某高烈度区、严重液化场地综合管廊结构方案设计∗

陈军 李朝龙 刘勇 曾磊

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司 200092)

1 工程概况

某建设工程位于云南省某市市区，为既有城区道路改造项目，共包含两条综合管廊，总长度约2.5km，含区域控制中心一座。两条综合管廊在端部形成三向接口的交叉口与规划综合管廊相接。根据城市管线专项规划及综合管廊规划，并结合各管线单位近远期需求，纳入30 孔通信、28 回 10kV 电力、DN400 给水管一根、DN400 中水管一根、DN300 燃气管两根，根据规范及使用要求形成两舱标准横断面，如图1所示。雨污水管线采用直埋敷设，不纳入综合管廊。

图1 综合管廊标准断面Fig.1 Standard cross section of the utility tunnel

既有道路总宽度52.5m，综合管廊置于西南侧人行道及绿化带下。3.0m 宽的绿化带用于综合管廊通风口、投料口等口部引出。绿化带外侧距既有建筑物约10m。既有建筑物多为五层以下框架或砖混结构居民自建建筑，基础形式为独立基础或条形基础。根据现场情况，施工期间应至少保证一侧道路正常通行。综合管廊在道路下位置见图2。

图2 综合管廊道路下位置Fig.2 Utility tunnel under the road

2 工程地质概况

2.1 抗震设防烈度及地震动参数

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010，2016年版)[1](以下简称抗规)、《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)[2]及地勘情况，该工程所在地区抗震设防烈度为8 度，设计地震分组为第三组，设计基本地震加速度0.30g，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期Tg＝0.65s。

2.2 区域地质构造

该地区区域构造以断裂构造为主，区域附近主要分布有：

F17 九村-路居断裂：为正断层，属全新世活动断裂，发震断裂，距拟建场地约10.80km；

F18 明星-二街断裂：为正断层，属全新世活动断裂，发震断裂，距拟建场地约7.10km；

F157 玉江断裂：为正断层，属晚更新世活动断裂，不发震断裂，距拟建场地约2.00km。

根据抗规第3.10.3 条规定，地震动参数应计入不小于1.25 的近场影响增大系数。

2.3 地基土及地下水

场地地基土分布较均匀，上层主要为①素填土层，呈松散～中密状，力学性质差，不宜作为基础持力层，平均厚度约 2.0m。其下主要为②-1粉质粘土层，力学性质较好，压缩模量Es1-2＝4.21MPa，内摩擦角φ＝1.2°，粘聚力c＝21kPa，地基承载力特征值fak＝100kPa，平均厚度约3.5m。最下层为③粉砂层，中密，压缩模量Es1-2＝8.0MPa，内摩擦角φ＝20°，粘聚力c＝6kPa，地基承载力特征值fak＝170kPa，桩基极限侧阻力标准值qsk＝60kPa，极限端阻力标准值qpk＝1100kPa，土层厚度至 50m 深度未钻透。该土层各钻孔液化指数IlE＝11.49～26.28，液化等级为中等～严重液化，综合判定场地地基液化等级为严重液化。因为上层土体的压密作用，根据抗规，20m 以下土层可均按不液化的稳定土层考虑。其典型钻孔JTZK73 的标准贯入锤击值见表1。

表1 土层标准贯入锤击值Tab.1 Standard penetration hammer value of soil layer

上述土层其间还少量分布有②-2泥炭质土、②-3圆砾等土层，因厚度及分布较小，不做表述。

场地稳定地下水位埋深为1.20m～1.70m，地下水对混凝土结构具有弱腐蚀性，对钢筋混凝土结构具有微腐蚀性。

3 地基基础与综合管廊结构方案设计

根据《城市综合管廊工程技术规范》(GB50838-2015)[3]，综合管廊结构设计使用年限应为100年且应按乙类建筑进行抗震设计。而抗规规定乙类建筑地基液化等级为严重时，应全部消除液化震陷，其措施主要有采用桩基础、基础深埋、地基处理、换填等四类。根据该工程实际情况，因液化土层较厚，基础深埋至稳定土层与换填全部液化土层均具有不可操作性与不经济性，故本工程可供选择的方案仅有桩基础方案与地基处理方案。

