簡子健 ，丁猛猛 （安徽建筑大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601）

0 前言

城市地下綜合管廊已成為發(fā)達(dá)城市市政建設(shè)發(fā)展的象征和城市公共管理的一部分。目前，淺埋深挖法是管廊施工的主流方法。武建偉、宋衛(wèi)東[1]采用數(shù)值法和解析法兩種計(jì)算方案相結(jié)合的方法，在管棚超前支護(hù)作用下的淺埋深挖的施工過程中研究管棚的受力機(jī)理；陶祥令、馬金榮等[2]通過數(shù)值模擬和實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)相對(duì)比確定模擬結(jié)果的可靠，分析管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)的不同位置、角度、間距及注漿厚度等對(duì)隧道土體開挖中地表沉降的影響；吳余海[3]通過有限元分析軟件ABAQUS對(duì)管廊施工進(jìn)行數(shù)值模擬，分析管廊土體開挖過程中對(duì)周圍地表沉降和隧道拱頂沉降；王元清[4]結(jié)合西部地區(qū)地下管廊建設(shè)特點(diǎn)，分類總結(jié)出三種復(fù)合地層形式，并研究了淺埋暗挖施工過程中引起的地表位移和圍巖應(yīng)力重分布的規(guī)律。郭延華、馬駿等[5]運(yùn)用數(shù)值模擬軟件FLAC3D研究了不同開挖深度對(duì)地表沉降的規(guī)律。廖四海、黃立夫等[6]運(yùn)用數(shù)值模擬軟件FLAC3D研究不同埋深時(shí)管廊的四個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力分布的關(guān)系，并得出估算關(guān)系式。本文以西安市地下綜合管廊建設(shè)錦堤三路段為工程實(shí)例，通過有限元模擬軟件Midas GTS/NX對(duì)管廊土體進(jìn)行開挖數(shù)值模擬計(jì)算，將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行擬合分析，結(jié)果驗(yàn)證了模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。然后基于模擬的準(zhǔn)確性，提取注漿區(qū)的沉降量進(jìn)行研究，以驗(yàn)證開挖工況的沉降量能夠滿足實(shí)際施工要求的標(biāo)準(zhǔn)，為類似施工提供一定的理論支持。

1 工程概括

1.1 項(xiàng)目背景

西安地下綜合管廊建設(shè)PPP項(xiàng)目Ⅱ標(biāo)段錦堤三路段管廊項(xiàng)目位于西安市東郊浐灞生態(tài)區(qū)，在香槐六路的謝一村東北和東三環(huán)路交角西南側(cè)的秦家村南。場地地貌單元屬?zèng)哄焙記_積平原Ⅰ級(jí)階地，地形較平坦。

其中下穿世博大道段（里程為K1+014.5～K1+080.5），因市政管線較多且改遷較難,世博大道為城市快速路，不能中斷交通，現(xiàn)采用淺埋暗挖法設(shè)計(jì)施工。下穿世博大道管廊段內(nèi)底埋深按11.6m左右考慮，管廊暗挖段結(jié)構(gòu)寬度為 9.4m，高度為 4.8m，管廊結(jié)構(gòu)內(nèi)底標(biāo)高在370.98m左右。總平面圖如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)本次鉆探揭露，管廊沿線主要地層由上至下主要為雜填土、素填土、黃土狀粉質(zhì)黏土、中砂、卵石、粉質(zhì)黏土等組成；現(xiàn)將場地內(nèi)分布的地層從上至下敘述如表1。

圖1 錦堤三路段管廊平面圖

2 開挖及支護(hù)方案

2.1 開挖方案

采用CD暗挖工法施工，初支施工步驟如下：

①開挖前，對(duì)開挖輪廓線外1.5m范圍內(nèi),進(jìn)行注漿加固；

②拱部超前支護(hù)采用φ108大管棚+TSS超前小導(dǎo)管；

③采取CD法開挖，每一步按上、下超短臺(tái)階法開挖，利用工字鋼進(jìn)行臨時(shí)支撐，格柵鋼架做初期支護(hù)；

④頂部初襯預(yù)埋注漿管，待噴射混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后及時(shí)對(duì)初襯壁后進(jìn)行充填注漿。具體開挖順序如圖2所示。

