張宏建，岑仰潤(rùn)，熊曉亮，劉恒新，賴小勇

（杭州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310012）

城市地下綜合管廊建設(shè)中相關(guān)巖土工程問題的探討

張宏建，岑仰潤(rùn)，熊曉亮，劉恒新，賴小勇

（杭州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310012）

城市地下綜合管廊對(duì)于城市建設(shè)具有重要意義，可以有效地緩解城市道路積水、交通擁堵；解決反復(fù)開挖路面；防止管線破裂等事故發(fā)生。由于管廊深埋地下，同時(shí)我國(guó)地大物博，南北地層條件差異大，建設(shè)過程中不可避免地會(huì)遇到各種各樣的巖土工程問題。為了給管廊的選址、勘察、設(shè)計(jì)、施工提供參考，在此針對(duì)管廊建設(shè)中可能遇到的一些主要問題進(jìn)行探討，主要包括以下方面∶區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及地震效應(yīng)、滑坡導(dǎo)致的管廊變形；軟弱地基引起的管廊不均勻沉降；開挖方式問題；地鐵長(zhǎng)期振動(dòng)對(duì)管廊的影響。

城市；地下綜合管廊建設(shè)；巖土工程

地下綜合管廊是指在城市地下用于集中鋪設(shè)通信、電力、給排水、熱力、燃?xì)?、廣播電視等市政管線的公共隧道。地下綜合管廊可以將各種管線統(tǒng)一規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工，為管線的管理、日常維護(hù)提供極大便利。避免路面反復(fù)開挖，阻礙交通，影響城市形象；防止管線破裂等一些事故危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

目前，我國(guó)城市地下綜合管廊建設(shè)還比較滯后，除了各管線部門溝通不暢的原因外，我國(guó)關(guān)于地下綜合管廊的技術(shù)規(guī)范還比較欠缺，建設(shè)經(jīng)驗(yàn)不足。中國(guó)地大物博，各個(gè)城市地質(zhì)條件、土層性質(zhì)都不一樣，南北差異大，所以綜合地下管廊建設(shè)難度，需要考慮的涉及到巖土工程方面的問題也不一樣。這里，筆者就管廊建設(shè)需要考慮的一些主要巖土工程問題進(jìn)行分析。

1 不良地質(zhì)條件問題

1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及地震效應(yīng)

常見地質(zhì)構(gòu)造中，斷層對(duì)管廊危害較大。當(dāng)管廊穿越斷層時(shí)，在地震效應(yīng)作用下，管廊將發(fā)生破壞［1］。斷層可分為走滑斷層、正斷層、逆斷層。走滑斷層主要發(fā)生在水平面，對(duì)管廊產(chǎn)生剪切作用；正斷層由重力和張力作用下形成，易使管廊發(fā)生拉伸變形；逆斷層受到擠壓應(yīng)力作用形成，易使管廊承受壓縮變形。

管廊穿越斷層時(shí)，破壞模式有3種可能性：拉裂、局部屈曲和梁式屈曲［2］。對(duì)于跨斷層管廊目前并無明確的技術(shù)規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，活動(dòng)斷層作用下管廊變形破壞一般發(fā)生在斷層兩側(cè)，所以在管廊選線設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免穿越斷層，不能改線時(shí)，應(yīng)考慮斷層和地震綜合作用下管廊的變形破壞模式，并提出應(yīng)對(duì)措施。

飽和粉砂土由于孔隙中充滿水，在一定強(qiáng)度地震作用下，孔隙水壓力上升，導(dǎo)致土體之間骨架受力逐漸變小，即有效應(yīng)力變小，最后趨于零，土顆粒處于懸浮狀態(tài)，粉砂土抗剪強(qiáng)度消失，喪失承載力，產(chǎn)生液化現(xiàn)象。管廊地基土液化后承載力消失，將發(fā)生液化沉陷，對(duì)管廊工程造成極大破壞。對(duì)于液化沉陷，現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定了明確的處理措施。綜合管廊工程按照乙類建筑物進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)［3］，規(guī)范規(guī)定，抗震設(shè)防烈度小于等于6度時(shí)，可不進(jìn)行液化辨別，液化判別標(biāo)準(zhǔn)詳見規(guī)范GB 50011—2011［4］。地基液化等級(jí)為輕微時(shí)，應(yīng)部分消除液化沉陷，對(duì)基礎(chǔ)或上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理；地基液化等級(jí)為中等時(shí)，全部消除液化沉陷或部分消除液化沉陷且對(duì)基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)處理；地基液化等級(jí)為嚴(yán)重時(shí)，全部消除液化沉陷。