3.1 桩基础方案设计

1.设计方案

方案在综合管廊标准段非变形缝位置按上下部结构整浇设计，以增加结构整体性及纵向刚度。在变形缝位置按上下部结构脱开设计以方便设置变形缝，变形缝处桩基布置见图3。平面上约5m 左右布置一排钻孔灌注桩，每排三根，基桩位于承台中心线与综合管廊竖墙中心线交点位置，桩径初选φ600，桩长按计算确定并满足规范对全部消除液化震陷时桩端伸入液化土层以下稳定土层的深度要求。承台梁初选 600mm×1000mm，变形缝位置的承台两侧设置上翻挡板以防止地震时综合管廊横向滑移。

图3 管廊标准段变形缝处桩基布置Fig.3 Pile foundation profile at deformation joint

综合管廊每道竖墙下沿纵向设置400mm×600mm 钢筋混凝土梁，变形缝位置管廊梁简支于承台上(梁在承台范围内进行横向整浇，以增大受压接触面积，保证承台不出现局部受压，同时方便施工)，承台与管廊结构不做整体浇筑；其他承台处管廊梁与承台均整体浇筑。此时，综合管廊底板厚度可进行优化，方案阶段按400mm考虑。综合管廊纵向按不大于30m 间距设置变形缝，变形缝设置于承台中心线处，缝宽30mm，缝间通长设置带钢边止水带。

施工时，基坑开挖至承台底以下不小于1m，并采用中粗砂回填至管廊底板，待结构施工完成后，采用压实性较好的素土回填至设计路面并分层夯实。

在综合管廊引出口、通风口、交叉口等特殊节点，因管廊外扩后尺寸不规则，考虑采用桩筏基础，筏板厚度及桩长均按计算确定，同一般建(构)筑物，本次不做详述。

2.结构设计

该工程处于高烈度区与严重液化场地，不同于一般情况下的综合管廊结构。桩基竖向及水平承载力、上部管廊结构承载力可能均由地震工况控制；同时在地震可能存在的液化土层被掏空时，桩身还存在压屈可能，方案设计阶段均应做相应初步计算。计算时，管廊及桩基均采用C30混凝土，容重取25kN/m3，土平均容重取18kN/m3，地面车辆及行人荷载取20kPa，管廊内活荷载取4kPa，抗浮设计水位按-0.50m 计，基床系数Kh＝30MPa/m、Kv＝35MPa/m，地基土水平抗力系数的比例系数m＝30MN/m4。混凝土裂缝控制等级按三级，裂缝宽度限值为ωlim＝0.20mm。考虑综合管廊结构重要性、设计使用年限及地质复杂情况，管廊结构、桩基础重要性系数均取γ0＝1.1。

(1)桩基础计算

1)桩基竖向承载力计算

因地层土性、使用条件及桩数原因，桩基不考虑承台效应，基桩竖向承载力特征值取单桩竖向承载力特征值，桩基竖向承载力特征值取三单桩竖向承载力特征值之和。

非地震工况时，上部结构荷载标准组合引起的单桩最大轴力为Nk＝1616kN。根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)[4](以下简称桩规)第5.2.2 条、5.3.5 条及 5.4.3 条，反算的桩长为25.9m。根据标高关系换算，桩端伸入下部稳定土层14.5m，满足规范要求(其中，抗规要求不应小于0.8m，桩规要求不应小于2d～3d)。

地震工况时，经换填后的桩承台底面上、下非液化土层满足抗规4.4.3 条要求，单桩竖向承载力特征值按以下两者中的不利情况取用。

①桩承受全部地震作用。桩承载力特征值比非抗震时提高25%，但液化土的桩周摩阻力需乘以液化影响折减系数。

桩的地震作用效应应按管廊-承台-桩协同工作模型，并考虑土的弹性抗力作用，采用反应位移法或时程分析法计算。方案设计阶段，按下列简化模型进行估算：由于管廊结构与桩基脱开设计，地震液化时，桩基类似于竖向杆件，管廊及其上覆土类似于附着其上的单质点结构，水平地震作用按底部剪力法进行估算，且水平地震影响系数α1取最大值αmax；管廊大跨度简支，竖向地震作用参照抗规大跨度结构按重力荷载代表值的15%估算，并均考虑近场影响增大系数1.25，施工图阶段进行复核计算。

