综合管廊复杂节点结构不均匀沉降剖析

张立明，浦春林，颜 亮，李春宝

（1.中亿丰建设集团股份有限公司，江苏 苏州 215131；2.苏州城市地下综合管廊开发有限公司，江苏 苏州 215006）

0 引言

综合管廊的布置一般都建于城市地下，用于容纳两类及以上市政工程管线的构筑物，属于城市建设的附属设施。这样的设置可以减小对于地下土地应用空间的需求，在水、电、暖、热力、通信等多方面建设中发挥作用。但是城市综合管廊要与支线管廊交叉，同时，还要设置配控站、通风口、人员出入口，造成许多特殊节点构造复杂。如何通过计算并进行结构设计，使得结构安全可靠，是每一位设计师急需掌握的关键点。

苏州市城北路综合管廊是苏州市成为试点城市后第1条开始规划建设的综合管廊，管廊内同时纳入高低压电缆、通信电缆、给水管线、中水管线、蒸汽管线、燃气管线，建设规模大，建设难度高，开创了国内高压电缆、燃气管线、蒸汽管线同时入廊的先例。苏州市城北路综合管廊标准横断面如图1所示，管廊宽9.7 m，高4.8 m，覆土厚度2.5～15 m。

图1 城北路管廊足尺模型

1 节点类型

在综合管廊的设计中，节点类型有很多种，比如综合管廊的吊装口、进排风口、人员进出口、综合管廊之间十字形交叉节点（如图2所示）、丁字形交叉节点（如图3所示）、监控中心的连接通道（如图4所示）等等。在具体设计中，本文按照工程需要，着重分析综合管廊与监控中心的连接管廊、综合管廊交叉节点这几种复杂结构类型。

图2 上林路交叉口有限元模型（十字交叉）

图3 金湾街交叉口有限元模型（丁字交叉）

1.1 计算模式

根据综合管廊的结构特点，在进行结构设计时，按照板单元有限元计算理论，对构件进行综合分析。

图4 城北路综合管廊控制中心有限元模型

（1）边界条件按弹性地基梁进行处理，土基系数按照10 000～15 000 kN/m3取用。

（2）上部覆土压力按土的重量进行施加。土的竖向压力qv为：

式中：γ为土的密度，按照实际水位取土的浮容重或容重；h为覆土厚度。

（3）管廊土侧压力按照静止力进行计算。土侧水平压力qh和水的侧向压力q＇h为：

式中：K0=0.50；ρ为水的密度，取 10 kN/m3。

（4）汽车荷载按《给水排水工程管道结构设计规范》[1]的规定计算，并可按《给水排水工程结构设计手册》[2]取值，汽车荷载可根据覆土厚度折算成等代土荷载施加在结构上。

1.2 综合管廊监控中心

苏州市城北路综合管廊监控中心主体结构位于西塘河下，主管廊顶覆土9 m，通道顶覆土大于14 m，通道为折线L型布置，其有限元计算模型如图4所示。

按照有限元板单元计算综合分析，在正常使用极限状态下，管廊将发生不均匀沉降，其中管廊主体沉降为2.8 cm（见图5），而L型通道沉降7.2 cm（见图 6）。

图5 控制中心最大沉降2.8 cm（为整体沉降）

由于L型通道上覆土厚度大于14 m，而主管廊顶覆土厚度为9 m，L型通道和主管廊结构刚度差异巨大，若L型通道与主管廊连接在一起，会造成L型通道与主管廊交点处结构扭曲，内力畸变，结构开裂。为解决这一问题，设计者在L型通道处设置特殊变形缝，将L型通道与管廊主体断开，使得各自受力明确、变形协调，同时采用新型变形缝解决了防水问题。

由图5、图6可知，对于控制中心侧，主体结构和通道在变形缝处的沉降差为36-31=5 mm。参照《建筑地基基础设计规范》[3]对承重结构基础的局部倾斜规定，管廊不均匀沉降应控制在0.002°，即应小于跨度的1/500。沉降差5 mm小于跨度6.8 m的1/500，即13.6 mm。对于出口侧，其沉降差为72-36=36 mm，小于跨度24 m的1/500，即48 mm。

图7 沉降变形缝设置位置图（单位：mm）

图8 沉降变形缝构造处理图（单位：mm）

由于变形缝位置有不连续的3 mm沉降，将变形缝做特殊处理[4]，其处理图示如图7及图8所示。

对地下管廊结构的差异沉降可采取以下设计措施及构造措施：

（1）建筑物的体型力求简单（减少L形、T形、山形等）。

（2）增强结构的整体刚度，控制建筑的长高比，合理布置横纵墙加强整体刚度。

（3）设置沉降缝。

（4）调整设计高程，避免覆土过大及过小情况。

（5）管廊设置圈梁增以强整体刚度。

（6）选用合适的断面形式，如采用截面渐变来避免刚度巨变。

（7）减轻管廊顶板上建筑物高度，尽量使得管廊顶板所受压力均衡。

（8）调整基底设计压力，改变基础底面覆土的抗力。

（9）减少覆土厚度差异，可在管廊顶建筑物内进行填土。

2 综合管廊交叉节点

如果将综合管廊设计成环网状，则可以发挥其最大的功能。因此，这种情况下的综合管廊有2种节点类型，即十字形和丁字形。交叉节点设计的时候必须考虑内部管线衔接和人员通行这2个问题。要解决上述2个问题，最常见也最有效的方式就是加宽、加高节点，还可以通过增加楼梯，设置夹层的方式解决，确保内部管线顺利衔接和人员通道满足要求。

