段文峰 尹思達 李 明

(吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，長春 130118)

城市地下綜合管廊對滿足民生基本需求和提升市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)施展著重要的作用[1],但在管廊過河床段建設(shè)問題中參考隧道施工方法，隧道與廊體卻存在著形狀、埋深等諸多不同的要素.本文采用軟件建模分析與理論計算相結(jié)合的方式進行探討.本研究所在位置在吉林大路下方與亞泰大街交匯，下穿伊通河的管廊過河段覆土厚度要求.通過考慮盾構(gòu)機推進和抗浮，得到理論下最小覆土厚度要求.利用GOCAD和FLAC3D進行軟件建模并分析，綜合得出在未來按規(guī)劃管廊過河床段建設(shè)中覆土厚度的可行性意見.

1 理論分析方法

常規(guī)非開挖方法主要參考隧道施工，由于在管廊過河段建設(shè)中不適用于明挖法，而盾構(gòu)法作為暗挖法施工中的一種常用的施工方法，具有安全、經(jīng)濟、開挖快、有利于保護環(huán)境和降低勞動強度等特點，成為管廊過河的最優(yōu)施工方法.所以本文采用盾構(gòu)法開始下面理論分析方法介紹.

1.1 盾構(gòu)機安全推進的最小覆土厚度

盾構(gòu)機前進時會對前方土體施加推進壓力,推進壓力與前方土層關(guān)系如下[2]：

(1) 當其推進壓力小于前方土體的主動土壓力時,土體則將會坍塌至土倉中,覆土層破裂,河水沿裂縫涌入,造成嚴重的工程事故.

(2) 當其推進壓力介于主動土壓力與被動土壓力之間時,前方覆土層產(chǎn)生沉降,與后續(xù)施工造成的沉降相疊加,影響總沉降量的控制.同時,由于前方土體被擾動,盾構(gòu)機變得難以控制,盾構(gòu)機推進壓力作用點與土體土壓力作用點難于重合于一條直線上,影響工程質(zhì)量.

(3) 當推進壓力介于靜水壓力與被動土壓力之間時,可以使前方土體稍稍隆起,彌補后續(xù)沉降作用,是適于盾構(gòu)機推進的最好選擇.

(4) 當推進壓力大于被動土壓力時,前部覆土層破碎,河水涌入盾構(gòu),造成嚴重的工程事故.

根據(jù)上述分析,將盾構(gòu)機推進壓力維持在被動土壓力和靜止土壓力之間為依據(jù),得出盾構(gòu)機推進的最小覆土層公式為[3](示意圖見圖1):

(1)

式中，h為盾構(gòu)機安全推進的覆土厚度,m;Pg為土倉壓力,kN;D為盾構(gòu)外徑,m;c為土的粘聚力,kPa;Kp為被動土壓力系數(shù);Hw為水深,m;γw為水的容重,kN/m3;γw′為土的浮容重,kN/m3.

圖1 盾構(gòu)機推進覆土厚度公式示意圖Fig.1 Diagram of the earth thickness formula of the shield machine

圖2 抗浮要求覆土厚度公式示意圖Fig.2 Diagram of the thickness formula of anti floating requirement

1.2 滿足抗浮要求最小覆土厚度

廊體穿過飽和土層的部分會受到土層中孔隙水的浮力[4],當浮力大于上部覆土和管廊以及內(nèi)部重力之和時，廊體將上浮，發(fā)生危險.同時，壁后注漿的漿液也會對廊體產(chǎn)生浮力，而且比飽和土帶來的浮力大得多，并且盾構(gòu)機推進導(dǎo)致地基卸載，廊體在地基回彈作用下會向上偏離.浮力和地基回彈的共同作用下，覆土層易產(chǎn)生隆起，若得不到控制則容易發(fā)生土層破裂，河水涌入，嚴重影響廊體和施工的安全.考慮盾構(gòu)機前進時導(dǎo)致的土層損失與地基回彈作用相抵消，廊體上方最小覆土厚度計算公式[1]為(示意圖見圖2):

(2)

式中，h為滿足抗浮要求的覆土厚度,m;R0為廊體外半徑,m;γy為壁后注漿混凝土容重,kN/m3;R1為廊體內(nèi)半徑,m;rc為管片混凝土厚度,m;γw′為土的浮容重,kN/m3.

