暗挖管廊下穿對河底沉降的影響分析

郭 俊 劉佳杰

(北京市政路橋股份有限公司 北京 100045)

0 引言

地下綜合管廊有利于城市各管線統(tǒng)一安放及管理，有利于延長城市各管線的使用壽命[1-2]。由于綜合管廊多布設(shè)在城市道路之下，周邊建筑密布，管廊線路需要穿越交叉既有道路、建筑物及河道等，給管廊施工和設(shè)施安全帶來了很大挑戰(zhàn)[3-4]。在這種情況下，研究暗挖管廊施工過程中管廊對風(fēng)險(xiǎn)源的影響，分析其作用規(guī)律，進(jìn)而提出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施顯得迫切而且十分有意義[5]。

在研究管廊暗挖下穿河流或既有建筑物中，王國富等[6]在地鐵雙線盾構(gòu)隧道下穿既有市政管廊的情況下，分析了盾構(gòu)施工引起管廊變形的機(jī)理，結(jié)合管廊敏感性特點(diǎn)提出了盾構(gòu)穿越管廊的幾種工況及加固措施。胡平[7]及張志敏[8]分別結(jié)合不同的工程實(shí)例，對綜合管廊下穿城市河道的施工技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，通過采用河道截流導(dǎo)流、注漿加固、管線保護(hù)等一系列技術(shù)，可有效解決工程綜合管廊過河中面臨的難題和風(fēng)險(xiǎn)。程學(xué)武[9]以天津地下直徑線泥水平衡盾構(gòu)隧道下穿海河為工程背景，采用有限元軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，對河底加固前后盾構(gòu)隧道下穿海河引起的沉降進(jìn)行了數(shù)值分析，得出了河底采取注漿加固措施可以有效控制上覆土層沉降的結(jié)論。孫連勇等[10]以濟(jì)南軌道交通R3線一期工程某區(qū)間隧道為背景，采用Abaqus軟件建立數(shù)值模型模擬在不主動加固和加固兩種工況下，盾構(gòu)隧道近距離下穿膠濟(jì)鐵路線橋梁與路基引起的變形情況。郭瑞[11]依托成貴鐵路大方隧道下穿杭瑞高速工程建立了三維有限元模型，對隧道下穿松散高填土路堤的沉降規(guī)律及其影響范圍進(jìn)行研究。

本文以某綜合管廊暗挖下穿某河道項(xiàng)目為依托，通過MIDAS GTS有限元軟件建立模型，進(jìn)行數(shù)值模擬分析管廊暗挖對下穿河底沉降的影響，并結(jié)合在實(shí)際開挖過程中河底沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定數(shù)值模擬分析的可靠性。

1 工程概況

某地下綜合管廊工程位于北京市南部，該管廊中下穿某河道段為暗挖段。管廊暗挖斷面設(shè)計(jì)為三艙，左側(cè)洞電力艙凈寬2.50m，中洞水信艙凈寬3.50m，右側(cè)洞高壓電力艙凈寬2.00m，主體結(jié)構(gòu)外輪廓尺寸11.30m×5.30m。下穿某河道管廊暗挖段總長60m，管廊拱頂距河道底面約6.60m，管廊開挖位置主要為砂土及黏土。該河道上口寬為54m、下口寬為30m，正常情況下有0.50m常流水位，如圖1所示。

圖1 下穿某河道管廊暗挖段平面位置及截面圖

在實(shí)際工程中，該下穿某河道管廊暗挖段設(shè)計(jì)采用了中洞法進(jìn)行施工(圖2)，即先進(jìn)行中洞開挖，再同時(shí)進(jìn)行兩側(cè)洞開挖。①進(jìn)行中洞深孔注漿加固地層，一次不少于10m，每次縱向深孔注漿之間搭接2m；②上下臺階法開挖中間導(dǎo)洞斷面土體，并預(yù)留核心土，架立鋼格柵，采用鎖腳錨桿加固墻腳，掛網(wǎng)噴射初支混凝土，上下臺階錯開不少于4m；③中洞全斷面成洞10m后，施做左右側(cè)洞深孔注漿加固，一次不少于10m，每次縱向深孔注漿之間搭接2m；④上下臺階法同時(shí)開挖左、右側(cè)洞斷面土體，并預(yù)留核心土，架立鋼格柵，采用鎖腳錨桿加固墻腳，掛網(wǎng)噴射初支混凝土，上下臺階錯開不少于4m。

