管廊工程施工的沉降及變形信息化控制

文｜趙殿鵬 郝英君 阿比爾 何明濤（.浙江省交通工程管理中心；2.浙江省交通運輸科學研究院；.重慶交通大學）

引言

城市綜合管廊是將城市管線放置于混凝土箱體內，進行集中鋪設、管理的一種現代化、集約化的城市基礎設施[1]。隨著城市建設的高速發展，使得城市建設用地緊張，建設綜合管廊不僅可以有緩解地上空效間的緊張狀態，還可以增加地下空間的利用率。綜合管廊的建設同時是一種經濟措施，在管廊使用年限內，綜合管廊較直埋管線總建設和圍護成本降低11%，綜合管廊較直埋管線總成本降低23%[2]。

隨著我國地下綜合管廊建設發展研究，主要針對以建成的管廊結構抗震性能、車輛荷載下的受力影響、不均勻沉降導致的結構縫漏水等方面。對管廊工程在施工過程中的土體位移和沉降控制方面的研究較少。管廊工程有跨度長、管節數量多的特點，對于大型管廊工程來說，其管節長、斷面大會給管廊基坑帶來較大的管廊荷載而引起周圍土體的位移和管廊沉降，對施工安全和結構安全帶來影響。借此本文采用有限差分軟件FLAC3D 建立了管廊基坑開挖和管廊荷載施加的數值模型，模擬了管廊施工過程中的土體位移和沉降情況，對比了采用鉆孔灌注樁進行地基處理下管廊的沉降情況，通過改變地基處理深度得到了設置鉆孔灌注樁樁長與管廊結構沉降之間的關系。

1.工程概況

1.1 工程規模及結構尺寸

本文研究的工程背景為浙江某大型管廊工程，管廊有兩個艙室，全長約為630m，其中單節管節長度約為25m。

1.2 圍護結構及支撐

在K0+000～K0+050 段管廊基坑開挖深度為9.212m～10.811m，圍護結構采用SMW 工法樁，樁徑850mm，樁頂設置冠梁1200x800，設置一道混凝土支撐800×800@9000+ 一道鋼支撐（φ609@3000）。

2.數值模擬

2.1 建立模型

圖1 管廊三維模型

本文采用大型有限差分軟件FLAC3D，建立了管廊三維模型（圖1），對管廊工程施工進行數值模擬。模型水平范圍134m，豎直范圍56m，能滿足邊界條件對基坑變形無影響的要求。模型左右邊界限制水平方向的位移，設置地表為自由邊界，模型底部為固定邊界。圍護樁采用實體單元模擬，彈性模量為400MPa，圍護樁與土體的接觸采用接觸面來模擬，考慮接觸面的計算方法更能合理反映地下連續墻與兩側土體的相互作用的特征，計算得到的結果也與實測數據更加吻合[3]。冠梁和第一道混凝土支撐的彈性模量25GPa，第二道鋼支撐的彈性模量160GPa。

2.2 本構模型

Mohr-Coulomb 模型是巖土工程中常用的本構模型，但該模型下土體加載和卸載采用的同一個模量參數，無法模擬土體卸載情況下的變形[4]。

相關學者通過大量試驗發現土體的剛度與應變密切相關[5]。根據研究顯示基坑開挖后的土體應變范圍在0.01%～0.1%之間，土體小應變的變化范圍[6]一般在0.001%～1%，可見基坑施工過程中土體的變形屬于小應變狀態，需要考慮土體的小應變特性才能反映基坑工程中土體位移的真實情況。本文的土體本構采用FLAC3D中的小應變塑形硬化模型（PH-Small），該模型可以考慮基坑土體的小應變狀態，參考王衛東[7]對土體硬化模型參數的試驗研究，本文中的切線模量、割線模量、黏土的加載模量、粉砂土的加載模量。土體參數參考地質勘探報告和以上的換算關系，如表1所示。圍護結構和管廊結構用實體單元模擬，均采用彈性模型。

