郭 俊 劉佳杰
(北京市政路橋股份有限公司 北京 100045)
地下綜合管廊有利于城市各管線統(tǒng)一安放及管理,有利于延長(zhǎng)城市各管線的使用壽命[1-2]。由于綜合管廊多布設(shè)在城市道路之下,周邊建筑密布,管廊線路需要穿越交叉既有道路、建筑物及河道等,給管廊施工和設(shè)施安全帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)[3-4]。在這種情況下,研究暗挖管廊施工過(guò)程中管廊對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源的影響,分析其作用規(guī)律,進(jìn)而提出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施顯得迫切而且十分有意義[5]。
在研究管廊暗挖下穿河流或既有建筑物中,王國(guó)富等[6]在地鐵雙線盾構(gòu)隧道下穿既有市政管廊的情況下,分析了盾構(gòu)施工引起管廊變形的機(jī)理,結(jié)合管廊敏感性特點(diǎn)提出了盾構(gòu)穿越管廊的幾種工況及加固措施。胡平[7]及張志敏[8]分別結(jié)合不同的工程實(shí)例,對(duì)綜合管廊下穿城市河道的施工技術(shù)進(jìn)行總結(jié),通過(guò)采用河道截流導(dǎo)流、注漿加固、管線保護(hù)等一系列技術(shù),可有效解決工程綜合管廊過(guò)河中面臨的難題和風(fēng)險(xiǎn)。程學(xué)武[9]以天津地下直徑線泥水平衡盾構(gòu)隧道下穿海河為工程背景,采用有限元軟件建立數(shù)值計(jì)算模型,對(duì)河底加固前后盾構(gòu)隧道下穿海河引起的沉降進(jìn)行了數(shù)值分析,得出了河底采取注漿加固措施可以有效控制上覆土層沉降的結(jié)論。孫連勇等[10]以濟(jì)南軌道交通R3線一期工程某區(qū)間隧道為背景,采用Abaqus軟件建立數(shù)值模型模擬在不主動(dòng)加固和加固兩種工況下,盾構(gòu)隧道近距離下穿膠濟(jì)鐵路線橋梁與路基引起的變形情況。郭瑞[11]依托成貴鐵路大方隧道下穿杭瑞高速工程建立了三維有限元模型,對(duì)隧道下穿松散高填土路堤的沉降規(guī)律及其影響范圍進(jìn)行研究。
本文以某綜合管廊暗挖下穿某河道項(xiàng)目為依托,通過(guò)MIDAS GTS有限元軟件建立模型,進(jìn)行數(shù)值模擬分析管廊暗挖對(duì)下穿河底沉降的影響,并結(jié)合在實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中河底沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),確定數(shù)值模擬分析的可靠性。
某地下綜合管廊工程位于北京市南部,該管廊中下穿某河道段為暗挖段。管廊暗挖斷面設(shè)計(jì)為三艙,左側(cè)洞電力艙凈寬2.50m,中洞水信艙凈寬3.50m,右側(cè)洞高壓電力艙凈寬2.00m,主體結(jié)構(gòu)外輪廓尺寸11.30m×5.30m。下穿某河道管廊暗挖段總長(zhǎng)60m,管廊拱頂距河道底面約6.60m,管廊開(kāi)挖位置主要為砂土及黏土。該河道上口寬為54m、下口寬為30m,正常情況下有0.50m常流水位,如圖1所示。
圖1 下穿某河道管廊暗挖段平面位置及截面圖
在實(shí)際工程中,該下穿某河道管廊暗挖段設(shè)計(jì)采用了中洞法進(jìn)行施工(圖2),即先進(jìn)行中洞開(kāi)挖,再同時(shí)進(jìn)行兩側(cè)洞開(kāi)挖。①進(jìn)行中洞深孔注漿加固地層,一次不少于10m,每次縱向深孔注漿之間搭接2m;②上下臺(tái)階法開(kāi)挖中間導(dǎo)洞斷面土體,并預(yù)留核心土,架立鋼格柵,采用鎖腳錨桿加固墻腳,掛網(wǎng)噴射初支混凝土,上下臺(tái)階錯(cuò)開(kāi)不少于4m;③中洞全斷面成洞10m后,施做左右側(cè)洞深孔注漿加固,一次不少于10m,每次縱向深孔注漿之間搭接2m;④上下臺(tái)階法同時(shí)開(kāi)挖左、右側(cè)洞斷面土體,并預(yù)留核心土,架立鋼格柵,采用鎖腳錨桿加固墻腳,掛網(wǎng)噴射初支混凝土,上下臺(tái)階錯(cuò)開(kāi)不少于4m。
