地鐵側(cè)穿既有綜合管廊保護(hù)控制分析

　　【摘 要】：以長(zhǎng)沙市軌道交通4號(hào)線圭塘站2、3號(hào)出入口側(cè)穿既有綜合管廊工程為背景，設(shè)計(jì)了一套綜合管廊原位懸吊保護(hù)系統(tǒng)，采用有限元軟件，分析土體-懸吊構(gòu)架-管廊相互作用下，管廊在懸吊構(gòu)架施作、基坑開(kāi)挖等施工工序中的變形與沉降，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)管廊沉降及位移監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性及懸吊保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

　　本文源自敬懷珺; 王海林; 馬軍秋; 王木群， 天津建設(shè)科技 發(fā)表時(shí)間：2021-04-23《天津建設(shè)科技》(雙月刊)創(chuàng)刊于1990年，由天津市建設(shè)科技信息中心主辦。本刊堅(jiān)持為建設(shè)科技事業(yè)發(fā)展服務(wù)的方針，堅(jiān)持為建設(shè)系統(tǒng)廣大科技人員服務(wù)的宗旨，緊密圍繞天津市建設(shè)系統(tǒng)的科技重點(diǎn)工作進(jìn)行宣傳報(bào)道，主要刊載建筑業(yè)、建材業(yè)、市政業(yè)、房地產(chǎn)業(yè)、公用事業(yè)五大行業(yè)的科技成果、學(xué)術(shù)論文、重點(diǎn)工程、推廣項(xiàng)目、地方標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及政策法規(guī)等，并介紹各專業(yè)的科技發(fā)展趨向以及國(guó)內(nèi)外建設(shè)科技發(fā)展動(dòng)態(tài)信息。

　　【關(guān)鍵詞】：綜合管廊;原位懸吊;地鐵;側(cè)穿

　　隨著我國(guó)城市地下空間的不斷開(kāi)發(fā)，基坑開(kāi)挖時(shí)遇到越來(lái)越多地下管線近接施工問(wèn)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(diǎn)。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(duì)軟土基坑開(kāi)挖時(shí)鄰近地下管線加固隔離保護(hù)進(jìn)行數(shù)值分析;羅鳳霞等[5] 采用貝雷架對(duì)基坑鄰近重載管線進(jìn)行懸吊保護(hù);程群等 [6] 采用門式架對(duì)鄰近管線進(jìn)行懸吊保護(hù)，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(guò)程中容易出現(xiàn)水平向移動(dòng)。劉印等[7] 利用高強(qiáng)螺紋鋼與型鋼組合對(duì)基坑鄰近綜合管廊進(jìn)行懸吊保護(hù)，但螺紋鋼橫向剛度弱且在分析過(guò)程中未考慮基坑開(kāi)挖與管廊的相互影響。

　　本文以長(zhǎng)沙4號(hào)線圭塘站2、3號(hào)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(shè)計(jì)了一套管廊原位懸吊保護(hù)系統(tǒng)，在考慮土體-懸吊構(gòu)架-管廊相互作用的條件下，對(duì)管廊沉降位移進(jìn)行分析，驗(yàn)證該保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，為類似工程提供借鑒。

　　1工程概況

　　長(zhǎng)沙市軌道交通4號(hào)線圭塘站2、3號(hào)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(jié)構(gòu)，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(shè)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(hù)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)外墻邊線 0.26～0.39 m，該間距不具備施作圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(jiàn)圖1。

　　2懸吊保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　管廊內(nèi)存在燃?xì)夤艿葘?duì)沉降極為敏感的管線。出入口施工時(shí)，管廊總沉降量不得>10 mm。針對(duì)工程特點(diǎn)，采用近管廊側(cè)基坑分段擴(kuò)挖的方式并設(shè)計(jì)了一套懸吊保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由懸吊型鋼框、管廊底部支撐板、懸吊構(gòu)架組成。見(jiàn)圖2。

　　2.1懸吊構(gòu)架

　　懸吊構(gòu)架由管廊一側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、格構(gòu)柱及柱下基礎(chǔ)樁、第一道混凝土支撐構(gòu)成。管廊通過(guò)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(guò)兩側(cè)豎向圍護(hù)結(jié)構(gòu)及格構(gòu)柱、柱下基礎(chǔ)樁傳給地基。

　　2.2懸吊型鋼框+管廊底部支撐板

　　單個(gè)懸吊型鋼框由 4根[16b槽鋼構(gòu)成，各槽鋼之間通過(guò)4根M20、10.9級(jí)扭剪型高強(qiáng)螺栓首尾相連，每一處吊點(diǎn)于管廊左右兩側(cè)分別設(shè)置一個(gè)型鋼框，兩個(gè)型鋼框之間通過(guò) 4 根工 14 鋼及 10 mm 厚鋼板相連。管廊荷載通過(guò)下部支撐板及兩側(cè)型鋼框傳遞給第一道支撐。見(jiàn)圖3。