2 模擬分析

2.1 軟件簡介

GOCAD(Geological Object Computer Aided Design)是主要應(yīng)用于地質(zhì)領(lǐng)域的三維可視化建模軟件，具有強大的三維建模、可視化、地質(zhì)解譯和分析的功能.GOCAD可以將重要數(shù)據(jù)可視化，利用模擬自然物體而單獨設(shè)計的插值方法，近似于微分方程的有限元方面，用一系列具有空間實體物理性質(zhì)、相互關(guān)聯(lián)的點來模擬地質(zhì)體，已知的空間和屬性信息轉(zhuǎn)化為線性約束，引入到模型生成全過程.該軟件可以對每一個空間幾何對象賦予真實的地質(zhì)信息，為分析做準備[5].

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)能夠模擬分析巖土質(zhì)、其他材料等三維結(jié)構(gòu)受力特征和塑性破壞流動問題，并通過調(diào)整三維網(wǎng)格中多面體單元擬合實際結(jié)構(gòu).當材料在外力作用下發(fā)生位移后，網(wǎng)格能夠適應(yīng)相應(yīng)的移動及變形.FLAC3D采用混合“混合離散法”對材料的塑性流動和破壞進行模擬，此法將土體看成不連續(xù)介質(zhì)，允許土體發(fā)生移動、分離、旋轉(zhuǎn)，所以能夠比較真實地模擬土體的在力作用下的變形過程[6].

GOCAD強大的三維可視化建模能力和FLAC3D分析能力，正適用于本問題模擬分析.

2.2 GOCAD建模過程示意

簡述其建模思想為我們將各鉆孔數(shù)據(jù)收集整理為原始鉆孔數(shù)據(jù)庫，建立井模型，然后根據(jù)各個井的分布情況形成土層界面，最后生成體，構(gòu)成三維地質(zhì)模型[7].具體流程見圖3.

圖3 GOCAD建模流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of GOCAD modeling process

圖4 FLAC3D求解流程示意圖Fig.4 Schematic diagram of FLAC3D solution process

2.3 FLAC3D處理及分析示意

在模型大致完成的基礎(chǔ)上，需要對模型進行前期處理，將廊體對應(yīng)位置挖出單元，插入同步注漿單元與廊體單元.輸入各個土層對應(yīng)荷載，設(shè)置邊界條件，定義材料性質(zhì)后，進行初始應(yīng)力平衡，完成分析模型的建立.在上表面加載其對應(yīng)的水荷載，進行模擬并求解，等待計算過程后，得出計算結(jié)果[8].如圖4為FLAC3D求解流程.

3 工程實例

3.1 工程背景

如圖5所示，按規(guī)劃研究所在區(qū)域為亞泰大街東側(cè)，長春大橋附近，平行于吉林大路進行下穿伊通河的管廊建設(shè).地勢總體坡度較小，兩側(cè)稍高，中間較低，研究所在區(qū)域的地貌類型為松遼波狀平原東緣與吉東山地接址帶，地貌單元由西向東依次為：長春市波狀臺地、伊通河一級階地.蘊藏著較豐富的地下水資源.本次勘察主要涉及到與地鐵工程建設(shè)有直接影響的是地下潛水.本次勘察實測地下水穩(wěn)定水位埋深0.00m～5.10m，穩(wěn)定水位高程介于232.28m～231.96m.

圖5 管廊過河段規(guī)劃位置示意圖Fig.5 Diagram of the planning of the pipe gallery crossing the river

3.2 建模及模擬

圖6表明，河床并不平整，呈現(xiàn)凹凸不平的趨勢，因此，本文討論覆土層厚度取其最危險位置即最小覆土層厚度高程為222.08m處.研究表明[9]，盾構(gòu)機的推力僅在管廊寬度和高度的3～5倍左右影響周圍土體的應(yīng)力和應(yīng)變，因此模型的計算邊界應(yīng)為管廊寬度的3～5倍.為了消除邊界效應(yīng)的影響，模型的底部在管廊最近邊緣處為18m，管廊兩側(cè)的最近邊緣為24m，上側(cè)取至伊通河的底部.坐標遠點位于圓形管廊的中心.Y軸的軸線是沿著管廊的軸線，X軸是管廊橫向方向.管廊模型橫向為54m，縱向為130m，高度為40m.

