地鐵側(cè)穿既有綜合管廊保護控制分析

敬懷珺，王海林，馬軍秋，王木群

（湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙410200）

隨著我國城市地下空間的不斷開發(fā)，基坑開挖時遇到越來越多地下管線近接施工問題[1～2]；綜合管廊作為各類管線的集合，具有改遷難度大、沉降控制要求高的特點。王成華等[3]建立了土體與地下管線相互作用的有限元模型；李大勇等[4]對軟土基坑開挖時鄰近地下管線加固隔離保護進行數(shù)值分析；羅鳳霞等[5]采用貝雷架對基坑鄰近重載管線進行懸吊保護；程群等[6]采用門式架對鄰近管線進行懸吊保護，但該門式架利用拉鎖柔性材料，不能抵抗橫向施工荷載，懸吊過程中容易出現(xiàn)水平向移動。劉印等[7]利用高強螺紋鋼與型鋼組合對基坑鄰近綜合管廊進行懸吊保護，但螺紋鋼橫向剛度弱且在分析過程中未考慮基坑開挖與管廊的相互影響。

本文以長沙4號線圭塘站2、3號出入口側(cè)穿既有綜合管廊工程為例，在管廊不具備改遷、加固隔離及門式架懸吊條件的前提下，設計了一套管廊原位懸吊保護系統(tǒng)，在考慮土體-懸吊構架-管廊相互作用的條件下，對管廊沉降位移進行分析，驗證該保護系統(tǒng)的可靠性，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

長沙市軌道交通4號線圭塘站2、3號出入口位于車站主體北側(cè)，為地下一層箱形鋼筋混凝土框架結構，外輪廓尺寸7.2 m×6.8 m，采用明挖順作法施工。基坑深8.03～11.43 m，豎向設置2道支撐，第一道采用600 mm×800 mm鋼筋混凝土支撐，第二道采用直徑609 mm鋼管支撐，圍護結構采用直徑800 mm鉆孔灌注樁+高壓旋噴止水帷幕。鄰近既有綜合管廊為鋼筋混凝土箱形結構，外輪廓尺寸2.7 m×2.65 m,與擬建出入口平行走向，管廊外壁距出入口結構外墻邊線0.26～0.39 m，該間距不具備施作圍護結構的條件。綜合管廊覆土厚3.2 m，管廊影響范圍內(nèi)出入口覆土厚約1.2 m。管廊底及該影響范圍內(nèi)基坑底位于粉質(zhì)黏土層。見圖1。

圖1 出入口與綜合管廊平面位置關系

2 懸吊保護系統(tǒng)設計

管廊內(nèi)存在燃氣管等對沉降極為敏感的管線。出入口施工時，管廊總沉降量不得＞10 mm。針對工程特點，采用近管廊側(cè)基坑分段擴挖的方式并設計了一套懸吊保護系統(tǒng)。該系統(tǒng)由懸吊型鋼框、管廊底部支撐板、懸吊構架組成。見圖2。

圖2 綜合管廊懸吊

2.1 懸吊構架

懸吊構架由管廊一側(cè)圍護結構、格構柱及柱下基礎樁、第一道混凝土支撐構成。管廊通過懸吊型鋼框及管廊底部支撐板將荷載傳給第一道混凝土支撐，水平支撐通過兩側(cè)豎向圍護結構及格構柱、柱下基礎樁傳給地基。

2.2 懸吊型鋼框+管廊底部支撐板

單個懸吊型鋼框由4根[16b槽鋼構成，各槽鋼之間通過4根M20、10.9級扭剪型高強螺栓首尾相連，每一處吊點于管廊左右兩側(cè)分別設置一個型鋼框，兩個型鋼框之間通過4根工14鋼及10 mm厚鋼板相連。管廊荷載通過下部支撐板及兩側(cè)型鋼框傳遞給第一道支撐。見圖3。

圖3 懸吊型鋼框架

相比類似工程懸吊技術，該懸吊系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：

1）型鋼框懸掛于第一道支撐且與支撐頂面已預埋鋼板焊接固定，型鋼架相對于螺紋鋼、鋼纜繩等柔性材料具有較強的橫向剛度，可以有效抵抗水平施工荷載；

2）一般情況下，由于管廊縱向坡度的影響，管廊底部支撐板沿縱向設置成一個整體，難以與管廊底密貼；本系統(tǒng)中各吊點均由兩個型鋼架與橫向支撐板組成，間隔設置，可以克服管廊縱向坡度的影響，保證管廊底部受力均勻；

3）各吊點相互獨立，懸吊框隨挖隨做，已做懸吊框發(fā)揮作用后再開挖下一處吊點，從而避免了管廊底部土體大范圍的擾動，嚴格控制管廊沉降。

3 數(shù)值模擬

利用懸吊構架將管廊荷載傳遞給基坑圍護結構，同時圍護結構又受土體開挖的影響，進一步導致管廊變形。因此，為了更真實地反應整個過程中管廊變形，在考慮土體-懸吊構架-管廊相互作用的基礎上，采用midas GTS對土體開挖、懸吊構架的施作等各施工階段進行全過程模擬。

