]通過對施工現(xiàn)場相關(guān)資料的收集整理,分析了雙模掘進(jìn)機(jī)在地下綜合管廊預(yù)制拼裝施工中的缺點(diǎn),為新型掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了技術(shù)支撐。部分技術(shù)人員采用ABAQUS 軟件對現(xiàn)澆承插式管廊接頭部位的變形和破壞特征進(jìn)行了分析,并與理論計(jì)算結(jié)果互相印證,為承插式管廊接頭部位可能出現(xiàn)的各類不良問題的治理提供了可靠的理論支撐。

本文結(jié)合某地下管廊實(shí)際尺寸,在FLAC3D 模擬地下管廊分步開挖施工,同時(shí)采用襯砌結(jié)構(gòu)對開挖后的土體進(jìn)行模擬襯砌施工,設(shè)置好相關(guān)數(shù)值模擬參數(shù)后,進(jìn)行分步開挖施工計(jì)算,獲得管廊橫截面在施做襯砌前和襯砌后的應(yīng)力云圖,得出襯砌的及時(shí)施做對控制管廊變形等具有巨大作用。

2 工程地質(zhì)

地下綜合管廊位于廣東省深圳市內(nèi),將電力、通信,燃?xì)?、排水等各種工程管線集于一體,實(shí)施統(tǒng)一規(guī)劃和管理,是保障城市運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和“生命線”。管廊剖面示意圖見圖1,管廊采用圓形截面,管廊直徑4m,埋深3 m,管片采用鋼筋混凝土預(yù)制管片,本次模擬中用到的黃土及混凝土襯砌管片的相關(guān)物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

圖1 城市地下管廊剖面圖

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3 FLAC3D 中殼型結(jié)構(gòu)單元

FLAC3D 軟件中提供了三種殼型結(jié)構(gòu)單元,主要包括shell 單元、geogrid 單元和liner 單元,其中,針對不同的殼型結(jié)構(gòu)單元,需要賦值不同的參數(shù),如表2所示,本次隧道開挖襯砌選用設(shè)置liner 單元模擬鋼筋混凝土襯砌施做。

表2 FLAC3D 中的殼型結(jié)構(gòu)單元

4 模型建立

如圖2所示構(gòu)建的模型,隧道頂部距地表3m,隧道內(nèi)徑4 m,靠近隧道處,網(wǎng)格劃分較密,遠(yuǎn)離隧道逐漸稀疏。模擬時(shí),固定x=-5 面的x 方向節(jié)點(diǎn)速度,固定y=0 面的y 方向節(jié)點(diǎn)速度,固定z=-5 面的z 方向節(jié)點(diǎn)速度,固定x=5,y=5,z=5 面的x、y、z 方向節(jié)點(diǎn)速度,采用分不開完,每步開挖1 m。襯砌管片為鋼筋混凝土材料,各向同性,厚度0.2 m。

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 方向應(yīng)力分布規(guī)律。

（1）未加襯砌支護(hù)時(shí),第一步開挖完成后

Z 方向應(yīng)力云圖見圖3。由圖3所示Z 方向應(yīng)力云圖,負(fù)值表示該部位正在承受壓縮變形,正值表示該部位正在承受拉伸變形,可知Z 方向最大張拉應(yīng)力位于拱頂和拱底處,最大值為2.5×105N,這說明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。這說明,在未加襯砌支護(hù)時(shí),第一步開挖完成后,隧道在與重力方向一致方向上呈現(xiàn)出上部向下位移,下部向上位移,隧道豎直方向周圍圍巖由受力較大位置處向隧道內(nèi)空洞發(fā)生位移變化,隧道周圍土體由受力較大處向臨空面無受力位置處發(fā)生位移變化。

