管廊工程施工的沉降及变形信息化控制

文｜赵殿鹏 郝英君 阿比尔 何明涛（.浙江省交通工程管理中心；2.浙江省交通运输科学研究院；.重庆交通大学）

引言

城市综合管廊是将城市管线放置于混凝土箱体内，进行集中铺设、管理的一种现代化、集约化的城市基础设施[1]。随着城市建设的高速发展，使得城市建设用地紧张，建设综合管廊不仅可以有缓解地上空效间的紧张状态，还可以增加地下空间的利用率。综合管廊的建设同时是一种经济措施，在管廊使用年限内，综合管廊较直埋管线总建设和围护成本降低11%，综合管廊较直埋管线总成本降低23%[2]。

随着我国地下综合管廊建设发展研究，主要针对以建成的管廊结构抗震性能、车辆荷载下的受力影响、不均匀沉降导致的结构缝漏水等方面。对管廊工程在施工过程中的土体位移和沉降控制方面的研究较少。管廊工程有跨度长、管节数量多的特点，对于大型管廊工程来说，其管节长、断面大会给管廊基坑带来较大的管廊荷载而引起周围土体的位移和管廊沉降，对施工安全和结构安全带来影响。借此本文采用有限差分软件FLAC3D 建立了管廊基坑开挖和管廊荷载施加的数值模型，模拟了管廊施工过程中的土体位移和沉降情况，对比了采用钻孔灌注桩进行地基处理下管廊的沉降情况，通过改变地基处理深度得到了设置钻孔灌注桩桩长与管廊结构沉降之间的关系。

1.工程概况

1.1 工程规模及结构尺寸

本文研究的工程背景为浙江某大型管廊工程，管廊有两个舱室，全长约为630m，其中单节管节长度约为25m。

1.2 围护结构及支撑

在K0+000～K0+050 段管廊基坑开挖深度为9.212m～10.811m，围护结构采用SMW 工法桩，桩径850mm，桩顶设置冠梁1200x800，设置一道混凝土支撑800×800@9000+ 一道钢支撑（φ609@3000）。

2.数值模拟

2.1 建立模型

图1 管廊三维模型

本文采用大型有限差分软件FLAC3D，建立了管廊三维模型（图1），对管廊工程施工进行数值模拟。模型水平范围134m，竖直范围56m，能满足边界条件对基坑变形无影响的要求。模型左右边界限制水平方向的位移，设置地表为自由边界，模型底部为固定边界。围护桩采用实体单元模拟，弹性模量为400MPa，围护桩与土体的接触采用接触面来模拟，考虑接触面的计算方法更能合理反映地下连续墙与两侧土体的相互作用的特征，计算得到的结果也与实测数据更加吻合[3]。冠梁和第一道混凝土支撑的弹性模量25GPa，第二道钢支撑的弹性模量160GPa。

2.2 本构模型

Mohr-Coulomb 模型是岩土工程中常用的本构模型，但该模型下土体加载和卸载采用的同一个模量参数，无法模拟土体卸载情况下的变形[4]。

相关学者通过大量试验发现土体的刚度与应变密切相关[5]。根据研究显示基坑开挖后的土体应变范围在0.01%～0.1%之间，土体小应变的变化范围[6]一般在0.001%～1%，可见基坑施工过程中土体的变形属于小应变状态，需要考虑土体的小应变特性才能反映基坑工程中土体位移的真实情况。本文的土体本构采用FLAC3D中的小应变塑形硬化模型（PH-Small），该模型可以考虑基坑土体的小应变状态，参考王卫东[7]对土体硬化模型参数的试验研究，本文中的切线模量、割线模量、黏土的加载模量、粉砂土的加载模量。土体参数参考地质勘探报告和以上的换算关系，如表1所示。围护结构和管廊结构用实体单元模拟，均采用弹性模型。

2.3 模拟内容

考虑到基坑开挖后支撑结构并不是直接加上，因此把基坑开挖与支撑施加分为两个独立的步骤。模型的开挖、支护与管廊结构的放置模拟共分成7 个步骤进行，整个过程的基本步骤如表2所示。

3.基坑开挖

表1 土体物理力学性质参数

表2 模拟工序步骤

根据计算模拟的内容，把模拟工序步骤分为两个部分，基坑开挖和管廊施工。首先是基坑开挖，基坑开挖深度为9m，一共分为三次开挖：第一次开挖深度为1.2m，第二次开挖深度为5.5m，第三次开挖深度为2.3m。随着基坑开挖的结束，基坑两侧墙后土体的位移较大。对围护结构变形、墙后地表沉降进行分析。

3.1 围护结构侧向位移

基坑开挖破坏了原有的围护结构与周围土体的平衡状态，在主动土压力的作用下，使墙后土体产生向基坑内部为位移。由于土体位移所产生在水平方向的分量，加剧了支护桩侧移，随着支护桩所受的主动土压力逐渐减小，最终达到平衡状态。

图2为模拟基坑分布开挖后围护结构水平位移值。第一次开挖1.2m 后，围护结构的侧移量微小。支撑并对基坑进行第二次开挖，开挖深度为5.5m 后，可以看出，围护结构在受到顶部支撑的作用下表现为内凸型。围护桩的桩顶位移量为1.3mm，先随着开挖深度的增加，围护结构的侧移量逐渐增加，最大值为15.5mm 出现在基坑的中上部，然后随着开挖深度的增加和入土深度的增加，围护结构的侧移量逐渐减小。施加第二层支撑后对基坑进行第三次开挖，开挖深度为2.3m，围护结构的最大侧移深度和最大侧移量均增加，最大侧移量为16.1mm 出现在基坑的中上部。

