鋼筋砼管片選型與管廊應(yīng)變關(guān)系研究

毛 頓

（陜西恒業(yè)建設(shè)集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710000）

1 前言

預(yù)制拼裝法在工程建設(shè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,尤其在類似管廊洞室的長線式地下空間工程建設(shè)中,鋼筋砼管片作為現(xiàn)代綜合管廊洞室圍巖的支撐,其規(guī)格參數(shù)與洞室圍巖的變形有密切關(guān)系。王建波等[1-2]就目前普遍采用的PPP模式的地下管廊項目中的風(fēng)險分擔(dān)問題進(jìn)行了研究,提出了一種可有效使用的風(fēng)險分擔(dān)方法。黃劍等[3-4]對深厚軟土地層中的地下管廊沉降控制方法進(jìn)行了探討,認(rèn)為在設(shè)計時有措施應(yīng)對軟土中管廊沉降,施工中有效實(shí)施和合理改進(jìn),建成后進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警的方法,可有效保證該類地層中的管廊建設(shè)和運(yùn)營安全。卜令方等[5]對我國當(dāng)前存在的綜合管廊出現(xiàn)的廣泛方面的問題進(jìn)行了總結(jié),認(rèn)為當(dāng)前建設(shè)綜合管廊的技術(shù)已臻成熟,應(yīng)對綜合管廊的長期可靠運(yùn)營進(jìn)行深入研究。喬柱等[6-7]通過分析綜合管廊項目的成本和效益特點(diǎn),指出應(yīng)建立適當(dāng)?shù)木C合管廊有償使用機(jī)制,并提出了“使用者付費(fèi)原則”的定價收費(fèi)方法。錢喜玲等[8-9]采用Fluent軟件進(jìn)行了天然氣泄露的擴(kuò)展模擬,通過模擬獲得的結(jié)果對報警器的設(shè)計和安裝起到了指導(dǎo)作用。韋海民等[10-11]分析了近年來有關(guān)地下綜合管廊的文獻(xiàn)特點(diǎn),指出了地下管廊的研究熱點(diǎn),并對未來地下管廊的研究方向給出了建議。

以下結(jié)合某綜合地下管廊工程,在FLAC3D中進(jìn)行數(shù)值分析研究,主要對預(yù)制砼管片的規(guī)格和參數(shù)與管廊洞室圍巖變形之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,通過對C35和C50兩種鋼筋砼管片條件下支護(hù)圍巖體時的圍巖位移特點(diǎn)的對比分析,獲得相應(yīng)的規(guī)律,為相似地質(zhì)條件管廊洞室工程施工時不同規(guī)格的砼管片的選擇提供了借鑒。

2 工程地質(zhì)

某工程項目管廊洞室長約10.2 km,平面上呈環(huán)型網(wǎng)狀形式,該管廊建成后預(yù)計將收納包括通信管線、電力電纜管線、給水管、空調(diào)供回水管等多種市政設(shè)施管線,市政地位十分突出,洞室斷面采用圓形斷面,見圖1。洞室埋深5 m,洞室直徑5 m,洞室周邊土體為第四紀(jì)粉質(zhì)粘砂土地層,相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表1,管廊洞室的支護(hù)材料預(yù)計在C35和C50兩種鋼筋砼管片之間進(jìn)行選擇,據(jù)實(shí)驗測量兩種材料的力學(xué)性質(zhì)和物理參數(shù)見表1。

圖1 城市地下管廊剖面圖

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3 兩種規(guī)格管片模擬

專門的襯砌單元為用戶應(yīng)用FLAC3D進(jìn)行相關(guān)支護(hù)條件的洞室圍巖變化模擬提供了可能和便利,用戶可通過對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,從而實(shí)現(xiàn)對不同規(guī)格襯砌結(jié)構(gòu)特征的模擬計算,在以下,主要通過Liner單元對兩種規(guī)格管片進(jìn)行模擬,需要設(shè)置的相關(guān)力學(xué)性質(zhì)和物理參數(shù)見表2。

表2 兩種規(guī)格襯砌的設(shè)定

4 模型建立

管廊洞室開挖掘進(jìn)支護(hù)模型見圖2,自洞室頂部向上圍巖厚度為5 m,以模擬實(shí)際的5 m埋深,圍巖土層（粉質(zhì)粘砂土層）的力學(xué)性質(zhì)和物理參數(shù)見表1。實(shí)際模擬時,通過將初始平衡后的位移清零,再進(jìn)行開挖支護(hù)模擬,第一次對C35 類型的鋼筋砼管片進(jìn)行模擬計算,計算完成獲得相應(yīng)的云圖后,再采用相同的方法對C50 類型的鋼筋砼管片進(jìn)行數(shù)值計算。