圖2 下穿某河道管廊暗挖段中洞法主要施工工序
為了研究下穿某河道管廊暗挖段開(kāi)挖后暗挖管廊對(duì)河底沉降的影響,討論暗挖管廊中洞及兩側(cè)洞開(kāi)挖面均通過(guò)某一預(yù)先設(shè)置的沉降監(jiān)測(cè)線后該沉降監(jiān)測(cè)線的沉降變化,通過(guò)MIDAS GTS有限元軟件對(duì)下穿某河道管廊暗挖段進(jìn)行數(shù)值分析,并對(duì)比實(shí)際監(jiān)測(cè)值,分析數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測(cè)值是否一致。
由于管廊二襯施工與初次支護(hù)時(shí)間間隔較長(zhǎng),因此模擬中均不考慮二次襯砌在支護(hù)中的作用。由勘察資料可知,該工程地下水位位于勘查最大深度外,因此也無(wú)須考慮地下水的影響。
通過(guò)前期的模擬分析[12]發(fā)現(xiàn),當(dāng)管廊暗挖開(kāi)挖面距離某一設(shè)置的沉降監(jiān)測(cè)線10m時(shí),隨著管廊暗挖開(kāi)挖面向設(shè)置的沉降監(jiān)測(cè)線推進(jìn),開(kāi)挖對(duì)沉降監(jiān)測(cè)線的影響開(kāi)始逐步增大;管廊暗挖開(kāi)挖面通過(guò)設(shè)置的沉降監(jiān)測(cè)線后,距設(shè)置的沉降監(jiān)測(cè)線超過(guò)10m時(shí),對(duì)沉降監(jiān)測(cè)線的影響可以忽略不計(jì)。因此,為了提高計(jì)算效率,截取下穿某河道管廊暗挖段部分長(zhǎng)度進(jìn)行分析。三維有限元模型尺寸為:長(zhǎng)為100m,寬為20m,高為29m。該尺寸可保證模型的邊界效應(yīng)足夠小,如圖3所示。三維有限元模型中的地層自上而下依次簡(jiǎn)化為等厚的成層土,同一土層中的土體假定為均勻、連續(xù)及各向同性,土層厚度依據(jù)場(chǎng)地內(nèi)各土層埋深的變異性、飽和性及起伏性綜合考慮確定,共5層,具體參數(shù)取值見(jiàn)表1。
圖3 下穿某河道管廊暗挖段數(shù)值模擬模型
表1 下穿某河道管廊暗挖段數(shù)值模型物理力學(xué)參數(shù)
土體采用修正摩爾—庫(kù)倫模型。管廊初支結(jié)構(gòu)為彈性體模型,通過(guò)在開(kāi)挖土體表面設(shè)置的板殼單元進(jìn)行模擬。計(jì)算模型上表面為對(duì)應(yīng)河道水位的水壓力約束,底部為固定位移約束,各側(cè)面均為對(duì)應(yīng)方向的位移約束。
在模擬過(guò)程中,通過(guò)網(wǎng)格的激活與鈍化來(lái)模擬實(shí)際動(dòng)態(tài)的施工過(guò)程:管廊土體的鈍化模擬管廊開(kāi)挖,板單元的激活模擬初期支護(hù)的建立,管廊上部土體的屬性改變模擬深孔注漿。開(kāi)挖每次進(jìn)尺0.5m,由于開(kāi)挖后立即進(jìn)行噴錨支護(hù),因此開(kāi)挖步驟設(shè)置應(yīng)力釋放30%,初次支護(hù)步驟設(shè)置應(yīng)力釋放70%。
下穿某河道管廊暗挖段數(shù)值模型中,在管廊拱頂相距6.60m位置設(shè)置以暗挖管廊整體的中心線為中線的河底沉降監(jiān)測(cè)線(圖4),用于記錄模擬開(kāi)挖通過(guò)該河底沉降監(jiān)測(cè)線時(shí)河底的沉降量;在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)應(yīng)河底設(shè)置沉降監(jiān)測(cè)線,用于記錄現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖面通過(guò)沉降監(jiān)測(cè)線后沉降監(jiān)測(cè)線的沉降量圖1及圖4?,F(xiàn)場(chǎng)布置河底沉降監(jiān)測(cè)線時(shí),應(yīng)確保河底沉降監(jiān)測(cè)線布置在可靠的土體上,不能布置在河底淤泥層中,影響監(jiān)測(cè)結(jié)果。數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)布置的沉降監(jiān)測(cè)線總長(zhǎng)均為60m。