2.2 管廊支護(hù)方案設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)遵循淺埋暗挖法原理進(jìn)行，一般通過工程類比結(jié)合地層特點(diǎn)以及埋深條件擬定相應(yīng)的支護(hù)類型，再通過必要的計(jì)算校核，合理確定支護(hù)體系參數(shù)。

各巖土層的分布表 表1

巖土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表 表2

超前支護(hù)：本次暗挖段設(shè)計(jì)采用的超前支護(hù)措施主要有超前大管棚、超前小導(dǎo)管以及超前預(yù)注漿。

初期支護(hù)：由格柵鋼拱架、鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土組成，并輔以超前支護(hù)。暗挖段地層情況較復(fù)雜，主要以黃土狀粉質(zhì)黏土、砂層、卵石為主，土體自穩(wěn)能力較差、壓力較大，需設(shè)置臨時(shí)支撐以控制圍巖變形。

2.2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

①管廊支護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸：寬度9.4m、高度 4.8m；

②預(yù)注漿：注漿采用MC超細(xì)水泥、普通水泥、水玻璃混合漿液材料體系；

③超前支護(hù)：拱頂采用φ108大管棚和φ42超前小導(dǎo)管進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，環(huán)向間距40cm；

④初期支護(hù)：格柵鋼拱架、縱向0.5m/榀、30cm網(wǎng)噴混凝土；

⑤豎向臨時(shí)支撐：工20b型鋼，縱向間距 0.5m。

3 數(shù)值分析計(jì)算模型

3.1 模型建立

圖3 錦堤三路暗挖監(jiān)測平面圖

錦堤三路段管廊利用M idas GTS NX軟件建立三維有限元模型。管廊開挖段結(jié)構(gòu)斷面尺寸寬度為10.06m，高度為6.16m。數(shù)值模擬模型的構(gòu)建一般尺寸為結(jié)構(gòu)的3～4倍，故本次模型尺寸長37m、寬10m、高27m。本次計(jì)算模型選在設(shè)計(jì)里程范圍內(nèi)布置有數(shù)據(jù)監(jiān)測點(diǎn)的位置附近，暗挖監(jiān)測平面圖如圖3。管廊周邊土層采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，各土層物理力學(xué)參數(shù)詳見表2。整體模型如圖4所示。

圖4 整體管廊模擬結(jié)構(gòu)圖

4 模擬結(jié)果對(duì)比分析

4.1 地表沉降模擬結(jié)果對(duì)比分析

通過對(duì)管廊開挖工況的數(shù)值模擬，計(jì)算得出了管廊上方土體沉降數(shù)據(jù)，把數(shù)值模擬的結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證模擬結(jié)果是否符合實(shí)際情況。

提取模擬過程中最后一次開挖的沉降云圖，如圖5。提取K1+60監(jiān)測線上的DL16-DL21監(jiān)測點(diǎn)的五次監(jiān)測沉降數(shù)據(jù)，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析。實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖與對(duì)比曲線圖見下圖6和圖7。

圖5 工況-6的沉降云圖

圖6 地表沉降監(jiān)測曲線圖

現(xiàn)場監(jiān)測只選取了7個(gè)點(diǎn)位，DL18監(jiān)測點(diǎn)位于管廊施工的正上方，其余6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)均勻分散在兩側(cè)。從圖6的沉降監(jiān)測曲線可以看出：

①從兩側(cè)的監(jiān)測點(diǎn)到中間的監(jiān)測點(diǎn)，沉降值從小變大，呈現(xiàn)“凹陷狀”；

②最大沉降值為6.02mm，最大沉降點(diǎn)在管廊的正中間位置的上方。

圖7 地表沉降監(jiān)測值與模擬結(jié)果對(duì)比圖

提取模擬結(jié)果中管廊上方地表沉降數(shù)據(jù)，與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖7可以看出：

