地基差異沉降對預制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)影響
——以平潭綜合實驗區(qū)地下綜合管廊干線工程為例

尚武孝

(中鐵一局集團廈門建設工程有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

為提高城市綜合承載能力，國內(nèi)許多城市陸續(xù)規(guī)劃修建地下綜合管廊，用于鋪設城市市政公用管線[1]。地下綜合管廊施工方法種類很多，其中明挖預制拼裝法是一種較為綠色、先進的施工方法，已成為綜合管廊施工的主要發(fā)展方向[2-3]。然而，由于預制拼裝綜合管廊存在大量的拼縫和接頭，在管廊周邊及上覆土體荷載、地表荷載、地下水等外部環(huán)境因素影響作用下，管廊結(jié)構(gòu)受力變形特性比較復雜，會發(fā)生變形及內(nèi)力重分布，管廊接頭處會產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，當管廊變形或曲率達到一定程度后，可能導致接頭處張開量過大而發(fā)生破壞，從而影響整個管廊結(jié)構(gòu)的受力性能和使用效果[4-6]。白旭峰等(2018)[7]通過ANSYS有限元分析方法，研究指出軟土地基上車輛荷載的作用可導致跨城市主干道預制綜合管廊產(chǎn)生明顯的不均勻沉降現(xiàn)象，并隨著車道數(shù)的增加而更加嚴重，同時，不均勻沉降會顯著影響管廊連接螺栓的拉應力；黃鑫等(2018)[8]研究了地基加固深度對軟土地基綜合管廊結(jié)構(gòu)受力性能的影響，綜合管廊結(jié)構(gòu)豎向位移和寬度范圍內(nèi)的地表土體豎向位移受地基加固深度的影響較大；胡翔等(2018)[9]研究了軟弱土層彈性模量對預制拼裝綜合管廊受力性能的影響，結(jié)果表明，軟弱土層彈性模量的減少會加劇管廊的不均勻沉降，軟弱土層對管廊結(jié)構(gòu)的縱橫向內(nèi)力均有較大影響；劉俊偉等(2020)[10]借助Midas Gen有限元模擬軟件，研究不均勻沉降工況下，預制拼裝管廊結(jié)構(gòu)受荷變形規(guī)律。由于我國地下綜合管廊建設起步較晚，這方面相關的課題研究成果相對較少。

基于此，本文依托平潭綜合實驗區(qū)地下綜合管廊干線工程，借助PLAXIS 3D有限元軟件構(gòu)建雙艙、三艙管廊結(jié)構(gòu)斷面，通過局部降水固結(jié)，模擬研究管廊地基差異沉降對管廊受力變形的影響，提出一些對預制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)設計及計算具有參考價值的建議。

1 工程概況

平潭綜合實驗區(qū)地下綜合管廊干線工程第1標段全長約2349m，根據(jù)各路段入廊管線種類及容量差異，共設置3種綜合管廊斷面。具體概況如表1所示。

表1 管廊斷面概況一覽表

預制管廊每孔跨根據(jù)長度不同劃分了10～24個預制節(jié)段，標準節(jié)段長為1.5m。各預制節(jié)段端部橫斷面上設置剪力鍵(圖1)，多個節(jié)段縱向通過預應力筋連接起來(圖2)，設計預應力240kN。

(a)C型

(b)D型

(c)A大樣圖

(d)B大樣圖

圖2 C型預制綜合管廊預應力布置示意圖(單位：mm)

根據(jù)地質(zhì)補勘揭示可知，該區(qū)間段管廊基坑范圍主要地層為素填土、中砂、淤泥質(zhì)土和碎塊狀強風化巖，工程地質(zhì)剖面圖如圖3所示。該區(qū)段內(nèi)主要含水層為孔隙潛水、基巖孔隙裂隙水，水位埋深約1～3m。

圖3 工程地質(zhì)剖面圖

2 數(shù)值模擬

根據(jù)預制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)設計圖，結(jié)合工程地質(zhì)條件，采用大型通用巖土有限元程序PLAXIS 3D構(gòu)建土體-管廊相互作用三維有限元模型。總體分析思路為：明挖鋪設、拼裝管廊并施加管廊縱向預應力240kN；回填至設計標高之后，通過模擬水位下降，施加固結(jié)沉降荷載，研究管廊在不均勻沉降作用下的拉力、剪力和變形響應特征。