圖4 河底沉降監(jiān)測(cè)線布置
將數(shù)值模擬計(jì)算得出的河底沉降監(jiān)測(cè)線和實(shí)際施工中監(jiān)測(cè)得到的河底沉降監(jiān)測(cè)線組合繪制如圖5,顯示在數(shù)值模擬及實(shí)際開(kāi)挖中,暗挖管廊中洞及兩側(cè)洞開(kāi)挖面均通過(guò)河底沉降監(jiān)測(cè)線后,河底沉降監(jiān)測(cè)線變化趨于穩(wěn)定時(shí)的情況。
由圖5可以看出,在數(shù)值模擬和實(shí)際開(kāi)挖中,管廊上覆土層豎向位移沿橫向近似呈正態(tài)分布,沉降最大值出現(xiàn)在暗挖管廊段中心線,兩邊減小并逐漸趨于平緩。數(shù)值模擬河底沉降監(jiān)測(cè)線最大沉降值為4.12mm,小于實(shí)際開(kāi)挖中最大沉降值5.23mm;數(shù)值模擬河底沉降監(jiān)測(cè)線左側(cè)邊緣沉降值為0.35mm,小于實(shí)際開(kāi)挖河底沉降監(jiān)測(cè)線左側(cè)邊緣沉降值0.52mm,但是數(shù)值模擬河底沉降曲線右側(cè)邊緣沉降值與實(shí)際開(kāi)挖河底沉降監(jiān)測(cè)線右側(cè)邊緣沉降值基本一致(0.44mm)。
圖5 數(shù)值模擬和實(shí)際開(kāi)挖河底沉降監(jiān)測(cè)線對(duì)比
在實(shí)際開(kāi)挖河底沉降監(jiān)測(cè)線中,由于管廊左右兩側(cè)洞大小不同,左側(cè)洞截面寬度2.5m大于右側(cè)洞截面寬度2.0m,相對(duì)應(yīng)地左側(cè)洞對(duì)應(yīng)上方河底沉降值略大于右側(cè)洞,這是由于開(kāi)挖截面越大,土體受到的擾動(dòng)范圍越大,容易引起更大的沉降。實(shí)際開(kāi)挖河底沉降監(jiān)測(cè)線的這一特征在數(shù)值模擬河底沉降監(jiān)測(cè)線上體現(xiàn)不明顯,數(shù)值模擬河底沉降監(jiān)測(cè)線兩邊沉降值基本一致,這是由于左右側(cè)洞大小差異在數(shù)值模擬中對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大。
受管廊開(kāi)挖的影響,周?chē)馏w的應(yīng)力重新分布,當(dāng)受擾動(dòng)后的土體二次應(yīng)力超過(guò)其抗壓、抗剪強(qiáng)度極限值時(shí),土體將進(jìn)入塑性狀態(tài),形成較為危險(xiǎn)的塑性區(qū),圖6。塑性區(qū)分布結(jié)果表明,開(kāi)挖過(guò)程中土體基本無(wú)應(yīng)力集中現(xiàn)象,管廊初襯和深孔注漿形成的支護(hù)阻力有效地控制了土體變形,抑制了塑性區(qū)的發(fā)展,塑性區(qū)形成于工作面周邊5~10 m 的范圍內(nèi),主要位于管廊上方地層,對(duì)河底整體的擾動(dòng)影響較小。
圖6 下穿某河道管廊暗挖段數(shù)值模型塑性分析
根據(jù)以上分析,可以得出以下結(jié)論:數(shù)值模擬中河底沉降監(jiān)測(cè)線的最大沉降值小于實(shí)際河底沉降監(jiān)測(cè)線的最大沉降值。實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中,開(kāi)挖截面越大,產(chǎn)生的沉降越大,由于管廊截面左右兩側(cè)洞左大右小的形態(tài),導(dǎo)致地表沉降也相應(yīng)呈現(xiàn)左邊沉降大、右邊沉降小,在施工過(guò)程中應(yīng)注意左右沉降不均造成的差異沉降,有可能導(dǎo)致河底坍塌、突涌、道路開(kāi)裂,這一特征在數(shù)值模擬分析中并不明顯。開(kāi)挖造成的塑性區(qū)產(chǎn)生于工作面外圍5~10m范圍內(nèi),整體上對(duì)地表、河底的擾動(dòng)較小。