同时考虑水平及竖向地震作用时，地震作用标准组合的组合值系数规范中未作出相关规定，参照YJK 软件用户手册[5]及抗规5.4.1 条条文说明按0.40 取用。

可得地震工况时，地震作用标准组合下单桩的最大轴力为NEk＝1739kN。

不同深度的实测标贯锤击数与临界标贯锤击数的比值λN＝Ni/Ncr见表1，液化影响折减系数φl见表2。

表2 土层液化影响折减系数Tab.2 Reduction coefficient of the liquefied soil

由此反算的桩长为26.2m。

② 水平地震作用按αmax的10%取用，竖向地震作用影响系数按水平地震作用影响系数的65%取用。桩承载力特征值比非抗震时提高25%，但扣除液化土层的全部摩阻力。由此计算的标准组合下单桩的最大轴力为NEk＝1495kN，并反算桩长为29.8m。

综上可得，桩基竖向承载力由地震工况控制，初算桩长取30m。经换算，桩端伸入下部稳定土层18.6m，满足规范要求。初配钢筋20，配筋率ρ＝0.67%。

2)桩基水平承载力计算

因桩数、承台侧面土水平抗力、承台底面土的摩擦力不满足规范要求，桩基水平承载力不考虑群桩效应，取三单桩水平承载力之和。非抗震时的单桩水平承载力按式(1)、式(2)计算[4]，得Rh＝520.5kN。

式中：υx为因管廊纵向支承作用，桩基纵向水平承载力不做计算。桩基横向水平承载力计算时，按桩规表5.7.2 桩顶固接取值；χ0a为桩顶水平位移允许值，取10mm，在管廊变形缝容许变形范围之内，可满足使用要求。

非地震工况时，因结构无风荷载等水平荷载作用，故桩基基本不存在水平力，不做计算。地震工况时，同竖向承载力计算，地震作用按简化模型计算，桩基水平承载力按抗规4.4.3 条中两者中的不利情况取用。

①地震作用标准组合下的单桩最大水平力HEk＝435.2kN。此时，考虑液化影响折减系数的单桩水平承载力与单桩竖向承载力等比例折减[1]，即：

式中：Ra、Rh为未考虑液化影响折减系数的单桩竖向、水平承载力特征值；、为考虑液化影响折减系数后的单桩竖向、水平承载力特征值。

按 30m 桩长计算可得＝452.7kN，考虑抗震承载力比非抗震时提高 25%，R＝1.25×＝565.9kN ＞HEk＝435.2kN，满足要求。

②按αmax的10%计算的地震标准组合下单桩最大水平力HEk＝43.5kN。此时，单桩水平承载力计算同式(3)，但为不计液化土层全部摩阻力的单桩竖向、水平承载力特征值。可得＝339.2kN，考虑抗震承载力比非抗震时提高25% ，满足要求。

3)桩身压屈验算

桩身压屈按式(4)、式(5)计算[4]：

式中：φ为桩的计算长度lc与桩径d之比按桩规表5.8.4-2 计算的桩身稳定系数。桩的计算长度lc应考虑液化影响折减系数按桩顶铰接计算。

荷载效应的基本组合下的桩顶轴力按式(6)计算[6]：

其中，分项系数γG、γQ按 2018 版的可靠性规范[6]取用。

地震作用效应及其他荷载效应的抗震基本组合按抗规式5.4.1 进行计算。可得两种工况下，桩顶轴力分别为N＝2383.2kN、NE＝2344kN。经计算，桩身压屈验算满足要求。