2.1 有限元模型設計

2.1.1建模范圍和邊界條件

構(gòu)建兩節(jié)段(15節(jié)預制管廊)模型，管廊一端是對稱邊界，主要分析第一節(jié)段，遠端一個節(jié)段是為了模擬半剛性邊界。考慮管節(jié)長度、數(shù)量、管廊埋深，結(jié)合工程分析經(jīng)驗及可能影響范圍，最終確定三維模型總尺寸為橫向(y)×縱向(x)×豎向(z)=37m×42m×26.6m，如圖4所示。地下水位埋深2m。模型四周設置法向約束，底部設置固定約束，頂面為地表面，不設約束。

(a)三維模型總尺寸

(b)兩節(jié)段(15節(jié)預制管廊)模型

2.1.2單元選擇

土體和管廊結(jié)構(gòu)均采用10節(jié)點高階四面體實體單元進行離散。管廊與土體之間以及預制管節(jié)與管節(jié)之間的接觸面設置界面單元，模擬其相互作用。剪力鍵則采用等效界面方法來模擬，根據(jù)剪力鍵的截面積在相應位置設置界面單元，通過反復調(diào)整界面單元的參數(shù)，使得等效界面模型與三維實體模型獲得相近的抗剪性能。預應力筋采用僅受軸向拉壓的點對點彈簧單元模擬，該單元可以在施工過程模擬中施加預應力荷載。此外，采用板單元模擬預應力張拉錨固端，從而可以更真實合理地模擬實際情況，避免局部受力失真。

2.1.3網(wǎng)格劃分

對管廊廊體及周邊土體區(qū)域進行局部網(wǎng)格加密，以C型管廊模型為例，共劃分94 600個單元、149 605個節(jié)點。C型、D型管廊結(jié)構(gòu)三維網(wǎng)格模型分別如圖5和圖6所示。

(a)管廊整體網(wǎng)格圖

(b)管廊細部放大圖

圖 6 D型管廊結(jié)構(gòu)三維網(wǎng)格模型

2.1.4材料本構(gòu)

根據(jù)不同材料的力學行為特點及計算效率等方面綜合考慮，選擇不同的本構(gòu)模型。土體均假定為彈塑性材料，管廊所處的中砂層采用小應變土體硬化模型(HSS)模擬，其余的素填土、淤泥質(zhì)土和碎塊狀強風化巖采用莫爾-庫侖模型(MC)模擬，預制混凝土管廊假定為線彈性材料，采用線彈性模型(LE)模擬。界面單元的力學行為假定為彈塑性，遵循庫侖準則，可以描述界面的張開和滑移。

2.1.5材料參數(shù)

根據(jù)地勘資料、試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合類似工程經(jīng)驗和參考文獻，綜合確定各材料參數(shù)。巖土體物理力學參數(shù)如表2所示，參數(shù)包括：重度γ、楊氏模量E、泊松比v、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ，滲透系數(shù)k。管廊結(jié)構(gòu)力學參數(shù)包括重度γ=25kN/m3、E=30000MPa、v=0.15。等效界面參數(shù)為摩擦角49.5°，界面剛度2E7kPa。

表2 巖土體物理力學參數(shù)

(*)說明：中砂模量數(shù)據(jù)依次為固結(jié)儀模量Eoed、割線模量E50、回彈模量Eur及小應變剛度G0和γ0.7。

2.2 施工過程模擬

按照施工過程依次模擬分析，計算工況步驟如下：

(1)初始地應力平衡，記作CS0。

(2)激活管廊及點對點彈簧并施加預應力240kN，將該部分土體單元材料替換為管廊材料，記作CS1。

(3)回填至設計標高，激活管廊周邊及上覆土體，記作CS2。

(4)通過局部降水固結(jié)，模擬管廊地基差異沉降對管廊受力變形的影響，記作CS3。

2.3 模擬分析工況

在管廊施工完成后，通過對管廊一端所在地層進行局部降水，使得該處局部地層發(fā)生固結(jié)沉降，以此作為外部環(huán)境作用，進而分析管廊在此影響下的應力、位移、錨固力等的變化情況。

3 結(jié)果分析

通過計算分析發(fā)現(xiàn)，局部降水差異沉降影響下的雙艙C型管廊與三艙D型管廊的抗沉降力學響應規(guī)律基本一致，因此，后續(xù)分析以C型管廊模型結(jié)果為主，如無特別說明則D型管廊接頭計算結(jié)果主要作為對比及驗證計算模型與模擬方法的合理性、可靠性。