圖2 下穿某河道管廊暗挖段中洞法主要施工工序

2 數(shù)值模型建立

為了研究下穿某河道管廊暗挖段開挖后暗挖管廊對河底沉降的影響，討論暗挖管廊中洞及兩側(cè)洞開挖面均通過某一預(yù)先設(shè)置的沉降監(jiān)測線后該沉降監(jiān)測線的沉降變化，通過MIDAS GTS有限元軟件對下穿某河道管廊暗挖段進(jìn)行數(shù)值分析，并對比實(shí)際監(jiān)測值，分析數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測值是否一致。

由于管廊二襯施工與初次支護(hù)時(shí)間間隔較長，因此模擬中均不考慮二次襯砌在支護(hù)中的作用。由勘察資料可知，該工程地下水位位于勘查最大深度外，因此也無須考慮地下水的影響。

通過前期的模擬分析[12]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)管廊暗挖開挖面距離某一設(shè)置的沉降監(jiān)測線10m時(shí)，隨著管廊暗挖開挖面向設(shè)置的沉降監(jiān)測線推進(jìn)，開挖對沉降監(jiān)測線的影響開始逐步增大；管廊暗挖開挖面通過設(shè)置的沉降監(jiān)測線后，距設(shè)置的沉降監(jiān)測線超過10m時(shí)，對沉降監(jiān)測線的影響可以忽略不計(jì)。因此，為了提高計(jì)算效率，截取下穿某河道管廊暗挖段部分長度進(jìn)行分析。三維有限元模型尺寸為：長為100m，寬為20m，高為29m。該尺寸可保證模型的邊界效應(yīng)足夠小，如圖3所示。三維有限元模型中的地層自上而下依次簡化為等厚的成層土，同一土層中的土體假定為均勻、連續(xù)及各向同性，土層厚度依據(jù)場地內(nèi)各土層埋深的變異性、飽和性及起伏性綜合考慮確定，共5層，具體參數(shù)取值見表1。

圖3 下穿某河道管廊暗挖段數(shù)值模擬模型

表1 下穿某河道管廊暗挖段數(shù)值模型物理力學(xué)參數(shù)

土體采用修正摩爾—庫倫模型。管廊初支結(jié)構(gòu)為彈性體模型，通過在開挖土體表面設(shè)置的板殼單元進(jìn)行模擬。計(jì)算模型上表面為對應(yīng)河道水位的水壓力約束，底部為固定位移約束，各側(cè)面均為對應(yīng)方向的位移約束。

在模擬過程中，通過網(wǎng)格的激活與鈍化來模擬實(shí)際動態(tài)的施工過程：管廊土體的鈍化模擬管廊開挖，板單元的激活模擬初期支護(hù)的建立，管廊上部土體的屬性改變模擬深孔注漿。開挖每次進(jìn)尺0.5m，由于開挖后立即進(jìn)行噴錨支護(hù)，因此開挖步驟設(shè)置應(yīng)力釋放30%，初次支護(hù)步驟設(shè)置應(yīng)力釋放70%。

3 河底沉降監(jiān)測線

下穿某河道管廊暗挖段數(shù)值模型中，在管廊拱頂相距6.60m位置設(shè)置以暗挖管廊整體的中心線為中線的河底沉降監(jiān)測線(圖4)，用于記錄模擬開挖通過該河底沉降監(jiān)測線時(shí)河底的沉降量；在現(xiàn)場對應(yīng)河底設(shè)置沉降監(jiān)測線，用于記錄現(xiàn)場開挖面通過沉降監(jiān)測線后沉降監(jiān)測線的沉降量圖1及圖4。現(xiàn)場布置河底沉降監(jiān)測線時(shí)，應(yīng)確保河底沉降監(jiān)測線布置在可靠的土體上，不能布置在河底淤泥層中，影響監(jiān)測結(jié)果。數(shù)值模擬及現(xiàn)場布置的沉降監(jiān)測線總長均為60m。