4)桩基沉降计算

根据桩规，该工程地基基础设计等级可确定为乙级。结构体型较简单，荷载分布较均匀且桩端平面以下不存在软弱土层。可不进行桩基沉降计算。

5)承台计算

因综合管廊简支，承台可按均布荷载下的连续梁进行计算，并按深梁进行复核。经试算，承台梁满足要求。

综上，桩基结构承载力由抗震工况下的竖向承载力控制，桩长按30m 计。

(2)综合管廊结构计算

1)抗浮验算

综合管廊标准段应分别进行整体、局部抗浮验算，不计入全部活荷载和侧壁摩阻力的情况下，结构抗浮安全系数Kf≥1.05。综合管廊特殊节点采用桩筏基础时，抗浮可不做验算。

2)正常使用极限状况与持久设计状况

综合管廊标准段在两种设计状况下横向均可采用二维闭合框架的简化模型进行计算，并按三维模型复核支座及跨中处的管廊纵向裂缝及承载力，同时按深梁对管廊底纵向梁进行复核。综合管廊特殊节点应采用桩-结构-土的三维有限元模型对两种设计状况进行计算。

3)地震设计状况

根据《地下结构抗震设计标准》(GB/T51336-2018)[7](以下简称地抗规)，综合管廊标准段横向抗震计算应采用二维模型的反应位移法Ⅰ、纵向抗震计算应采用二维模型的反应位移法Ⅲ；特殊节点应采用三维模型的弹塑性时程分析法进行计算。地震作用计入近场影响系数，且应分别满足多遇地震动下性能目标Ⅰ、基本地震动下性能目标Ⅱ、罕遇地震动下性能目标Ⅲ的设防水准。

采用 Autodesk Robot Structural Analysis 与Midas Gen软件对上述工况分别进行了初步计算分析，结果表明：管廊结构布置合理，壁厚初选合适，结构由地震设计工况控制。

(3)抗震措施

为保证地震时，管廊结构与桩基的稳定性与可靠性，本工程应采取下列抗震措施。

1)桩基础抗震措施

①桩端应伸入液化土层下稳定土层长度不小于3d即1.8m；

②桩顶至液化土层底以下3d且不小于4.0/α范围内的纵向钢筋配置应同桩顶，且此范围内应采用螺旋箍筋并全高加密，间距不大于100mm。其下范围的纵向钢筋可适当减小但不应突变且不小于桩顶的1/2，箍筋间距可适当加大但不大于200mm；

③ 承台底上、下各1.5m、1.0m 范围内换填的非液化土层应严格夯实，以利于桩基抵抗水平地震作用。其余范围内非液化土层回填压实系数不应小于0.94。

2)综合管廊抗震措施

根据抗规及《建筑工程抗震设防分类标准》(GB50223-2008)[8]，8 度 0.30g、Ⅲ类场地下的乙类建筑抗震措施应双重提高，应按比9 度更高要求采取抗震措施。根据抗规及地抗规，综合考虑综合管廊抗震等级为二级，结构抗震措施同抗震等级为二级的地面结构并满足抗规14.3 节要求。

3.2 地基处理方案设计

1.设计方案

方案考虑在综合管廊标准段与特殊节点均采用沉管砂石桩进行加密液化土层处理，处理深度至液化深度下界，并伸入稳定土层不小于1 倍桩径。处理宽度应满足抗规4.3.7 条第5 款的要求，如图4所示。处理后的桩间土标准贯入锤击数Ni不应小于标准贯入锤击数临界值Ncr。为减少土方开挖量及回填量，同时考虑处理边界外侧距既有建筑物较近，为减小施工扰动，管廊基坑外侧处理范围内处理深度至地面算起，基坑范围内处理深度至管廊底算起。施工完成后，基坑内回填非液化土层。

图4 地基处理方案示意Fig.4 Sketch map of the ground treatment

根据标高关系，此时基坑内处理深度H＝12.55m，沉管砂石桩长约13m；基坑外处理深度为20m，桩长约20.5m。故综合管廊标准段及特殊节点宽出每侧的处理宽度A≥max{H/2，B/5}＝6.275m(B为标准段或特殊节点的宽度)。标准段处理总宽度应不小于18.55m，特殊节点处理总宽度根据节点宽度情况确定。沉管砂石桩径初选φ400，间距s＝1.5m，梅花形布置。

