綜合管廊下穿三污干管施工沉降分析

李 勇,陳 斌

(1.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2.長三角城市基礎設施科學研究院，浙江 杭州 310011)

0 前 言

地下綜合管廊可以提升地下管線建設管理水平、保障城市安全、完善城市工程、美化城市景觀、促進城市集約高效和轉型發展，有利于提高城市綜合承載能力和城鎮化發展質量[1]。2017年，杭州市被國家建設部選為第二批管廊建設試點城市，管廊成為杭州市的重點建設內容[2]。為實現管廊建設的真正用途，管廊必須形成網狀后才能發揮作用，而城市內建設管廊受限交通、地下管線、作業空間，局部必須采用非開挖技術。但在地下綜合管廊建設過程中也會遇到很多難題。比如綜合管廊的建設大多數會遇到穿越鐵路、公路、河流等障礙問題，如何在保證道路交通功能的條件下完成對障礙物的穿越成為近年來非開挖工程界的熱點問題[3]。

1 項目概況

杭州市德勝路(機場路-九環路)地下綜合管廊標準段為三艙結構，分別為電力艙、水信艙及燃氣艙，結構凈尺寸為9.4 m×3.5 m。標準段采用明挖法施工，下穿滬杭甬高速公路及下穿污水干管段采用頂管法施工，其中下穿滬杭甬高速段長154.65 m，下穿污水干管段長106.45 m，頂管總長261.1 m，矩形管廊管節外輪廓尺寸為7.5 m×5.4 m，頂板和底板厚度為0.55 m，中隔墻厚度為0.30 m，標準管節長度1.5 m，鋼筋混凝土管節設計強度為C50，抗滲等級為P10。暗挖段采用的兩臺中鐵裝備的“雙子星”矩形頂管機，兩層六刀盤布置形式，相鄰刀盤的切削區域相互交叉，斷面開挖覆蓋率達到93.2%。

項目施工地段車流量大、交通繁忙，施工地層又主要為粉質黏土，極易造成地面下沉，掘進難度極大。項目最大難點段在下穿三污干管段，該段采用土壓平衡矩形盾構頂管法施工，頂管段具有以下主要特點：開挖斷面大、覆土埋深較淺、結構間距小、管線距離近、沉降要求高。矩形盾構頂管管節斷面達到7.5 m×5.4 m，而目前在國內已經成功應用施工的城市為數不多，借鑒條件有限；頂管結構頂距離三污干管底最近距離僅為4.25 m；頂管結構之間間距小，下穿三污干管段兩條矩形盾構頂管凈間距僅為3 m，推進長度達到106.5 m，施工難度大。在施工過程中，需要關注的是沉降較大值以及附加彎矩較大點。對該段由管廊施工對污水管造成的沉降采取有限元軟件和現場監測采取數據進行分析。

2 頂管施工監測

“盾構式”頂推施工的施工監測工作尤為重要，通過監控量測了解頂管施工過程中頂管結構受力的動態變化，了解頂進過程對頂管上方及周邊土體變形的大小，準確掌握各過程的薄弱環節；通過監控量測，收集相應工程數據，為以后的工程設計、施工及規范修改提供參考和積累經驗，并可以和計算結果比較，完善計算理論。

2.1 基于現場監測數據的下穿三污干管沉降分析

下穿三污干管的頂管監測點及降水井布置見圖3.1，分析施工過程中沉降問題對三污干管的影響，關注沉降較大值以及附加彎矩較大點。依據監測單位數據，繪制幾個最大沉降點的累計變形隨時間變化曲線、相鄰點沉降差異曲線，來對比相鄰點沉降差異計算得出產生的附加彎矩，監測三污干管穩定情況。

2.2 直污水管沉降及附加彎矩分析

直污水管監測點布置圖見圖1，并通過現場監測數據繪制較大沉降點G33、GX40、GX41、GX43、GX44累計變形曲線并進行分析。

圖1 GX1-GX29累積變形曲線

分析：從監測數據知，GX33監測點經歷了緩慢下沉后較快隆起后又較快下沉，累計變形最小為-5.1 mm，最大為-12.77 mm。從6月13日起到6月30日，GX33累計變形從-5.1 mm到-10.15 mm，累計變形速率為-0.3 mm/d，從6月30日起到7月3日，GX33累計變形從-10.15 mm到-7.69 mm，累計變形速率為0.87 mm/d，從7月3日起到7月10日，GX33累計變形從-7.69 mm到-12.77 mm，累計變形速率為-0.71 mm/d。

分析：GX40、GX41、GX43、GX44先平緩下降，到管廊頂推開始與三污干管交叉開始快速下降，累計變形最大為監測點-21.9 mm，累計變形速率為1.63 mm/d。同時可以看到GX40、GX41、GX43、GX44開始曲折回升，這說明隨著頂管的繼續推進，最大累計沉降逐漸變化，且隨著距離盾構機越遠，變形影響變小。