2.3 模擬內容

考慮到基坑開挖后支撐結構并不是直接加上，因此把基坑開挖與支撐施加分為兩個獨立的步驟。模型的開挖、支護與管廊結構的放置模擬共分成7 個步驟進行，整個過程的基本步驟如表2所示。

3.基坑開挖

表1 土體物理力學性質參數

表2 模擬工序步驟

根據計算模擬的內容，把模擬工序步驟分為兩個部分，基坑開挖和管廊施工。首先是基坑開挖，基坑開挖深度為9m，一共分為三次開挖：第一次開挖深度為1.2m，第二次開挖深度為5.5m，第三次開挖深度為2.3m。隨著基坑開挖的結束，基坑兩側墻后土體的位移較大。對圍護結構變形、墻后地表沉降進行分析。

3.1 圍護結構側向位移

基坑開挖破壞了原有的圍護結構與周圍土體的平衡狀態，在主動土壓力的作用下，使墻后土體產生向基坑內部為位移。由于土體位移所產生在水平方向的分量，加劇了支護樁側移，隨著支護樁所受的主動土壓力逐漸減小，最終達到平衡狀態。

圖2為模擬基坑分布開挖后圍護結構水平位移值。第一次開挖1.2m 后，圍護結構的側移量微小。支撐并對基坑進行第二次開挖，開挖深度為5.5m 后，可以看出，圍護結構在受到頂部支撐的作用下表現為內凸型。圍護樁的樁頂位移量為1.3mm，先隨著開挖深度的增加，圍護結構的側移量逐漸增加，最大值為15.5mm 出現在基坑的中上部，然后隨著開挖深度的增加和入土深度的增加，圍護結構的側移量逐漸減小。施加第二層支撐后對基坑進行第三次開挖，開挖深度為2.3m，圍護結構的最大側移深度和最大側移量均增加，最大側移量為16.1mm 出現在基坑的中上部。

3.2 地表沉降

隨著基坑內土體的開挖，圍護結構約束墻后土體的側向位移產生而產生變形，使土體向圍護結構變形方向產生擠壓，土體位移所產生在豎直方向上的分量引起了地表沉降。

Hsieh 等[9]結合大量工程實例，提出地表沉降經驗預測曲線，將地表沉降區劃分為主要影響區和次要影響區。李方明等[10]統計江漫灘地區多個懸掛式止水帷幕基坑地表沉降的變形規律，得到地表沉降的歸一化曲線。本文的數值計算結果與以上學者提出的經驗值進行對比，如圖3所示。其中d 為距圍護結構的距離，hmax 為基坑的最大開挖深度，ξ 為圍護結構后各點的地表沉降，ξmax 為地表最大沉降?？梢钥闯?，本文地表沉降歸一化曲線與Hsieh 等[9]的經驗預測曲線和李方明等[10]的統計規律的趨勢吻合較好，尤其是在主要影響區。證明了本文所采用的額PH-Small 模型和所取的土層參數是合理的。次要影響區主要是由降水引起[10]，本文沒有考慮降水的作用，因此在次要影響區擬合程度較低。由于次要影響區的沉降值相對于主要影響區的沉降小很多，因此次要影響區對計算模型帶來的影響小，不影響進一步對計算模型的變形規律探討。

4.管廊荷載施加

基坑開挖完成后，撤掉第二層支撐并導入管廊模型于基坑底部，用attach 命令使管廊模型底部與基坑底部進行接觸，覆于管廊結構材料屬性，楊氏模量E=3.15e10pa，泊松比ν=0.2、密度2360kg/m3。