砂土液化過程中，管道變形破壞的過程是極其復(fù)雜的。由于超孔隙水壓力急劇上升，管道所受浮力增大，同時(shí)土骨架之間有效應(yīng)力減少導(dǎo)致上覆土抗浮作用減弱，因此，管廊抗浮設(shè)計(jì)應(yīng)引起充分重視?，F(xiàn)場(chǎng)震害和室內(nèi)模型試驗(yàn)證明，管道由于浮力作用遭受破壞這一問題甚至比由于地基承載力的喪失造成震陷更加突出［5］。管廊抗浮設(shè)計(jì)并無明確規(guī)范規(guī)定。設(shè)計(jì)時(shí)在消除液化土層的同時(shí)，應(yīng)考慮抗浮驗(yàn)算，加強(qiáng)場(chǎng)地地基土的排水條件，消散液化時(shí)的超孔隙水壓力。在液化層和非液化層處管道設(shè)置接頭，增強(qiáng)管廊的抗變形能力。

1.2 滑坡

我國(guó)一些城市丘陵地帶，山體比較多，比如重慶，滑坡災(zāi)害多發(fā)，在滑體上施工地下管廊需要開挖一條狹長(zhǎng)的溝槽，形成臨空面，使得原本欠穩(wěn)定的邊坡產(chǎn)生滑坡。管廊除受到垂直的土壓力之外，還受到斜向下的滑坡推力（圖1），極易發(fā)生變形破壞。由于管廊中有給、排水管道，管道破裂之后，造成漏水，使得滑坡地下水位上升，土體容重增加，軟化土體導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度降低，將加速滑坡滑動(dòng)。

圖1 滑坡中管廊位置示意圖

管廊設(shè)計(jì)施工應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的工程地質(zhì)勘察，評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性，避免在滑動(dòng)帶埋設(shè)管廊，如確實(shí)不能繞開，對(duì)于欠穩(wěn)定邊坡，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行加固治理，以提高其穩(wěn)定性。

1.3 軟弱地基

我國(guó)沿海地區(qū)、內(nèi)陸平原和山間盆地都廣泛分布濱海相沉積軟土和內(nèi)陸河湖沉積軟土，這些軟土包含飽和軟弱黏性土、淤泥［6］。此類土層對(duì)埋置于其中的管廊受力變形影響很大。

對(duì)埋置于軟弱土中的管廊進(jìn)行三維有限元分析，管廊截面尺寸采用標(biāo)準(zhǔn)斷面，見圖2。

圖2 管廊截面圖

有限元模擬主要參數(shù)見表1。

表1 有限元模擬主要參數(shù)

有限元模型見圖3，模型總寬度50 m，軟弱土處于中間位置，寬度分別為10、20、30 m。不考慮因固結(jié)而產(chǎn)生的沉降，管廊基坑開挖后位移清零，管廊和明挖基坑回填土產(chǎn)生的重力荷載作為上部荷載施加在坑底地基上。

圖3 有限元模型示意圖

圖4 軟弱土層不同寬度下管廊沉降量

由圖4可知，管廊最大沉降量發(fā)生在軟弱土中間位置，軟弱土寬度越寬，沉降量越大。說明軟弱土分布情況對(duì)管廊不均勻變形影響很大，管廊最大沉降處結(jié)構(gòu)的變形應(yīng)滿足規(guī)范要求［3，7］。實(shí)際工程中，應(yīng)做好前期地質(zhì)勘察工作，計(jì)算地基不均勻沉降帶來的影響。

城市中常見不良地基土還有欠固結(jié)土、膨潤(rùn)土、濕陷性黃土等，設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮土體的特殊性質(zhì)，采取合理的地基處理措施。同時(shí)，一些并不常見的不良地質(zhì)條件比如巖溶、土洞、地裂縫等，也應(yīng)在管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引起充分的重視，管廊施工前應(yīng)評(píng)估其影響，必要的話及早整治，防止施工后對(duì)管廊造成影響。