①監(jiān)測沉降最大值為6.02mm，數(shù)值模擬最大值為6.75mm，比實(shí)測數(shù)值偏大了12%，但整體曲線都是從兩側(cè)到中間從小變動(dòng)大的“凹陷”趨勢，變化趨勢基本吻合；

②出現(xiàn)偏差的原因可能與模擬過程中的土層參數(shù)以及未考慮地下水等因素有關(guān)，并且現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)也可能存在一定的影響，但是總體來說數(shù)值模擬結(jié)果還是能夠準(zhǔn)確的反映管廊施工過程中的地表沉降，說明模擬結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性。

4.2 注漿層沉降分析

在管廊施工之前拱頂采用φ108大管棚和小導(dǎo)管進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)作為超前支護(hù)。超前管棚就是在管廊土體外圍打入導(dǎo)管，然后進(jìn)行注漿固結(jié)，從而形成在土體開挖的保護(hù)環(huán)。在傘形的保護(hù)環(huán)支撐下，進(jìn)行管廊土體邊開挖邊支護(hù)的施工。

由于注漿區(qū)上拱頂部分有超前管棚和小導(dǎo)管的聯(lián)合支護(hù)，所以本次模擬的過程中，注漿區(qū)上拱頂部分比注漿區(qū)下部分的彈性模量增加了25%,以使模型的計(jì)算能夠更加符合施工的實(shí)際情況。

為了分析注漿區(qū)的位移變化是否滿足實(shí)際施工設(shè)計(jì)要求的沉降標(biāo)準(zhǔn)。提取模擬結(jié)果中的注漿區(qū)上拱頂兩側(cè)部分關(guān)鍵點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)和位移云圖，如圖8、圖9。

由圖9可以看出：

①注漿區(qū)拱頂兩側(cè)的沉降曲線表現(xiàn)為隨著開挖工況的進(jìn)行，沉降值先增加后表現(xiàn)為平緩的狀態(tài)；

②沉降的最大值為5.18mm，最大值的節(jié)點(diǎn)6位于注漿區(qū)上拱頂?shù)淖髠?cè)靠前的位置；

③沉降值后期表現(xiàn)為平緩的原因是由于在施工的后期泥漿固結(jié)強(qiáng)度達(dá)到最大，能夠有效的支撐土體的沉降，使之能夠達(dá)到平坦的沉降，并且能夠滿足施工設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文基于有限元分析軟件Midas/GTSNX對(duì)錦堤三路段淺埋深挖管廊項(xiàng)目，進(jìn)行了管廊開挖的數(shù)值模擬分析，并把模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出以下主要結(jié)論。

①管廊施工過程中管廊上方土體地表沉降變現(xiàn)為“凹陷狀”。最大沉降發(fā)生在工況-6，監(jiān)測沉降最大值為6.02mm，數(shù)值模擬最大值為6.75mm，比實(shí)測數(shù)值偏大了12%。

圖8 注漿區(qū)上拱頂工況-6的沉降云圖

圖9 注漿區(qū)上拱頂兩側(cè)沉降曲線

②施工過程中土體外圍的注漿區(qū)仍然是關(guān)注的重點(diǎn)，拱頂兩側(cè)的沉降值為先增加后表現(xiàn)為平緩的狀態(tài)。沉降的最大值為5.18mm，最大值位于左側(cè)靠前的位置，且注漿層最大沉降值能夠滿足施工設(shè)計(jì)要求。

③本次數(shù)值模擬的每次開挖橫向深度為2m。為減小沉降值，建議現(xiàn)場施工深度控制在1～1.5m，并且在施工過程中及時(shí)支護(hù)、邊開挖邊支護(hù)。

④在開挖過程中要考慮注漿的凝固時(shí)間，一般在達(dá)到泥漿強(qiáng)度的85%之后再進(jìn)行土體的開挖。同時(shí)也要注意地下水的影響，時(shí)刻關(guān)注地下水位對(duì)管廊的影響。