　　相比類似工程懸吊技術(shù)，該懸吊系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢(shì)：

　　1)型鋼框懸掛于第一道支撐且與支撐頂面已預(yù)埋鋼板焊接固定，型鋼架相對(duì)于螺紋鋼、鋼纜繩等柔性材料具有較強(qiáng)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(shè)置成一個(gè)整體，難以與管廊底密貼;本系統(tǒng)中各吊點(diǎn)均由兩個(gè)型鋼架與橫向支撐板組成，間隔設(shè)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(diǎn)相互獨(dú)立，懸吊框隨挖隨做，已做懸吊框發(fā)揮作用后再開(kāi)挖下一處吊點(diǎn)，從而避免了管廊底部土體大范圍的擾動(dòng)，嚴(yán)格控制管廊沉降。

　　3 數(shù)值模擬

　　利用懸吊構(gòu)架將管廊荷載傳遞給基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)又受土體開(kāi)挖的影響，進(jìn)一步導(dǎo)致管廊變形。因此，為了更真實(shí)地反應(yīng)整個(gè)過(guò)程中管廊變形，在考慮土體-懸吊構(gòu)架-管廊相互作用的基礎(chǔ)上，采用 midas GTS 對(duì)土體開(kāi)挖、懸吊構(gòu)架的施作等各施工階段進(jìn)行全過(guò)程模擬。

　　3.1計(jì)算假定及邊界條件

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

　　2)懸吊框、格構(gòu)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(shí)體單元進(jìn)行模擬。

　　4)管廊采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。

　　5)土體與結(jié)構(gòu)物接觸面，設(shè)置無(wú)厚度界面單元進(jìn)行模擬。

　　計(jì)算模型見(jiàn)圖4。

　　3.2計(jì)算參數(shù)

　　綜合管廊材料為C30混凝土，結(jié)構(gòu)自重71.75 kN/m;內(nèi)部管線及支架重 9.6 kN/m;每處吊點(diǎn)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(xué)參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

　　3.3施工過(guò)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(jiàn)圖5。

　　對(duì)每一次鋼架的施作進(jìn)行模擬，將每施作一段距離懸吊鋼架(2～3個(gè))視為一個(gè)施工步，施工全過(guò)程可以簡(jiǎn)化為6步。

　　第一步：施作圍護(hù)結(jié)構(gòu)及第一道支撐，開(kāi)挖基坑至管廊基底標(biāo)高。

　　第二步：開(kāi)挖施作第一段懸吊構(gòu)件。

　　第三步：開(kāi)挖施作第二段懸吊構(gòu)件。

　　第四步：開(kāi)挖施作第三段懸吊構(gòu)件。

　　第五步：開(kāi)挖施作第四段懸吊構(gòu)件。

　　第六步：管廊整體懸吊，開(kāi)挖基坑，架設(shè)第二道支撐，施作結(jié)構(gòu)，拆除第二道支撐。

　　針對(duì)上述模擬過(guò)程，根據(jù)不同懸吊及支撐間距，設(shè)計(jì)了3套施工方案進(jìn)行分析比選，見(jiàn)表4。

　　4分析結(jié)果

　　第一步由于土體卸荷回彈，管廊各節(jié)點(diǎn)有 0.32 mm整體向上位移，為了消除其對(duì)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(jiàn)圖6。

　　1)隨著各施工步有序進(jìn)行，管廊各節(jié)點(diǎn)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(duì)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(shì)分布。在施工過(guò)程中可以在管廊中間位移較大處采取豎向架設(shè)臨時(shí)鋼管等措施對(duì)沉降進(jìn)行控制。

　　2)各施工階段管廊與懸吊系統(tǒng)相互作用，同時(shí)又受到基坑開(kāi)挖變形的影響。第六步管廊整體懸吊的基礎(chǔ)上，基坑開(kāi)挖至基底后拆除支撐，圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(gè)累積位移的19%。見(jiàn)圖7。

　　3)采取不同施工方案，管廊整體位移趨勢(shì)基本一致，見(jiàn)圖8。

　　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(jìn)行施工。

　　5現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

　　管廊底部均勻布置 16個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。管廊沉降隨各施工步逐漸增大，當(dāng)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(shì)且現(xiàn)場(chǎng)最大監(jiān)測(cè)位移為 9.19 mm，與模擬結(jié)果相差 6.6%，處于安全可控范圍，滿足管廊原位懸吊保護(hù)要求。見(jiàn)圖9。

　　6 結(jié)論

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

　　(1)有效抵抗橫向水平施工荷載;

　　(2)懸吊過(guò)程中，管廊底部受力均勻;

　　(3)吊點(diǎn)隨挖隨做，土體擾動(dòng)對(duì)管廊影響得到有效而穩(wěn)定的控制。

　　2)不考慮施工過(guò)程的影響，僅對(duì)全管廊懸吊狀態(tài)下的受力及位移進(jìn)行分析，與實(shí)際不符。管廊沉降位移的累積是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)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(jié)果。

　　3)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)管廊沉降位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的正確性及懸吊保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。