由于交叉节点的构造复杂性，必须通过有限元模型进行整体分析，任何体系简化所做的推算都有可能带来很大的误差。

对桐泾路北延线支管廊交叉节点（侧壁双向配筋）、虎金路交叉口（侧壁设置扶壁梁）、金湾街交叉口主支管廊沉降差6 mm（断开结构）所建立的有限元模型见图9～图11。

图9 桐泾路北延线支管廊交叉节点有限元模型（侧壁双向配筋）

通过分析上述复杂节点的有限元模型，总结出以下设计经验：

（1）复杂节点的内力为空间内力体系，其控制内力不再是传统框架结构的My或Mx单一方向，结构的配筋有可能是双向配筋。如图9所示的支线管廊侧壁，其控制内力为双向，配筋计算时要配置双向主筋。

图10 虎金路交叉口有限元模型（侧壁设置扶壁梁）

图11 金湾街交叉口主支管廊沉降差6 mm（断开结构）

（2）复杂节点由于结构外形及荷载条件突变，其迎土面侧壁很容易发生不规则畸变，需配置扶壁梁或者暗梁来增加侧壁刚度，减少变形。如图10所示，需要在交叉处支管廊侧壁增加扶壁梁以增加刚度、减少畸变。

（3）复杂节点的基底变形常常是不均匀的，要通过基底加固措施或改变主体管廊构造措施减少不均匀沉降。如图11所示，通过将主管廊和支管廊进行断开处理，可减少因基底的不均匀沉降而产生的结构开裂。

（4）对于结构强度变化较大的交线可通过设置加腋进行强度过渡。

（5）支管廊与主管廊衔接处宜设置变形缝，使得结构受力明确，避免因不均匀沉降带来的结构开裂。

2.1 配控站节点沉降分析（弹性分析）

综合管廊的通风口、投料口以及配控站节点均为较复杂的空间结构，必须通过详细计算进行结构设计，优化构造使其受力合理，沉降协调。

以图12所示的独立电力排风口为例，该结构主管廊顶覆土11 m，电力配控站顶覆土7 m；电力配控站为五边形异形结构，因为电力仓上覆土与水信仓、燃气热力仓上的覆土有4 m差异，造成管廊内力分布不均。

若地基不经过特殊处理，独立电力排风口基础会产生不均匀沉降，如图13所示。若管廊下地基基础不进行任何处理，则电力仓下变形为10 mm，燃气仓下变形为42 mm，这种差异变形会导致结构侧倾，因此必须对下部地基进行阶差性地基处理，即对沉降较大的水信仓和燃气仓基底进行地基硬化处理，使得燃气仓和水信仓地基基底承载力比电力仓基底应力大20%以上。如图14所示，改变阶差性的土基应力后，可保证基础不均匀沉降控制在《建筑地基基础设计规范》[3]允许范围之内。

图12 K3+880独立电力排风口有限元模型

图13 地基处理前位移图（管廊产生不均匀沉降）

图14 地基处理后不均匀变形

对地基处理的方法如下：燃气、水信仓底土质需采取地基处理措施，使地基承载力不小于225 kPa，电力仓及外挂需保证地基承载力不小于140 kPa。

2.2 配控站节点沉降验证（非线性分析）

为了进一步验证对避免基底不均匀沉降而进行的差异化地基处理手段的有效性，本次验证以图12所示的城北路管廊K3+880独立电力排风口基底进行有限元非线性分析。采用Midas GTS NX软件建模，用非线性方法进行修正摩尔库伦理论分析，针对原土地基与部分换填地基2种情况作沉降对比分析。

管廊基底原位土为粉质黏土，其土层参数如表1所示。

对电力仓基底采用50 cm厚度的C20素混凝土进行局部换填，换填图示见图15。

图15 基底处理图示（单位：m）

若不对基底进行任何处理，基底会产生不均匀沉降，基底范围内电力仓沉降4 cm，水信仓和燃气仓基底最大沉降6.4 cm，管廊下土体变形呈V型，变形结果见图16，导致管廊有差异沉降的风险。

图16 换填处理前基底沉降图

表1 管廊基底底土物理学参数

参照《建筑地基基础设计规范》[3]对框架结构的不均匀沉降要求，主管廊横向不均匀沉降应控制在0.002 L（L为相邻柱基的中心距），未处理土体时，计算不均匀沉降值为64-41=23 mm，大于18 mm，不满足上述规范要求。

换填处理后，地基沉降最大值由64 mm减小至58 mm，且基底沉降更趋于平均，应力扩散深度为3.97 m，沉降结果模型见图17。管廊下土体变形呈U型，管廊整体均匀沉降。

图17 换填处理后基底沉降图

参照《建筑地基基础设计规范》[3]对于框架结构的不均匀沉降要求，主管廊横向不均匀沉降应控制在0.002 L，对管廊水信仓和燃气仓基底进行处理后，计算不均匀沉降值为58-50=8 mm，小于18 mm，满足上述规范要求。

需要说明的是，对于土体分别采用弹性分析和非线性分析，沉降结果有一定差异，但是变化规律是一致的，即通过差异化处理地基土可改变结构的差异化沉降。

3 结 语

在苏州市城北路（金政街-齐门外大街）综合管廊工程一标段（主管廊）设计中，对计算模型进行精细化分析，设计出合理的管廊结构，以满足结构的变形、内力等一系列规范要求。对于交叉口节点、配控站、通风口、投料口等复杂结构，由于构造外形的特殊性，结构受力比较复杂，覆土不均和结构异形造成了管廊沉降不均，管廊有侧倾、开裂的趋势，设计采用了构造措施和设计措施，减少了管廊结构基础的不均匀沉降。

在地下管廊的设计中，设计人员一定要重视结构的优化改进措施，对计算模型进行精细化分析，避免因结构不均匀沉降以及构造措施不当带来的质量隐患。