圖4 河底沉降監(jiān)測線布置

4 對比分析

將數(shù)值模擬計(jì)算得出的河底沉降監(jiān)測線和實(shí)際施工中監(jiān)測得到的河底沉降監(jiān)測線組合繪制如圖5，顯示在數(shù)值模擬及實(shí)際開挖中，暗挖管廊中洞及兩側(cè)洞開挖面均通過河底沉降監(jiān)測線后，河底沉降監(jiān)測線變化趨于穩(wěn)定時(shí)的情況。

由圖5可以看出，在數(shù)值模擬和實(shí)際開挖中，管廊上覆土層豎向位移沿橫向近似呈正態(tài)分布，沉降最大值出現(xiàn)在暗挖管廊段中心線，兩邊減小并逐漸趨于平緩。數(shù)值模擬河底沉降監(jiān)測線最大沉降值為4.12mm，小于實(shí)際開挖中最大沉降值5.23mm；數(shù)值模擬河底沉降監(jiān)測線左側(cè)邊緣沉降值為0.35mm，小于實(shí)際開挖河底沉降監(jiān)測線左側(cè)邊緣沉降值0.52mm，但是數(shù)值模擬河底沉降曲線右側(cè)邊緣沉降值與實(shí)際開挖河底沉降監(jiān)測線右側(cè)邊緣沉降值基本一致(0.44mm)。

圖5 數(shù)值模擬和實(shí)際開挖河底沉降監(jiān)測線對比

在實(shí)際開挖河底沉降監(jiān)測線中，由于管廊左右兩側(cè)洞大小不同，左側(cè)洞截面寬度2.5m大于右側(cè)洞截面寬度2.0m，相對應(yīng)地左側(cè)洞對應(yīng)上方河底沉降值略大于右側(cè)洞，這是由于開挖截面越大，土體受到的擾動范圍越大，容易引起更大的沉降。實(shí)際開挖河底沉降監(jiān)測線的這一特征在數(shù)值模擬河底沉降監(jiān)測線上體現(xiàn)不明顯，數(shù)值模擬河底沉降監(jiān)測線兩邊沉降值基本一致，這是由于左右側(cè)洞大小差異在數(shù)值模擬中對計(jì)算結(jié)果影響不大。

受管廊開挖的影響，周圍土體的應(yīng)力重新分布，當(dāng)受擾動后的土體二次應(yīng)力超過其抗壓、抗剪強(qiáng)度極限值時(shí)，土體將進(jìn)入塑性狀態(tài)，形成較為危險(xiǎn)的塑性區(qū)，圖6。塑性區(qū)分布結(jié)果表明，開挖過程中土體基本無應(yīng)力集中現(xiàn)象，管廊初襯和深孔注漿形成的支護(hù)阻力有效地控制了土體變形，抑制了塑性區(qū)的發(fā)展，塑性區(qū)形成于工作面周邊5～10 m 的范圍內(nèi)，主要位于管廊上方地層，對河底整體的擾動影響較小。

圖6 下穿某河道管廊暗挖段數(shù)值模型塑性分析

5 結(jié)論

根據(jù)以上分析，可以得出以下結(jié)論：數(shù)值模擬中河底沉降監(jiān)測線的最大沉降值小于實(shí)際河底沉降監(jiān)測線的最大沉降值。實(shí)際開挖過程中，開挖截面越大，產(chǎn)生的沉降越大，由于管廊截面左右兩側(cè)洞左大右小的形態(tài)，導(dǎo)致地表沉降也相應(yīng)呈現(xiàn)左邊沉降大、右邊沉降小，在施工過程中應(yīng)注意左右沉降不均造成的差異沉降，有可能導(dǎo)致河底坍塌、突涌、道路開裂，這一特征在數(shù)值模擬分析中并不明顯。開挖造成的塑性區(qū)產(chǎn)生于工作面外圍5～10m范圍內(nèi)，整體上對地表、河底的擾動較小。