2 開挖問題

城市地下綜合管廊屬于地下空間的開發(fā)利用，自然涉及到開挖問題。目前地下管道常用開挖方法有明挖法、暗挖法。

2.1 暗挖法

暗挖法包括盾構(gòu)法、礦山法、頂管法。盾構(gòu)法對(duì)土層的適應(yīng)性比較強(qiáng)，在土和軟巖中均可掘進(jìn)，而且施工速度快。成功使用盾構(gòu)法建設(shè)的管廊有天津海河地下綜合管廊，由于管廊需要在河道下面施工，常規(guī)開挖方法不適用。但是盾構(gòu)法施工造價(jià)很高，成本幾乎接近地鐵隧道建設(shè)，不能大面積推廣。礦山法主要適用于粉質(zhì)黏土和軟巖，對(duì)于含水量高的土層需要采取多種措施，施工速度慢，地層適應(yīng)性差。頂管法主要用于軟土地區(qū)，施工工藝比較復(fù)雜，不宜長(zhǎng)距離頂進(jìn)，否則管廊容易偏位，需要設(shè)置大量工作井，不適合城市地下管廊的施工。

2.2 明挖法

我國(guó)在建及已建成的地下綜合管廊建設(shè)中，最常用的開挖方法還是明挖法，采用明挖法時(shí)，為防止開挖時(shí)土體坍塌，必須對(duì)基坑采取支護(hù)。寧波東部新城地下管廊建設(shè)開挖時(shí)采用明挖法，基坑支護(hù)形式采用攪拌樁加一定深度的放坡開挖，坡面噴射混凝土護(hù)面［8］；廣州大學(xué)城地下綜合管廊全長(zhǎng)約10 km，開挖時(shí)主要采取兩種基坑支護(hù)形式：1）放坡開挖，坡面50 mm 厚水泥砂漿護(hù)面；2）土質(zhì)較差段采用鋼板樁+鋼支撐［9］；大連小窯灣綜合管廊建設(shè)基坑支護(hù)形式同樣采用放坡、鋼板樁+鋼支撐基坑支護(hù)形式［10］。

對(duì)基坑進(jìn)行支護(hù)時(shí)，常用支護(hù)形式有如下幾種：

1）當(dāng)開挖深度較淺，土質(zhì)較好，周邊有足夠的放坡空間時(shí)，可采用放坡開挖；

2）土質(zhì)較差，挖深較深時(shí)，采用鋼板樁+鋼支撐；

3）挖深較淺，對(duì)變形要求不嚴(yán)格時(shí)，可采用重力式擋墻支護(hù)；

4）挖深很深，土質(zhì)較差，可采用灌注樁+鋼支撐，當(dāng)采用多道支撐時(shí)，建議第一道支撐采用鋼筋混凝土支撐，防止支撐被拉壞。由于現(xiàn)場(chǎng)情況千差萬別，基坑設(shè)計(jì)方應(yīng)根據(jù)開挖深度、土質(zhì)情況、周邊環(huán)境情況選擇合理的基坑支護(hù)形式。

基坑支護(hù)施工時(shí)應(yīng)保證施工質(zhì)量，防止事故發(fā)生。以下是基坑設(shè)計(jì)施工中的一些常見事故：

1）砂土中發(fā)生坑壁漏水時(shí)，容易誘發(fā)流砂管涌，造成地面坍塌；

2）坑底存在承壓水且上覆土壓力厚度不足以承受承壓水壓力水頭時(shí)，引起突涌，應(yīng)降低承壓水頭或采取其他措施，防止事故發(fā)生。

3）當(dāng)坑底存在有害氣體時(shí)，應(yīng)防止氣體溢出，否則坑底將形成空洞，造成土體下沉。

4）當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)比較弱時(shí)，還可能誘發(fā)土體的整體破壞。

3 其 他

我國(guó)已經(jīng)修建地鐵的城市有北京、上海、杭州、寧波、廣州、天津、南京等，正在修建地鐵的城市有杭州、蘇州、南昌、無錫、成都、重慶等。無論大、中、小城市都在掀起地鐵建設(shè)的熱潮。但是，地鐵對(duì)工程領(lǐng)域卻會(huì)造成一定影響。由于地下管廊也是在開發(fā)城市地下空間，城市地下管廊和地鐵隧道將不可避免地相距很近，筆者就地鐵列車的長(zhǎng)期震動(dòng)對(duì)管廊造成的影響進(jìn)行有限元分析。

土層主要參數(shù)見表2。

表2 土層主要參數(shù)