3.1 地層豎向位移

局部降水固結(jié)后，發(fā)生的地層豎向位移如圖7所示。

(a)整體豎向位移

(b)管廊底板所在地層豎向位移

從圖7可以看到，一方面因局部降水固結(jié)，第一節(jié)段管廊所處的區(qū)域地表沉降量最大為121.9mm，要比其遠端第二節(jié)段管廊所處的地表沉降量(約為84.5mm)大，即通過局部降水固結(jié)使得管廊地基產(chǎn)生了差異沉降；另一方面，因管廊結(jié)構(gòu)與周邊土體之間存在剛度差異，所以管廊結(jié)構(gòu)對周邊土體沉降也發(fā)揮了一定的限制作用，第一節(jié)段管廊正上方地表沉降最大值約為57.4mm，比起周邊土體沉降要小。圖7(b)所示，為管廊底板標高以下土體的豎向位移，從管廊橫斷面方向(x軸方向)來看，對于第一節(jié)段管廊端部底板兩側(cè)土體(圖7中B點)沉降最大，達87.1mm，相比之下，管廊中心底板處土體(圖7中A點)沉降要小，約為52mm；從管廊縱向(y軸方向)來看，第二節(jié)段管廊遠端底板處土體(圖7中C點)的沉降更小，約為32.7mm。也就是說，在當前設定的局部降水條件下，沿管廊橫向及縱向均發(fā)生了差異沉降。該現(xiàn)象為下文分析管廊在差異沉降影響下的受力變形特征奠定了基礎。

3.2 管廊豎向位移

在上述地層差異沉降影響下，管廊豎向位移分布如圖8所示。

圖8 管廊結(jié)構(gòu)豎向位移云圖-C型管廊

由圖8可知，在局部降水固結(jié)影響下，第一節(jié)段與第二節(jié)段管廊均表現(xiàn)為下沉，最大沉降出現(xiàn)在第一節(jié)段管廊端部(A端)，約為54.9mm，第二節(jié)段遠端(B端)沉降相對最小，約為36.3mm，二者相差18.6mm。將受降水固結(jié)影響比較嚴重的第一節(jié)段管廊單獨輸出，可知該段15節(jié)管廊兩端的沉降差異約為10.5mm，沿管廊縱向整體差異沉降約為0.95‰。

3.3 管廊周邊界面應力

3.3.1法向總應力及有效應力

管廊周邊界面法向總應力及有效應力如圖9所示。

通過圖9可以看出，因第一節(jié)段處于局部降水固結(jié)主要影響區(qū)內(nèi)，降水后第一節(jié)段管廊底部法向總應力減小，比遠端第二節(jié)段管廊底部的法向總應力低，但第一節(jié)段管廊底部的法向有效應力則因降水固結(jié)而增大，比第二節(jié)段管廊底部的界面法向有效應力高。即第一節(jié)段管廊下方土體降水固結(jié)產(chǎn)生附加沉降，管廊廊體也隨之產(chǎn)生一定的附加沉降，從而在管廊縱向呈現(xiàn)出差異沉降特征。

3.3.2切向應力

管廊周邊界面的切向應力如圖10所示。

由圖10可知，主要在管廊兩側(cè)界面產(chǎn)生了向下的切向應力，該切向應力的正負號主要由于界面單元的局部坐標系不同引起的，當切向應力方向與局部坐標軸方向一致時為正，反之為負。所以，該切向應力雖然左側(cè)為正，右側(cè)為負，但實際都是向下的。管廊兩側(cè)壁與頂板相交處附近(即側(cè)壁頂部)的切向應力較大。以第一節(jié)段管廊右側(cè)壁處界面為例，側(cè)壁底部切向應力15kPa～20kPa，為正，向上；側(cè)壁頂部切向應力-30kPa～-60kPa，為負，向下。第一節(jié)段比第二節(jié)段的切向應力極值大，最大切向應力達到83.2kPa。

(a)總應力

(b)有效應力

上述結(jié)果表明，在局部降水固結(jié)作用下，地層產(chǎn)生附加沉降，由于管廊結(jié)構(gòu)與土體之間存在較大的剛度差異，土體沉降變形過程與管廊發(fā)生相對位移，對管廊兩側(cè)產(chǎn)生剪切作用。這一機制與樁基負摩阻力的作用有相似之處。

3.4 管廊廊體應力

第一節(jié)段管廊廊體結(jié)構(gòu)在拼裝完成施加預應力階段、回填施工階段及后期局部降水引起差異沉降階段的縱向應力分布情況，如圖11～圖12所示，廊體應力極值如表3所示。

(a)管廊整體界面

(b)管廊兩側(cè)界面

表3 管廊應力極值

(a)管廊拼裝階段

(b)回填階段

(c)差異沉降階段

從圖11、圖12和表3可知：

(1)管廊廊體縱向應力隨不同工況的變化幅度較大。以廊體所受的壓應力為例(拉正壓負)，從施工階段CS1到后期受到差異沉降影響階段CS3這3個階段內(nèi)，廊體壓應力極值分別為-321.7kPa，-601.3kPa，-3534kPa，CS1和CS2階段管廊總體處于受壓狀態(tài)，且在預制管節(jié)接觸面處壓應力集中。階段CS3管廊壓應力大幅增加，管廊頂板壓應力最大，達3.5MPa左右，不過尚遠低于C45抗壓強度21.1MPa。