3.2 地表沉降

随着基坑内土体的开挖，围护结构约束墙后土体的侧向位移产生而产生变形，使土体向围护结构变形方向产生挤压，土体位移所产生在竖直方向上的分量引起了地表沉降。

Hsieh 等[9]结合大量工程实例，提出地表沉降经验预测曲线，将地表沉降区划分为主要影响区和次要影响区。李方明等[10]统计江漫滩地区多个悬挂式止水帷幕基坑地表沉降的变形规律，得到地表沉降的归一化曲线。本文的数值计算结果与以上学者提出的经验值进行对比，如图3所示。其中d 为距围护结构的距离，hmax 为基坑的最大开挖深度，ξ 为围护结构后各点的地表沉降，ξmax 为地表最大沉降。可以看出，本文地表沉降归一化曲线与Hsieh 等[9]的经验预测曲线和李方明等[10]的统计规律的趋势吻合较好，尤其是在主要影响区。证明了本文所采用的额PH-Small 模型和所取的土层参数是合理的。次要影响区主要是由降水引起[10]，本文没有考虑降水的作用，因此在次要影响区拟合程度较低。由于次要影响区的沉降值相对于主要影响区的沉降小很多，因此次要影响区对计算模型带来的影响小，不影响进一步对计算模型的变形规律探讨。

4.管廊荷载施加

基坑开挖完成后，撤掉第二层支撑并导入管廊模型于基坑底部，用attach 命令使管廊模型底部与基坑底部进行接触，覆于管廊结构材料属性，杨氏模量E=3.15e10pa，泊松比ν=0.2、密度2360kg/m3。

4.1 管廊沉降和土体位移

管廊结构施加使基坑底部的土体被压缩，随即产生了向下的位移。在无地基处理下，管廊下的地基土逐渐被压密，土颗粒间的空隙逐渐缩小使管廊结构随地基土产生沉降。管廊结构的沉降先随着土体的固结逐渐增加达到最大值10.5mm，由于土体的剪胀性使土体产生了小量的体积回弹，固结的完成管廊结构最终沉降量为8.7mm。黄剑等[11]对桑田岛工程建成后的综合管廊和周边道路进行了沉降监控，对其对管廊沉降的实测和本文计算的管廊沉降模拟值进行归一化处理，如图4所示。T 为沉降检测时间，Tmax为沉降检测总时间，S 为管廊在检测时间下的沉降值，Smax为管廊沉降稳定时的沉降值。本文计算值和实测值的拟合较好，管廊的沉降过程可以分为两个阶段：发展阶段和稳定阶段。

图2 围护结构侧向位移

图3 归一化地表沉降与经验值对比

图4 归一化管廊沉降与实测值对比

4.2 地基处理对管廊及基坑的影响

管廊结构的不均匀沉降会使相邻管节产生沉降差，从而使得管廊结构出现开裂、漏水等病害情况，甚至会导致内部基础设施的变形，影响结构和设施的正常使用。因此，可以通过对管廊下的地基进行处理，提高地基土的承载能力来减小管廊结构的沉降。

该管廊工程采用φ1000@5000 钻孔灌注桩对管廊下的地基进行加固，加固深度为20m。如图5所示，经计算，通过钻孔灌注桩的加固有效降低了管廊结构的沉降，管廊沉降最大值为53.2mm，随计算步长的增加管廊沉降最终稳定在47.8mm，较地基未处理情况下的管廊沉降稳定值减小了52.2%。说明采用钻孔灌注桩的方式加固管廊地基，可以有效地增加地基的竖向承载能力，对基坑周围的土体位移影响较小。

5.地基处理深度对管廊结构引起土体位移的影响

经过上一节的结论，采用钻孔灌注桩处理后的基坑地基，能够有效地增加地基的承载能力，从而减小的管廊结构的沉降量。为了进一步地探究采用钻孔灌注桩进行地基处理后对管廊沉降的影响，本文通过在其他参数均不变的情况下，该变钻孔灌注桩的桩长及改变地基的处理深度，来观察不同情况下的管廊沉降值。本文设置的钻孔灌注桩地基处理深度有0m、10m、20m、30m、40m 五种情况，分别对五种地基处理方式下的管廊沉降量进行了记录，均取五种情况下的最终沉降量，并进行了回归拟合，如图6所示。地基通过钻孔灌注桩处理后能够有效地减小管廊结构的沉降，管廊结构的沉降与地基处理深度呈负相关的关系，当钻孔灌注桩的桩长设置为40m 时，管廊结构的沉降为2.38mm。

6.结论

（1）管廊工程所引起的地表沉降使由两部分构成，第一部分为管廊基坑开挖引起的沉降；第二部分是管廊荷载施加后所引起的地表沉降。合理考虑管廊工程对周围土体的影响及影响范围，能有效地判断是否对临近建筑物产生影响，从而采用必要的措施来保证管廊工程临近建筑物的安全性。

图5 地基处理下管廊沉降对比

图6 地基处理深度与管廊沉降关系

（2）管廊工程中对管廊结构的沉降控制是重要的一环，本文通过数值模拟的方法通过对未做地基处理的管廊沉降与采用钻孔灌注作为地基处理方式下的管廊沉降做了对比，发现采用该方式能够有效地减小管廊工程中管廊结构的沉降。

（3）当以钻孔灌注桩作为地基处理方式来控制管廊结构的沉降时，钻孔灌注桩的桩长及地基处理深度对管廊结构的沉降的影响满足抛物线关系。在实际管廊工程当中，需要合理考虑地基处理深度和管廊沉降两个者的关系，从而避免为控制沉降而造成造价过高的情况。