城市海底管廊頂進法施工時荷載計算方法研究

陳樹汪,陳湛文,李坤杰,何佳銀

(1.云南省交通規劃設計研究院有限公司，云南昆明 6500111；2.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

目前，以城市地下綜合管廊為主要組成的市政基礎設施的設計與修建也越來越受到人們的關注與運用。通過調研發現，國內對城市綜合管廊采用頂進法施工時，荷載計算方法考慮得較為淺顯，需根據現場地質條件，考慮土體變化(砂性土還是黏性土)，以及地層分層情況等綜合考慮。國內眾多學者主要對深埋、淺埋、淺埋偏壓、巖溶等特殊地層進行圍巖壓力計算方法研究，并取得了一系列的研究成果[1-6]。對于管廊隧道的上覆圍巖荷載計算方法研究和襯砌安全性分析目前研究較少，這對于地下綜合管廊襯砌結構設計與推廣都造成了一定的阻礙，因此很有必要對其進行深入研究。

本文依托于廈門翔安新機場的機場快速路過海段地下綜合管廊工程，在對其管廊隧道上覆土壓進行現場量測試驗的基礎上，將其所得到的實測圍巖壓力值與所選取的4種管廊圍巖壓力理論計算值進行對比，從而確定最適用于海底管廊隧道圍巖壓力的計算方法。

1 工程概況

翔安機場片區地下綜合管廊采用頂管法施工，該段由機場快速路與東海岸公園大道交叉處西北側至機場快速路田墘互通西側。該過海段管廊為兩根內徑為3 m的平行頂管，設計總長度為982 m，斷面尺寸為2×φ3000 mm(內徑，其外徑為3.6 m)，采用市政艙和電力艙的雙艙形式進行開挖。該地下管廊的平面位置示意圖如圖1所示。

圖1 綜合管廊平面布置示意

1.1 工程地質

根據對該綜合管廊隧道的地質鉆探結果揭示，所擬建管廊周邊地層受區域地質作用、沉積環境和人為工程活動的影響，圍巖級別為Ⅵ級，管廊范圍內截面各土層參數如表1所示。

表1 管廊研究標段的地層設計參數

1.2 水文地質

根據含水介質不同，可將管廊施工區域范圍內的含水巖組分為第四系松散巖類孔隙含水巖組、風化帶孔隙裂隙含水巖組及基巖構造裂隙含水巖組這三個類型。

2 海底管廊圍巖荷載計算方法理論研究

該跨海段地下管廊由于受水下復雜地質環境條件的影響，且圍巖地質較差，因此確定一種最為適用于該管廊隧道的圍巖壓力計算方法顯得極為重要。本節將主要簡述隧道結構設計中常見的四種圍巖壓力計算方法的基本原理和優缺點，如表2所示。

表2 各圍巖壓力計算方法對比

3 管廊上覆土壓荷載實測值與理論計算值對比

3.1 管廊隧道土壓的監控量測

本文將依托于綜合管廊的左線進行土壓力測試，其測試范圍為管廊長度5 m至100.8 m，土壓力測試儀器選用的是XYJ-5型鋼弦式土壓力盒，其量程為1 MPa。各斷面測點的土壓力數據每次測試讀取3次，后取平均值作為最后的實測數據。其土壓力測點布置如圖2所示。

圖2 土壓力盒測點布置示意

經過現場量測，其選取隧道左線所研究截面里程段40 m和里程段63.3 m處的圍巖土壓力實測數據如下表3所示。

表3 圍巖土壓實測數據 kPa

3.2 管廊隧道圍巖荷載理論實測分析對比

本文將選擇普氏理論、太沙基公式、全覆土重理論以及比爾鮑曼公式這四種方法對其管廊隧道所研究截面里程段進行上覆圍巖荷載的理論計算。其中各計算截面里程段管廊上覆各地層厚度如下表4所示。

表4 計算截面的各地層厚度(左線) m

基于上述4種計算理論可得到圍巖壓力計算值與實測值的對比如下表5、表6所示。

表5 圍巖壓力豎直方向計算值與實測值對比 kPa

由表5、表6可得出，采用全覆土理論計算的垂直土壓其數值與其他圍壓計算方法及實測值差異較為明顯(1.5～2.5倍)。而對于比爾鮑曼公式而言，其圍巖壓力計算值相較于普氏、太沙基及實測值也較為偏大(約為1.5倍)。普氏理論和太沙基公式所計算的圍巖壓力數值與實測值之間較為接近，對于地處深埋條件下的隧道圍巖壓力計算均可采納。

表6 圍巖壓力水平方向計算值與實測值對比 kPa

4 結論

利用資料調研以及數值模擬對廈門城市海底管廊圍巖荷載計算方法進行研究，取得如下成果：

(1)全覆土理論計算的垂直土壓其數值與其他圍壓計算方法及實測值差異較為明顯(1.5～2.5倍)，結合本文管廊隧道地質情況，全覆土重理論并不能合理地反映隧道圍巖荷載的產生原理且計算結果最為保守，因此不適合處于深埋條件下的隧道圍巖荷載計算。

(2)對于比爾鮑曼公式而言，其圍巖壓力計算值相較于普氏、太沙基及實測值也較為偏大(約為1.5倍)，由于比爾鮑曼公式中存在所計算的圍巖壓力隨著隧道埋深增大而呈現出拋物線的變化形式和當隧道跨度較小時圍壓計算出現負值等情況，因此比爾鮑曼公式用于本文地下管廊隧道圍壓計算也不適用。

(3)普氏理論則是基于深埋隧道所形成的自然平衡拱而計算的；同時由于普氏理論中似摩擦系數fm的確定存在一定主觀性和不確定性，導致其所計算圍巖壓力的數值范圍也相對較廣。

(4)太沙基公式由于其自身計算原理，使其對于處在淺埋至深埋一定范圍內的隧道圍巖壓力計算均能適合。

(5)綜上所述，太沙基公式最適合于本文所研究的海底管廊隧道圍巖壓力計算。