(a)管廊拼裝階段

(b)回填階段

(c)差異沉降階段

(2)CS1、CS2、CS3階段的廊體拉應力極值分別為54.74kPa，209.5kPa，6774kPa，CS3階段拉應力大幅增加，在管廊底板內(nèi)側(cè)管節(jié)接觸面處最大，拉應力極值達6.8MPa左右，比C45抗拉強度1.8MPa高，說明差異沉降影響下管廊局部表面可能發(fā)生拉裂破壞。

此外需要說明的是，預制管廊接觸面處的拉應力實際達不到6.8MPa，在此之前就早已發(fā)生拉裂破壞了，計算出現(xiàn)這么大的數(shù)值是因為計算模型為連續(xù)介質(zhì)有限元模型，并不模擬真正的裂縫產(chǎn)生及擴展現(xiàn)象。

3.5 預應力筋軸力

管廊縱向預應力筋的軸力隨不同階段的變化如表4所示。

由表4可知，預應力鎖定值為240kN，差異沉降影響下預應力筋軸力的增大幅度較小，因此錨索的安全儲備是足夠的。

表4 預應力筋軸力(單位：kN)

4 結(jié)語

本文以平潭綜合實驗區(qū)地下綜合管廊干線工程為例，采用三維有限元數(shù)值模擬技術(shù)，通過剪力鍵等效界面模擬方法，建立兩節(jié)段管廊-土體相互作用大尺度三維數(shù)值模型，研究地層差異沉降對管廊結(jié)構(gòu)的影響，主要結(jié)論如下：

(1)通過設定局部降水條件，使得一節(jié)段管廊受到局部降水固結(jié)影響，產(chǎn)生明顯的差異沉降。在局部降水固結(jié)作用下，地層產(chǎn)生附加沉降，由于管廊結(jié)構(gòu)與土體之間存在較大的剛度差異，土體沉降變形過程中與管廊發(fā)生相對位移，對管廊兩側(cè)產(chǎn)生剪切作用，這一機制與樁基負摩阻力的作用有相似之處。

(2)在差異沉降影響下，管廊廊體應力大幅提高，其中壓應力極值尚遠低于廊體混凝土抗壓強度，但拉應力極值已超出混凝土抗拉強度，即差異沉降影響下管廊局部表面可能發(fā)生拉裂破壞。

(3)差異沉降影響下預應力筋軸力的增大幅度較小，錨索的安全儲備足夠。

通過預應力筋縱向連接的預制拼裝綜合管廊，由于施加了縱向約束，剛度大，整體性好，接頭質(zhì)量可靠。但是，管廊接頭處對沉降比較敏感，對管廊地基、基礎的要求較高。若管廊在運營過程發(fā)生較大地基沉降，管廊結(jié)構(gòu)斷面內(nèi)會產(chǎn)生附加應力，接頭、接縫位置可能張開甚至破壞，從而影響整個管廊結(jié)構(gòu)的受力性能和使用效果。結(jié)合前面的模擬分析成果，針對預制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)設計及計算提出如下建議：

①嚴格控制管廊的最大沉降和差異沉降，避免接頭開裂破壞。因超載、降水、軟土地基等原因?qū)е鹿芾炔町惓两颠^大，會引起管廊接頭拉應力顯著變化，可能導致接頭開裂甚至破壞，從而影響管廊的力學性能和使用功能。以本文計算結(jié)果為例，一段15節(jié)管廊的差異沉降達到10mm左右時，管廊拉應力已經(jīng)超出混凝土抗拉強度。因此，應對管廊所處區(qū)域的地面超載、降水等作用進行嚴格控制，若遇軟土地基或不均勻地基，應進行加固處理。

②土體沉降引起的管廊變形和受力與埋深(上覆荷載)，土質(zhì)(地基的模量)，管節(jié)自身(管廊強度、剛度、預應力等)等多種因素有關。在經(jīng)驗積累尚不夠豐富的條件下，應盡量結(jié)合具體設計條件和工程環(huán)境特點，針對每一工況進行數(shù)值模擬分析，從而確定最大允許沉降。

③對綜合管廊施加足夠的預應力可以保證接頭有足夠的抗剪能力，但也要注意，過大的預應力可能導致局部混凝土壓碎破壞。此外，還應將管廊允許沉降范圍內(nèi)預應力增大的幅度考慮進來，確保在管廊允許過程不會因預應力過大而局部壓碎破壞。