計(jì)算模型見圖5。

圖5 計(jì)算模型

土層基床系數(shù)及阻尼系數(shù)根據(jù)土的性質(zhì)求得。列車行駛時(shí)，存在鋼軌幾何不平順性和軌面波形磨耗效應(yīng)。求解列車動(dòng)力荷載時(shí)，需考慮到上述因素。對(duì)鋼軌取3個(gè)典型波長(zhǎng)：

1）考慮到車本身的不平順性，波長(zhǎng)L1= 10 m，正矢a1=5 mm；

2）考慮到附加動(dòng)力荷載產(chǎn)生的不平順性，波長(zhǎng)L2=1 m，正矢a2= 0.3 mm；

3）考慮到波形損耗的不平順性，波長(zhǎng)L3= 0.5 m，正矢a3=0.1 mm。根據(jù)梁波［11］提出的列車動(dòng)力荷載模型，荷裁隨時(shí)間變化曲線見圖6。取列車正常運(yùn)行速度v=60 km/h，即列車動(dòng)力荷載為：

圖6 荷載隨時(shí)間變化曲線

有限元計(jì)算進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)采用直接積分法，計(jì)算時(shí)間為10 s。計(jì)算結(jié)果見圖7、圖8。

圖7 列車動(dòng)荷載作用下模型最大豎向位移云圖

圖8 列車動(dòng)荷載作用下管廊沉降隨時(shí)間變化圖

由計(jì)算結(jié)果可知，管廊底最大沉降約為0.8 mm。

當(dāng)列車長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，根據(jù)Monismith［12］，Li和Selig［13］提出的循環(huán)荷載作用下路基的累計(jì)塑性變形，計(jì)算管廊的豎向沉降，見下式。

式中：εp為土的塑性應(yīng)變；

a、b、m為土層常數(shù)；

N為動(dòng)荷載循環(huán)次數(shù)；

qd為動(dòng)偏應(yīng)力；

qf為土的靜強(qiáng)度；

s為累計(jì)沉降值；

hi為第i層土厚度。

對(duì)于軟土取a=1.2、b=2.1、m=0.2；黏土取a=0.9、b=2.0、m=0.18［13］。根據(jù)有限元計(jì)算提取的應(yīng)力結(jié)果，軟土層中qd=2.4 kPa，qf=195 kPa，黏土層中qd= 5.3 kPa，qf=1 050 kPa。

假設(shè)地鐵一年運(yùn)行20萬次，通過計(jì)算可得地鐵長(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)管廊沉降造成的影響，見圖9。

圖9 列車動(dòng)荷載長(zhǎng)期作用下管廊沉降變化圖

由計(jì)算結(jié)果可知，一年內(nèi)管廊沉降達(dá)到20 mm左右，長(zhǎng)期列車動(dòng)荷載對(duì)管廊沉降影響明顯，此后10年內(nèi)管廊沉降增長(zhǎng)速度放緩。為防止不均勻沉降對(duì)管廊帶來的影響，對(duì)距地鐵隧道距離較近處管廊地基應(yīng)加強(qiáng)。同時(shí)驗(yàn)算地鐵車輛運(yùn)行引起的震動(dòng)對(duì)綜合管廊內(nèi)各種管線的影響，如有必要，應(yīng)加設(shè)彈性支座等各種減震、隔震設(shè)施。

4 結(jié) 語(yǔ)

城市地下綜合管廊在規(guī)劃選線、地基條件、開挖深度、施工工藝、涉及到的周邊環(huán)境、地質(zhì)條件因地區(qū)不同而表現(xiàn)出很大的差異性，涉及到的巖土工程問題也不一樣。規(guī)劃、設(shè)計(jì)施工前，應(yīng)做好詳細(xì)的地質(zhì)勘察工作，評(píng)估不良地質(zhì)條件對(duì)管廊建設(shè)造成的影響。加強(qiáng)施工階段的監(jiān)測(cè)，力求做到信息化施工，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，防范于未然，最終實(shí)現(xiàn)管廊建設(shè)的跨越式發(fā)展。

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Discussion on the Problems of the Relevant Geotechnical Engineering in the Construction of Urban Underground Conprehensive Pipe Gallery

ZHANG Hongjian， CEN Yangrun， XIONG Xiaoliang， LIU Hengxin， LAI Xiaoyong

TU990.3

B

1008-3707（2016）08-0013-05

2016-03-30

張宏建（1982—），男，江蘇南通人，工程師，從事巖土工程設(shè)計(jì)方面的工作。