3.1 計算假定及邊界條件

1）土體在計算域內(nèi)假定各向同性、勻質(zhì)、連續(xù)；土體本構采用摩爾-庫倫模型。

2）懸吊框、格構柱及第一道混凝土支撐采用桿系單元。

3）鉆孔灌注樁按等剛度原則轉(zhuǎn)換為地下連續(xù)墻，采用實體單元進行模擬。

4）管廊采用實體單元進行模擬。

5）土體與結構物接觸面，設置無厚度界面單元進行模擬。

計算模型見圖4。

圖4 計算模型

3.2 計算參數(shù)

綜合管廊材料為C30混凝土，結構自重71.75 kN/m；內(nèi)部管線及支架重9.6 kN/m；每處吊點懸吊框架及支撐鋼板總重9.2 kN；橫向施工荷載按1 kN/m集中考慮。其余物理力學參數(shù)見表1和表2。

表1 懸吊系統(tǒng)物理力學參數(shù)

表2 地層物理力學參數(shù)

3.3 施工過程模擬

鋼架沿管廊縱向依次施作，為得到施作空間，需將該位置處管廊下方一定范圍內(nèi)土體掏空，見圖5。

圖5 施工鋼架

對每一次鋼架的施作進行模擬，將每施作一段距離懸吊鋼架（2～3個）視為一個施工步，施工全過程可以簡化為6步。

第一步：施作圍護結構及第一道支撐，開挖基坑至管廊基底標高。

第二步：開挖施作第一段懸吊構件。

第三步：開挖施作第二段懸吊構件。

第四步：開挖施作第三段懸吊構件。

第五步：開挖施作第四段懸吊構件。

第六步：管廊整體懸吊，開挖基坑，架設第二道支撐，施作結構，拆除第二道支撐。

針對上述模擬過程，根據(jù)不同懸吊及支撐間距，設計了3套施工方案進行分析比選，見表4。

表4 施工方案

4 分析結果

第一步由于土體卸荷回彈，管廊各節(jié)點有0.32 mm整體向上位移，為了消除其對后續(xù)施工步影響，將第一步位移清零。

方案一條件下，管廊在各施工步階段整體豎向位移見圖6。

圖6 方案一各步序管廊豎向位移

1）隨著各施工步有序進行，管廊各節(jié)點豎向位移逐漸增加，最終趨于穩(wěn)定。管廊自重較大且一端搭接在地下連續(xù)墻上、另一端支撐于土體上，中部懸吊措施相對于兩端支撐剛度較弱。因此，各階段位移呈中間大、兩端小趨勢分布。在施工過程中可以在管廊中間位移較大處采取豎向架設臨時鋼管等措施對沉降進行控制。

2）各施工階段管廊與懸吊系統(tǒng)相互作用，同時又受到基坑開挖變形的影響。第六步管廊整體懸吊的基礎上，基坑開挖至基底后拆除支撐，圍護結構總變形最大值由3.21 mm增加至14.55 mm，基坑變形越大，該影響范圍處管廊位移增量也越大，管廊最大位移增加1.67 mm，占整個累積位移的19%。見圖7。

圖7 圍護結構總變形

3）采取不同施工方案，管廊整體位移趨勢基本一致，見圖8。

圖8 綜合管廊最大沉降位移增量

方案二最大位移10.73 mm，方案三最大位移11.36 mm，均不滿足10 mm位移控制要求，方案一最大位移8.62 mm，因此，選取方案一進行施工。

5 現(xiàn)場監(jiān)測

管廊底部均勻布置16個沉降監(jiān)測點。管廊沉降隨各施工步逐漸增大，當基坑第二道支撐拆除后，沉降基本趨于穩(wěn)定。管廊變形特征與數(shù)值分析比較接近，呈中間大兩端小趨勢且現(xiàn)場最大監(jiān)測位移為9.19 mm，與模擬結果相差6.6%，處于安全可控范圍，滿足管廊原位懸吊保護要求。見圖9。

圖9 綜合管廊最大位移

6 結論

1）該大型綜合管廊懸吊保護系統(tǒng)與類似系統(tǒng)相比具有如下優(yōu)勢：

（1）有效抵抗橫向水平施工荷載；

（2）懸吊過程中，管廊底部受力均勻；

（3）吊點隨挖隨做，土體擾動對管廊影響得到有效而穩(wěn)定的控制。

2）不考慮施工過程的影響，僅對全管廊懸吊狀態(tài)下的受力及位移進行分析，與實際不符。管廊沉降位移的累積是一個復雜的過程，是各施工階段下懸吊系統(tǒng)變形及基坑變形等多種因素共同影響的結果。

3）應用現(xiàn)場監(jiān)測技術對管廊沉降位移進行監(jiān)測并將監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結果進行對比，驗證了模型的正確性及懸吊保護系統(tǒng)的可靠性。