2.结构设计

(1)沉管砂石桩计算

处理后的桩间土标准贯入锤击数Ni应通过实验确定。但现阶段规范未提供相应估算方法，相关文献亦未见类似工程经验。方案设计阶段，参照抗规式4.4.3 的打入式预制桩(挤土桩)计算方法进行估算，并在施工图设计前选取典型场地进行实验实测，为施工图设计提供计算依据。

(2)综合管廊结构计算

标准段横向计算同桩基础方案中的管廊结构计算；纵向可采用构造配筋，不做计算。特殊节点应采用结构-土的三维有限元模型进行计算。

(3)抗震措施

同桩基础设计方案中的综合管廊结构抗震措施。

4 设计方案比选

4.1 方案适用性

对两方案技术适用性对比见表3。

结合本工程实际情况，桩基础方案在技术上相对较优，符合本工程实际情况。

4.2 工程经济性

以一个标准段变形缝之间的距离30m 为参考，根据工程造价信息，两种方案主要的结构成本(不含防水、机电安装等附属成本)分别见表4、表5。

表4 桩基础方案结构成本(30m 标准段)Tab.4 Structure cost of pile foundation scheme

其中，基坑围护采用 SMW 工法桩，初选φ850@600，桩长 19m，H700×300×13×20 型钢插二跳一；φ609，t＝16mm 钢支撑两道，第一道间距6m，第二道间距3m。基坑宽度按8.5m，基坑深度9.0m(变形缝位置9.6m)。

表5 地基处理方案结构成本(30m 标准段)Tab.5 Structure cost of ground treatment scheme

其中，基坑围护采用 SMW 工法桩，初选φ650@450，桩长 15m，H500×300×11×15 型钢插二跳一；φ609，t＝16mm 钢支撑两道，两道间距均为6m。基坑宽度按8.0m，深度7.6m。

综上对比可知，两方案管廊标准段主要结构成本相差不大，但桩基础方案相对较低(较地基处理方案低约6.4%)，方案更优。主要原因在于地基处理方案需沉管砂石桩处理的范围较大且单价较高。

(1)处理严重液化带来工程结构成本剧增59%。如果本工程场地无液化可能，则地基处理方案扣除地基处理费用即为无液化场地的结构成本。对比桩基础方案，处理液化措施主要引起：①桩基及承台成本增加430890 元/30m；②基坑围护增加158758 元/30m；③基坑开挖及回填增加120930 元/30m；④综合管廊结构减小19900 元/30m。由此可见，严重液化对本工程影响巨大。

(2)烈度高低对本工程结构成本影响较小。根据以往设计经验，在6 度的低烈度区，此标准横断面的结构壁厚可以优化为350mm，与本工程的壁厚400mm、450mm 相比，对混凝土及钢筋成本、基坑及回填成本影响较小。其余如抗震等级影响钢筋锚固长度等引起的成本增加更小。

5 结论

1.综合管廊应按乙类建筑进行抗震设计，严重液化场地下应采取措施全部消除液化震陷。结合工程实际情况，提出了采用桩基础和地基处理的工程方案。

2.对桩基应进行非抗震与抗震工况下的竖向、水平承载力及桩身压屈计算，对承台进行了承载力初步计算。结果表明，高烈度区、严重液化场地下的管廊桩基础由抗震工况下的竖向承载力控制。

3.对综合管廊结构进行了各设计工况下的初步计算。分析表明，高烈度区的综合管廊结构由地震工况控制，不再由正常使用极限状态下的裂缝控制。

4.采用地基处理消除液化震陷时设计参数应结合现场试验综合确定。

5.对桩基础方案和地基处理方案进行了适用性与经济性比选，结果表明，桩基础方案具有更好的适用性与经济性。

6.处理严重液化场地可能引起综合管廊工程成本的剧增，对结构方案及造价影响巨大。而烈度高低对综合管廊的结构及造价影响较小。

7.在严重液化场地进行管廊建设时，在地基基础或地基处理方面投入较大，应慎重规划、科学选型、综合比对、理性建设。