圖2 綜合管廊洞室施工模型

5 模擬結(jié)果

以下分述兩種規(guī)格的鋼筋砼管片支護(hù)管廊洞室時的圍巖土體蠕動變化情況。

（1）規(guī)格C35 的鋼筋砼管片

采用規(guī)格為C35 的鋼筋砼管片對管廊洞室進(jìn)行開挖襯砌支護(hù),經(jīng)過開挖支護(hù)數(shù)值模擬計算后,得到如圖3 所示圍巖土體水平向蠕變云圖。洞室在水平方向的最大蠕變值為4.4×10-3m,最大蠕變值分布于洞室圍巖體正中間水平線處,向外蠕變值逐漸減小,在洞室周邊成環(huán)向圍繞洞室周長逐漸減小,較小的蠕變值分布區(qū)域逐漸增大。

圖3 規(guī)格C35鋼筋砼加固時圍巖水平向蠕變云圖

采用規(guī)格為C35 的鋼筋砼管片對管廊洞室進(jìn)行開挖襯砌支護(hù),經(jīng)過開挖支護(hù)數(shù)值模擬計算后,得到如圖4所示圍巖土體豎向蠕變云圖。洞室在豎向方向的最大蠕變值約為4.4×10-3m,最大蠕變值分布于洞室圍巖體正中間豎直線處,向外蠕變值逐漸減小,在洞室周邊成環(huán)向圍繞洞室周長逐漸減小,較小的蠕變值分布區(qū)域逐漸增大。

圖4 規(guī)格C35鋼筋砼加固時圍巖豎向蠕變云圖

由以上對水平向、豎直向的蠕變云圖的探討,從中可以知道,最大水平向蠕變值分布區(qū)集中在洞室圍巖體正中間水平線處所在區(qū)域,最大豎向蠕變值分布區(qū)集中在洞室圍巖體正中間豎直線處所在區(qū)域,由洞室周邊向外側(cè)逐漸變小,在洞室周邊方向呈徑向減小趨勢擴(kuò)散,且較小值區(qū)域分布面積逐漸變大。

（2）規(guī)格C50 的鋼筋砼管片

采用規(guī)格為C50 的鋼筋砼管片對管廊洞室進(jìn)行開挖襯砌支護(hù),經(jīng)過開挖支護(hù)數(shù)值模擬計算后,得到如圖5 所示圍巖土體水平向蠕變云圖。洞室在水平方向的最大蠕變值為1.5×10-3m,與規(guī)格C35 的鋼筋砼管片獲得的最大蠕變值4.4×10-3m相比明顯減小,最大蠕變值分布于洞室圍巖體正中間水平線處,向外蠕變值逐漸減小,在洞室周邊成環(huán)向圍繞洞室周長方向逐漸減小,較小的蠕變值分布區(qū)域逐漸增大。

圖5 標(biāo)號C40支護(hù)時水平方向應(yīng)力圖

采用規(guī)格為C50 的鋼筋砼管片對管廊洞室進(jìn)行開挖襯砌支護(hù),經(jīng)過開挖支護(hù)數(shù)值模擬計算后,得到如圖6所示圍巖土體豎向蠕變云圖。洞室在豎方向的最大蠕變值為2.0×10-3m,與規(guī)格C35 的鋼筋砼管片獲得的最大蠕變值4.4×10-3m相比明顯減小,最大蠕變值分布于洞室圍巖體正中間豎線處,向外蠕變值逐漸減小,在洞室周邊成環(huán)向圍繞洞室周長方向逐漸減小,較小的蠕變值分布區(qū)域逐漸增大。

圖6 標(biāo)號C40支護(hù)時豎直方向應(yīng)力圖

由以上對水平向、豎直向的蠕變云圖的探討,從中可以知道,最大水平向蠕變值分布區(qū)集中在洞室圍巖體正中間水平線處所在區(qū)域,最大豎向蠕變值分布區(qū)集中在洞室圍巖體正中間豎直線處所在區(qū)域,由洞室周邊向外側(cè)逐漸變小,在洞室周邊方向呈徑向減小趨勢擴(kuò)散,且較小值區(qū)域分布面積逐漸變大。與規(guī)格C35 的鋼筋砼管片獲得的蠕變云圖相比,采用規(guī)格C50 的鋼筋砼管片蠕變值明顯減小。

6 結(jié)論

（1）由兩種規(guī)格的鋼筋砼管片支護(hù)后獲得的蠕變云圖,最大水平向蠕變值分布區(qū)集中在洞室圍巖體正中間水平線處所在區(qū)域,最大豎向蠕變值分布區(qū)集中在洞室圍巖體正中間豎直線處所在區(qū)域。

（2）水平向、豎向蠕變值由洞室周邊向外側(cè)逐漸變小,在洞室周邊方向呈徑向減小趨勢擴(kuò)散,且較小值區(qū)域分布面積逐漸變大。

（3）規(guī)格C50的鋼筋砼管片蠕變值明顯小于規(guī)格C35的鋼筋砼管片獲得的蠕變值,建議在該粉質(zhì)粘砂土中進(jìn)行管廊洞室施工時,采用規(guī)格C50的鋼筋砼管片進(jìn)行支護(hù)。