圖6 盾構(gòu)機下穿區(qū)段地質(zhì)剖面圖Fig.6 Geological section of the lower section of the shield machine

根據(jù)測孔數(shù)據(jù)，在GOCAD中建立三維地質(zhì)模型見圖7.

將模型導(dǎo)入FLAC3D中，挖出廊體位置，插入剛體廊體單元和其同步注漿單元見圖8，圖9.

輸入相對應(yīng)荷載，在FLAC3D中形成模型見圖10.

圖7 GOCAD三維地質(zhì)模型圖Fig.7 Diagram of GOCAD 3D geological model

圖8 廊體單元圖Fig.8 Diagram of pipe gallery unit

圖9 同步注漿單元圖Fig.9 Diagram of synchronous grouting unit

圖10 FLAC3D模型圖Fig.10 FLAC3D model diagram

3.3 優(yōu)化分析及結(jié)果

3.3.1 優(yōu)化分析

為了研究盾構(gòu)區(qū)間不同覆土厚度對隧道穩(wěn)定性的影響，分別建立了3個不同埋深條件Hi(Hi=13m,16m,19m,i=1,2,3)下的開挖工況.根據(jù)盾構(gòu)機手冊規(guī)定，按照土體埋深考慮靜水壓力及土體壓力，假設(shè)盾構(gòu)機掘進壓力為300kPa，如表所示.因為過伊通河段隧道區(qū)間較長，且伊通河?xùn)|西岸的工程地質(zhì)特征不一致，故選取了幾個有代表性的分析區(qū)段.

表1 施工工況Table 1 Construction condition table

3.3.2 優(yōu)化結(jié)果

(1) 如圖11所示，在埋深13m條件下,廊體最大形變出現(xiàn)在拱頂、拱肩即為圖中藍色位置,最大形變量為7.28mm,最大沉降為6.4mm即圖中紅色位置.

圖11 埋深13 m位移圖Fig.11 Displacement at depth of 13 m

圖12 埋深16m位移圖Fig.12 Displacement at depth of 16 m

(2) 如圖12所示，在埋深16m條件下,廊體最大形變出現(xiàn)在拱頂即為圖中藍色位置,最大形變量為8.1mm,最大沉降量為6.98mm即圖中紅色位置.

(3) 如圖13所示，在埋深19m條件下,廊體最大形變出現(xiàn)在拱頂即為圖中藍色位置,最大形變量為9.29mm,最大沉降量為7.9mm即圖中紅色位置.

圖13 埋深19 m位移圖Fig.13 Displacement at depth of 19 m

在相同的推進壓力施工條件下，最大變形出現(xiàn)在拱頂、拱肩位置處.變形范圍與埋深呈正相關(guān)，在19m埋深條件下的廊體的變形影響范圍明顯大于13m，16m的情況，拱頂和拱底的位移同與埋深呈現(xiàn)正相關(guān)，19m埋深條件下拱頂最大沉降9.3mm，16m埋深條件下沉降8.1mm，13m埋深條件下最大沉降7.3mm，均在20mm內(nèi)，滿足要求；且地層變形左右都以對稱形式分布，廊體拱頂?shù)某两抵岛凸暗椎穆∑鹬惦S覆土厚度的增長而增長，且增幅隨著覆土厚度的增長而增長，可見埋深越大，廊體的變形越大.

4 結(jié)論

本文以規(guī)劃研究位置為依托，采用軟件建模分析與理論計算相結(jié)合的方式探討了該位置的管廊過河段建設(shè)中覆土厚度要求.得出以下結(jié)論：由理論分析過程當中考慮盾構(gòu)機推進及抗浮要求，獲得理論條件下最小覆土厚度要求；由軟件建模分析得出，管廊的變形量、沉降量與廊體埋深呈正相關(guān)，所以最大覆土厚度要求由廊體變形確定.總而言之，覆土厚度范圍由理論確定最小厚度、實際工況與廊體變形要求共同確定.