圖3 未加支護(hù)時(shí)Z 方向應(yīng)力云圖

由圖4所示X 方向應(yīng)力云圖,同樣的,在此圖中有,負(fù)值表示該部位正在承受壓縮變形,正值表示該部位正在承受拉伸變形,可知X 方向最大張拉應(yīng)力位于兩側(cè)拱腰處,最大值為2.5×105N,由X 方向應(yīng)力云圖同樣可知,隧道橫斷面整體呈現(xiàn)兩幫向內(nèi)擠壓變形特征。這說明,在未加襯砌支護(hù)時(shí),第一步開挖完成后,隧道在與重力方向垂直的水平方向上呈現(xiàn)出左側(cè)向右側(cè)位移變化,右側(cè)向左側(cè)位移變化,隧道水平方向周圍圍巖由受力較大位置處向隧道內(nèi)空洞發(fā)生位移變化,隧道周圍土體由受力較大處向臨空面無受力位置處發(fā)生位移變化。

圖4 未加支護(hù)時(shí)X 方向應(yīng)力云圖

由以上X、Z 方向應(yīng)力分析可知,應(yīng)力集中區(qū)主要位于隧道的上部、下部和兩側(cè)處,有應(yīng)力分布云圖可知,隧道整體呈現(xiàn)出拱頂下沉、拱底上升,兩幫向內(nèi)收斂縮小的變形特征。

（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 方向應(yīng)力云圖見圖5。由圖5所示Z 方向應(yīng)力云圖,負(fù)值表示該部位正在承受壓應(yīng)力,正值表示該部位正在承受拉應(yīng)力,可知Z 方向最大張拉應(yīng)力位于拱頂和拱底處,最大值為2.5×105N,說明隧道在橫斷面上整體呈現(xiàn)出下方上升、上方塌落的變形風(fēng)險(xiǎn)特征。在這種情況下,盡管最大張拉應(yīng)力值相較于未施做襯砌時(shí)相同,但是最大張拉應(yīng)力范圍較未施做襯砌時(shí)的分布范圍,明顯縮小了很多。

圖5 加了襯砌后Z 方向應(yīng)力云圖

圖6 加了襯砌后X 方向應(yīng)力云圖

襯砌管片施做完成后,由圖6所示X 方向應(yīng)力云圖,同樣的,在此圖中有,負(fù)值表示該部位正在承受壓應(yīng)力,正值表示該部位正在承受拉應(yīng)力,可知X 方向最大張拉應(yīng)力位于兩側(cè)拱腰處,最大值為2.5×105N,由X 方向應(yīng)力云圖可知,在橫斷面上,隧道整體呈現(xiàn)由兩幫向內(nèi)收斂擠壓變形特征。在這種情況下,X 方向應(yīng)力分布特征也有與Z 方向應(yīng)力分布相同的特征,即盡管最大張拉應(yīng)力值相較于未施做襯砌時(shí)相同,但是最大張拉應(yīng)力范圍較未施做襯砌時(shí)的分布范圍,明顯縮小了很多。

由以上X 方向、Z 方向應(yīng)力分析可知,橫斷面上,隧道最大應(yīng)力集中分布于頂部、底部和兩側(cè),整體變形特征相較于未施做襯砌時(shí)的變形特征相同,同樣呈現(xiàn)出四周向內(nèi)收斂的總體特征,也即上部向下、下部向上,兩側(cè)向中間收斂的變形特征。但是,在施做了襯砌的這種情況下,盡管X 方向、Z 方向最大張拉應(yīng)力值與未施做襯砌時(shí)的相同,但是X 方向、Z 方向最大張拉應(yīng)力范圍明顯較未施做襯砌時(shí)的縮小了很多。

6 結(jié)論

（1）橫斷面上,隧道最大應(yīng)力集中分布于頂部、底部和兩側(cè),變形上呈現(xiàn)出四周向內(nèi)收斂的總體特征,即上部向下、下部向上,兩側(cè)向中間收斂。

（2）相較于未施做襯砌管片時(shí),襯砌管片施做后,X 方向、Z 方向最大應(yīng)力區(qū)分布范圍明顯縮小。

（3）建議施工時(shí),及時(shí)進(jìn)行鋼筋混凝土管片襯砌施工,及時(shí)控制最大應(yīng)力的繼續(xù)發(fā)展,以免造成安全事故。