地鐵側(cè)穿既有綜合管廊保護(hù)控制分析

　　【摘 要】：以長沙市軌道交通4號線圭塘站2、3號出入口側(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、基坑開挖等施工工序中的變形與沉降，通過現(xiàn)場管廊沉降及位移監(jiān)測，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)展趨向以及國內(nèi)外建設(shè)科技發(fā)展動態(tài)信息。

　　【關(guān)鍵詞】：綜合管廊;原位懸吊;地鐵;側(cè)穿

　　隨著我國城市地下空間的不斷開發(fā)，基坑開挖時(shí)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(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] 對軟土基坑開挖時(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，懸吊過程中容易出現(xiàn)水平向移動。劉印等[7] 利用高強(qiáng)螺紋鋼與型鋼組合對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(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(jié)構(gòu)，外輪廓尺寸 7.2 m×6.8 m，采用明挖順作法施工?；由?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Τ两禈O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(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4根M20、10.9級扭剪型高強(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 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。

　　相比類似工程懸吊技術(shù)，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(yù)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(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)揮作用后再開挖下一處吊點(diǎn)，從而避免了管廊底部土體大范圍的擾動，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 對土體開挖、懸吊構(gòu)架的施作等各施工階段進(jìn)行全過程模擬。

　　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)置無厚度界面單元進(jìn)行模擬。

　　計(jì)算模型見圖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)見表1和表2。

　　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。

　　對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，施工全過程可以簡化為6步。

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

　　第二步：開挖施作第一段懸吊構(gòu)件。

　　第三步：開挖施作第二段懸吊構(gòu)件。

　　第四步：開挖施作第三段懸吊構(gòu)件。

　　第五步：開挖施作第四段懸吊構(gòu)件。

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

　　針對上述模擬過程，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。

　　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(shè)臨時(shí)鋼管等措施對沉降進(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)又受到基坑開挖變形的影響。第六步管廊整體懸吊的基礎(chǔ)上，基坑開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%。見圖7。

　　3)采取不同施工方案，管廊整體位移趨勢基本一致，見圖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)場監(jiān)測

　　管廊底部均勻布置 16個(gè)沉降監(jiān)測點(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且現(xiàn)場最大監(jiān)測位移為 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：

　　(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(diǎn)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(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)場監(jiān)測技術(shù)對管廊沉降位移進(jìn)行監(jiān)測并將監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了模型的正確性及懸吊保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。