分析：由沿污水管方向各點變形曲線，可以得到。

1)GX33、GX34、GX35三點組成曲線，曲率半徑為2 580 m，彎矩為51.11 kN·m

2)GX39、GX40、GX41、GX43、GX44五點組成曲線，曲率半徑較小為4 065 m，彎矩較大為32.44 kN·m，

3)GX49、GX50、GX51三點組成曲線，曲率半徑為1 906 m，彎矩為69.19 kN·m

4)相鄰點差異沉降較大點：GX33到GX34為5 mm，兩點相距5.7 m，轉角為0.05°；GX49到GX50為4.23 mm，兩點相距3 m轉角為0.08°。

2.3 彎污水管沉降及附加彎矩分析

由于最大沉降值出現在直污水管，故對彎污水管繪制相鄰點沉降差異曲線，通過對比相鄰點沉降差異計算得出產生的附加彎矩。

由彎污水管方向各點變形曲線，可以得到。

1)GX7GX8GX9三點曲率半徑450 m，彎矩最大293.07 kN·m；

2)GX21GX22GX23三點曲率半徑153 m，彎矩最大816.9 kN·m；

3)相鄰點差異沉降較大點：GX7、GX8為6.09 mm，兩點相距6 m，轉角為0.05°；GX21、GX22為5.56 mm，兩點相距3 m，轉角為0.1°。

結論：由監測數據看出，盡管GX40、GX41、GX43、GX44四點沉降較大，但是曲率半徑較大，管內附加彎矩較小，而對于GX21、GX22、GX23由于相鄰測點沉降差較大，產生較大附加彎矩，因此我們不能僅關注沉降的大小，更需要關注由于不均勻沉降在污水管內產生的附加彎矩。

3 頂管頂推數值模擬

對下穿三污干管可以根據管廊的建造過程進行建模，工況可以細化到每一個管節施工。

1)管片采用板單元模擬，管片模量采用C50混凝土的彈性模量為34.5×106kN/m2，厚度為0.55 m，重量為24 kN/m3。

2)污水管采用嵌入式兩單元模擬，由于污水管采用PCCP管(預應力鋼管混凝土)材料制作，而且污水管5 m為一節，節與節之間采用膠圈連接，且左側污水管有兩處彎折，兩個污水管之間存在蝶閥門，這些都是影響分析結果的原因。在對污水管模擬時，沒有考慮接頭的弱化，彈性模量去235 MPa，重量為25.2 kN/m3，直徑為2.574 m，壁厚0.187 m。

3)掌子面土壓力設置為：底部最大彈模為150 kN/m2，變化率為7.4 kN/m2/m。

4)收縮率定義：收縮率線性增加0%～0.6%，取變化率為0.02%/m。

3.1 工況選擇

根據監測單位提供的數據，選擇以下五個工況：

工況1：左側頂管開始頂進，水位8.2 m；工況2：左側頂管頂進11環，水位為8.7 m；工況3：左側頂管頂進30環，水位為10 m；工況4：左側頂管頂進38環(出三污干管)；工況5：左側頂管頂進71環(左側頂管結束)。

3.2 頂管頂推數值分析

針對工況三進行實測數據反分析，見圖2。

圖2 工況3數值模擬

3.3 降水數值分析

采用繪制降水線的方式進行降水計算：通過降水計算模型計算得污水管處豎向位移圖最大為-9.546 mm

3.4 頂管+降水共同作用分析

根據已有條件計算所得的因降水產生的沉降值，將頂管模型計算值加上降水引起最大沉降值和實測值進行對比。

GX34-GX61計算值與實測值對比見圖3。

圖3 GX34-GX61計算值與實測值對比

結論：①從圖中可以看出，工況3擬合效果較好；②針對降水模型，如果能夠提供詳細的降水影響范圍以及各點的水位，可以精確計算出該降水產生的變形效果，從而可以反分析校正頂管頂推模型參數；③預測穿出污水管工況四以及工況五的累計變形以及最大附加彎矩。

3.5 反向分析預測(見圖4)

圖4 累積變形預測值曲線

結論：根據反向分析預測得出，工況4的最大值出現在GX43，為-23.603 mm；工況5的最大值出現在GX46，為-37.276 mm。

4 結 論

1)現場實測數據。現場實測數據最大沉降值出現在監測點GX43,累計變形為-21.9 mm，最大差異沉降出現在GX21、GX22，兩點相距3 m，兩點差異沉降為5.56 mm，轉角為0.1。

2)降水產生變形。水位10 m，產生變形最大為-9.546 mm，如果能夠提供詳細的降水影響范圍以及各點的水位，可以精確計算出該降水產生的變形效果。

3)頂管頂推產生變形與實測對比。針對頂管推進第30環進行計算值與實測值的對比分析，數值計算結果，頂管和降水疊加后：工況3(30環)沉降最大點為GX41,累計變形值為-21.667 mm，實測值為-20.04 mm，相差1.627 mm；工況2(38環機頭出污水管)沉降最大點為GX43，累計變形值為-23.603 mm，實測值為16.93 mm，相差6.673 mm；依據當前數據預測左側頂推結束累計變形最大點為GX46,累計變形值為37.276 mm。

4)施工注意要點。在頂推施工過程中，特別要關注管廊穿過上部有動荷載或者市政管線的施工段的沉降控制和監測工作，以及及時對監測數據進行分析判斷其對市政管線產生的附加彎矩，進而采取有效的防范措施確保施工安全，降低施工影響。

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