地下管廊施工襯砌施做時機研究

張 宇

(廣東河海工程咨詢有限公司，廣州 510610)

0 前 言

地下綜合管廊被譽為現代城市的地下命脈，程波等在論述西安地質與可持續發展時指出，應大力發展地下空間。而地下綜合管廊施工建造正是為了高效利用所開發的地下空間。檀繼猛等將手持移動式三維激光掃描技術應用于地下綜合管廊的測量施工，克服了傳統測量方法的缺陷。張一航等認為將綜合管廊與地下基礎設施合并進行一體化建設勢在必行，是高效和集約利用地下空間的重要方法，但是目前沒有得到普及，應該加以提倡。彭琦等在分析了幾類主要地下市政工程設施的建設現狀和遠期建設計劃后，認為深圳市在地下空間開發利用中存在若干問題，結合實例分析，提出了幾條建議。楊至瑜等總結了六盤水市在進行管廊施工時采取的措施，面對復雜山區環境和典型喀斯特地貌，采用了多種針對性的施工處理措施，成效顯著，為類似地質條件下的廊道施工提供了參考。劉希亮等針對地下綜合管廊可能出現的問題，預見性的進行了數值模擬研究，采用LS-DYNA有限元軟件，模擬了燃氣爆炸對管廊結構的沖擊效應。劉亞龍等對地下管廊中最易發生甲烷爆炸現象進行了研究，主要分析了甲烷爆炸對井蓋的沖擊作用帶來的不良災害，重點論證了井蓋與基座采用鉸接的方式，爆炸發生時，爆炸對井蓋的沖擊作用造成的二次災害最能得到有效預防[1-11]。

文章依托地下綜合管廊工程，采用FLAC3D軟件對城市地下綜合管廊的施工進行了分析計算，分別探討在不施做襯砌和襯砌及時施做后的位移變化特征，通過比較，得出襯砌及時施做的作用，在地下綜合管廊施工中，應保證上一步開挖后的隧道斷面，襯砌施做完成，方可進行下一步開挖。

1 地下管廊工程地質條件

如圖1所示，地下管廊頂部埋深3m，圓形隧道形式，直徑4m，管廊整體所處地層為黃土高原的黃土地層中，黃土物理力學參數主要包括：重度、體積模量、剪切模量、黏聚力和內摩擦角，由于黃土在天然條件下自穩性較好，因此其內摩擦角較一般土質為高。襯砌管片為預制型C40鋼筋混凝土管片，具體相關物理力學參數如表1所示。

圖1 地下綜合管廊剖視圖

表1 巖土體物理力學參數

2 FLAC3D中Liner單元

Liner單元作為一種殼型結構單元，在進行數值模擬時，所需要賦值的參數多，主要有密度、法相剛度、切向剛度、厚度耦合黏聚力、耦合摩擦角、耦合切向剛度、耦合法相剛度、耦合法向張拉強度、切向耦合彈簧的參與黏聚力、大變形滑動標志、大變形滑動誤差。在數值模擬中相交于另外兩種殼型結構單元更為復雜。如表2所示，另兩種殼型單元僅需要Liner單元的部分參數，尤其是Shell單元，僅需密度、彈性模量、泊松比、厚度。但是，盡管復雜，正是由于Liner單元所需參數較多，才使其能夠模擬多種襯砌構件。

表2 殼型結構單元模擬時所需參數對比

4 模型建立

依據實際管廊埋深3m，構建模型如圖2所示，對于黃土，模擬時，假設其為彈性模型，鋼筋混凝土襯砌管片采用Liner單元模擬，設置其為各項同性模型，厚度0.2m，耦合法相剛度為7.4e10，耦合切向剛度7.4e10，耦合切向黏聚力為1e20，其它參數采用默認值。

圖2 數值模擬模型圖

5 模擬結果

下面主要分析未加襯砌支護和加了襯砌支護后，Z方向、X方向位移變化特征。

5.1 未加襯砌支護時，第一步開挖完成后

Z方向位移云圖如圖3所示。負值表示Z方向位移向下沿Z軸負向，正值表示Z方向位移向上沿Z軸正向，可以看出，在Z方向上最大負向位移，也即向下的位移值為2.5e-2m，最大下沉位移集中分布于隧道拱頂部位，拱頂臨空面位移最大，由臨空面向里位移值逐漸變小，由拱頂向兩幫，Z方向位移值逐漸減小。Z方向最大上拱位移位于仰拱處，最大值約為2.6e-2m，隧道最下部臨空面上拱位移最大，有臨空面向里逐漸減小，由拱底向兩側，Z方向最大位移值逐漸減小?？芍猌方向隧道橫斷面整體呈現出拱頂向下、仰拱向上的向里收斂的變形特征。

圖3 未加支護時Z方向位移云圖

圖4是X方向位移云圖，負值表示位移沿X軸負向，正值表示位移沿X軸正向，最大內擠位移集中分布于隧道拱腰部位，拱腰處臨空面位移最大，最大值為2.5e-2m，由臨空面向里位移值逐漸變小，由拱腰向隧道拱頂和拱底部位延伸，X方向位移值逐漸減小。可知X方向，最大內凸位移位于拱腰處，最大值為2.5e-2m，隧道橫斷面整體呈現兩幫向內擠壓變形特征。

圖4 未加支護時X方向位移云圖

由以上分析可知，隧道變形主要集中于拱頂、拱底和拱腰處，整體呈現處上部掉落、下部上拱，兩側向內擠壓收斂的變形特征。

5.2 加了襯砌支護后，第一步開挖完成時

及時施做管片襯砌后，Z方向位移云圖如圖5所示。負值表示下沉，正值表示上升，可知Z方向最大沉降位移位于拱頂處，最大值為1.4e-2m，Z方向最大上拱位移位于仰拱處，最大值約為1.4e-2m，隧道橫斷面整體呈現下部上拱，上部下落的變形風險特征。相較于未施做襯砌管片時，Z方向最大沉降位移明顯減小。

圖5 加了襯砌后Z方向位移云圖

及時施做管片襯砌后，X方向位移云圖如圖6所示。負值表示位移沿X軸負向，正值表示位移沿X軸正向，可知X方向最大內凸位移位于拱腰處，最大值為1.4e-2m，隧道橫斷面整體呈現兩幫向內擠壓變形特征。

圖6 加了襯砌后X方向位移云圖

由以上分析可知，隧道變形主要集中于拱頂、拱底和拱腰處，整體呈現處上部掉落、下部上拱，兩側向內擠壓收斂的變形特征。相較于未施做襯砌管片時，X方向最大沉降位移明顯減小。

6 結 論

1)隧道變形主要集中于拱頂、拱底和拱腰處，整體呈現處上部掉落、下部上拱，兩側向內擠壓收斂的變形特征。

2)相較于未施做襯砌管片時，X方向、Z方向最大沉降位移減小了1.1e-2m，明顯減小，說明管片襯砌的及時施做能夠有效控制隧道變形。

3)以上結論說明，在進行地下綜合管廊施工時，應及時有效施做襯砌結構。未開展對管片施做前后的應力分析，此方面有待進一步研究。