陈江林
(北京禹冰水利勘测规划设计有限公司,北京 100161)
随着城市建设发展,下垫面的不透水面积增大,近年来极端天气越发频繁:例如2012年北京“7.21”特大暴雨,2015年7.23武汉特大暴雨、2021年河南郑州“7·20”特大暴雨等。水利部部长李国英在发布会上介绍,近十年我国洪涝灾害年均损失占GDP的比例由上一个十年的0.57%降至0.31%。因此水利工程建设对保障居民财产、人身安全有非常重要的意义。在城市水利工程建设过程中,经常会遇到河道或者排水管需要穿越现状道路的情况,但因道路无导行条件或者交通导行困难不能断路、地下管线改移困难等因素导致不能明挖,只能暗挖施工或者顶管施工。暗挖施工会导致穿越段的雨水暗涵涵底高程下降,低于上下游高程,形成竖井式倒虹吸。
隧道施工、盾构施工引起地下管线沉降在铁路施工中研究较多,段光杰[1]在2003年就提出了地铁隧道施工扰动对管线变形影响的理论和研究方法;贾瑞华[2]在2009年分析了既有管线下盾构施工地层沉降监测和位移;周雪莲[3]分析了超大管径盾构施工对高危管线的影响;催程虹[4]研究了不同断面型式盾构施工对地下管线的沉降影响;佘格格[5]曾在2019年分析了深基坑对临近地铁线路的影响;但水利工程中开挖对管线沉降影响的研究较少,笔者[6]曾在2020年分析过倒虹吸暗挖施工对地表沉降的影响,但因设备原因未能考虑对地下管线沉降的影响。本次通过分析门头沟区已完建工程案例,建立倒虹吸穿越地下管线的数值模型,分析开挖对地下管线的沉降影响,为类似工程提供设计依据。
工程案例采用文献中[10]的同一案例:项目是为解决门头沟新城地区区域防洪问题而修建的山洪沟,山洪沟路由需穿越高家园路,因道路交通通行车辆多,附近无便于导行的场地条件,且需穿越有热力管线(Φ0.4m)、污水管线(Φ0.4m)、雨水管线(Φ1m)、电力管线、通信管线、燃气管线(Φ0.35m)等地下管线,若改移投资较大,因此该段暗涵设计为竖井式倒虹吸。
根据工程勘察报告,倒虹吸穿越范围内土层为中等风化玄武岩、碎石土、粉质黏土;设计地层内无地下水。因穿越土层硬度较大,且无地下水,故倒虹吸采用暗挖法施工。
倒虹吸结构设计及管线位置关系如图1—2所示。
图1 倒虹吸平面图
图2 倒虹吸1—1剖面图
新建倒虹吸竖井均采用复合衬砌结构,侧壁初次衬砌均为格栅喷射混凝土结构,结构厚度0.3m;因1#竖井底部为中等风化岩,为节约投资,底部初次衬砌仅喷0.1m混凝土;2#竖井底部为碎石土,为保证施工安全,初次衬砌亦采用厚0.3m格栅喷射混凝土结构。施工过程中采用分步开挖,粉质黏土及碎石层步长为0.5m,开挖前进行超前注浆加固土体,中等风化岩步长为1m。开挖完成后立即架设格栅、挂网、喷射混凝土,以保证基坑安全。二次衬砌均为钢筋混凝土结构:1#竖井净尺寸为4.0m×4.0m×7.77m,底板厚0.5m、侧壁厚0.3m、顶板厚0.25m;2#竖井净尺寸为4.0m×5.0m×7.5m,底板厚0.5m、侧壁厚0.3m、顶板厚0.25m;
倒虹吸涵身段设计断面为城门洞型式:初次衬砌根据穿越地层不同特性采取三种不同的支护形式:穿越粉质粘土层的初次衬砌设计为格栅喷射混凝土结构,见图5;穿越中等风化岩层的仅喷0.1m混凝土、拱部设锚杆支护,做法见图3;底部为中等风化岩层、拱部穿越碎石或粉质粘土层的底部衬砌喷0.1m混凝土,拱部及侧壁设格栅喷射混凝土结构,见图4;格栅每榀间距为0.5m,当穿越稳定岩层时可根据监测情况增大。施工亦采用上下台阶法分步开挖法,在开挖粉质粘土和碎石土时,宜保留一部分核心土,待侧壁和顶部格栅就位后再挖除,并马上架设底部格栅;施工过程中必须保证每榀格栅封闭后再进行下一步工序。
图3 倒虹吸衬砌布置图(一)