4.1 管廊沉降和土體位移

管廊結構施加使基坑底部的土體被壓縮，隨即產生了向下的位移。在無地基處理下，管廊下的地基土逐漸被壓密，土顆粒間的空隙逐漸縮小使管廊結構隨地基土產生沉降。管廊結構的沉降先隨著土體的固結逐漸增加達到最大值10.5mm，由于土體的剪脹性使土體產生了小量的體積回彈，固結的完成管廊結構最終沉降量為8.7mm。黃劍等[11]對桑田島工程建成后的綜合管廊和周邊道路進行了沉降監控，對其對管廊沉降的實測和本文計算的管廊沉降模擬值進行歸一化處理，如圖4所示。T 為沉降檢測時間，Tmax為沉降檢測總時間，S 為管廊在檢測時間下的沉降值，Smax為管廊沉降穩定時的沉降值。本文計算值和實測值的擬合較好，管廊的沉降過程可以分為兩個階段：發展階段和穩定階段。

圖2 圍護結構側向位移

圖3 歸一化地表沉降與經驗值對比

圖4 歸一化管廊沉降與實測值對比

4.2 地基處理對管廊及基坑的影響

管廊結構的不均勻沉降會使相鄰管節產生沉降差，從而使得管廊結構出現開裂、漏水等病害情況，甚至會導致內部基礎設施的變形，影響結構和設施的正常使用。因此，可以通過對管廊下的地基進行處理，提高地基土的承載能力來減小管廊結構的沉降。

該管廊工程采用φ1000@5000 鉆孔灌注樁對管廊下的地基進行加固，加固深度為20m。如圖5所示，經計算，通過鉆孔灌注樁的加固有效降低了管廊結構的沉降，管廊沉降最大值為53.2mm，隨計算步長的增加管廊沉降最終穩定在47.8mm，較地基未處理情況下的管廊沉降穩定值減小了52.2%。說明采用鉆孔灌注樁的方式加固管廊地基，可以有效地增加地基的豎向承載能力，對基坑周圍的土體位移影響較小。

5.地基處理深度對管廊結構引起土體位移的影響

經過上一節的結論，采用鉆孔灌注樁處理后的基坑地基，能夠有效地增加地基的承載能力，從而減小的管廊結構的沉降量。為了進一步地探究采用鉆孔灌注樁進行地基處理后對管廊沉降的影響，本文通過在其他參數均不變的情況下，該變鉆孔灌注樁的樁長及改變地基的處理深度，來觀察不同情況下的管廊沉降值。本文設置的鉆孔灌注樁地基處理深度有0m、10m、20m、30m、40m 五種情況，分別對五種地基處理方式下的管廊沉降量進行了記錄，均取五種情況下的最終沉降量，并進行了回歸擬合，如圖6所示。地基通過鉆孔灌注樁處理后能夠有效地減小管廊結構的沉降，管廊結構的沉降與地基處理深度呈負相關的關系，當鉆孔灌注樁的樁長設置為40m 時，管廊結構的沉降為2.38mm。

6.結論

（1）管廊工程所引起的地表沉降使由兩部分構成，第一部分為管廊基坑開挖引起的沉降；第二部分是管廊荷載施加后所引起的地表沉降。合理考慮管廊工程對周圍土體的影響及影響范圍，能有效地判斷是否對臨近建筑物產生影響，從而采用必要的措施來保證管廊工程臨近建筑物的安全性。

圖5 地基處理下管廊沉降對比

圖6 地基處理深度與管廊沉降關系

（2）管廊工程中對管廊結構的沉降控制是重要的一環，本文通過數值模擬的方法通過對未做地基處理的管廊沉降與采用鉆孔灌注作為地基處理方式下的管廊沉降做了對比，發現采用該方式能夠有效地減小管廊工程中管廊結構的沉降。

（3）當以鉆孔灌注樁作為地基處理方式來控制管廊結構的沉降時，鉆孔灌注樁的樁長及地基處理深度對管廊結構的沉降的影響滿足拋物線關系。在實際管廊工程當中，需要合理考慮地基處理深度和管廊沉降兩個者的關系，從而避免為控制沉降而造成造價過高的情況。