图4 倒虹吸衬砌布置图(二)
图5 倒虹吸衬砌布置图(三)
为保证地下管线的安全,施工期间在污水管线(距离涵顶最近)、燃气管线(距离竖井最近)正上方布设监测点。监测点布置为:交叉位置处管线中心设1个监测点、向两侧每隔5m设1个监测点,每种管线共计11个监测点。
根据工程地质条件,应遵循以下基本假定和理论:
(1)土体为连续弹塑性材料、各项同性。
(2)在倒虹吸开挖前地表的初始位移为零,不考虑现状管线埋置对地表沉降的影响。
(3)管线与周围土体紧密接触,在变形过程中,管线与土不产生相对脱离或滑动。
(4)土体采用摩尔—库伦模型[7],结构构件均采用线弹性模型[7]。
模型数值计算采用的岩土及结构物理力学参数见表1—2。
表1 土层的力学参数表
表2 结构的力学参数表
本次采用Midas/GTS建立数值模型,根据房明等[8]的研究:横向影响范围约为4W宽度(W为类矩形盾构模型的横向宽度),竖向影响范围约为隧道以下3D(D为类矩形盾构模型的竖向高度)。考虑消除边界效应,本次建立模型尺寸为90m×56m×31m(长×宽×高),竖井及涵身两侧的土体宽均大4W,底部的土体深23m,厚度大于3D。实体模型成果见图6。
图6 实体模型成果图
网格采用混合网格进行划分,通过尺寸控制不同位置采用不同的网格精度:竖井开挖网格尺寸为1m,涵身开挖网格尺寸为0.5m,地层表面网格控制尺寸为2m,地层底面网格控制尺寸为5m,雨水、污水、燃气、上水管线网格尺寸为0.1m,电力、电信管线网格尺寸为0.1m。网格划分数量见表3。
表3 网格划分成果统计
地层网格划分成果见图7;倒虹吸及地下管线网格划分成果见图8。
图7 土层网格划分成果图
图8 倒虹吸网格划分成果图
模型采用自动约束限制底部及侧向位移;荷载采用荷载效应准永久组合[9],永久作用标准值取土体及管道自重,可变作用准永久值考虑车辆荷载,准永久值系数取0.4。
为了模拟不同施工阶段开挖对管线的影响,需根据施工工序定义施工阶段。为方便建模,本次简化开挖步骤,将倒虹吸暗挖划分为28个阶段:阶段0为初始应力计算,消除初始沉降的影响;阶段1~8为竖井开挖及初次衬砌,竖井1#和2#同时开挖,竖井1#第一步开挖深度为1.63m,竖井2#第一步开挖深度为2.2m,其余开挖深度均为1.5m,开挖完一个步长、完成初衬后再进行下一步开挖;阶段9~27为涵身段开挖及初次衬砌,涵身段开挖由竖井1向竖井2#方向进行,每次开挖长度为3m,开挖为台阶开挖,先开挖上部土体、完成上部初衬后再开挖下部土体,完成下部初衬后再进行下一步开挖。
利用Midas/GTS软件按施工开挖工序模拟倒虹吸开挖过程,得到不同开挖工序下倒虹吸开挖引起的地下管线沉降结果,。通过对每个工序进行分析,可发现:热力管线和电信管线(左)最大沉降量发生在阶段19;污水管线最大沉降量发生在阶段21;雨水管线最大沉降量发生在阶段22;上水管线最大沉降量发生在阶段23;电信管线(右)和电力管线(3组)最大沉降量发生在阶段25;燃气管线最大沉降量发生在阶段26;后续开挖不会引管线继续沉降。模拟结果见图9—14。
图9 阶段19沉降位移图
图10 阶段21沉降位移图
图11 阶段22沉降位移图
图13 阶段25沉降位移图
通过以上模拟结果可看出:当开挖至现状管线正下方时,引起的管线沉降量并不是最大的;继续开挖,当后续开挖施工主要影响区分界线刚好位于管线底部时,管线的沉降达到最大值。这是因为岩土开挖后,地层释放应力形成潜在破裂角,在破裂角范围内的土体会继续沉降,引起管线沉降。施工主要影响区可参照《穿越既有道路设施工程技术要求》[10]和《城市轨道交通工程监测技术规范》[11]进行初步估算。
该暗挖倒虹吸于2015年施工,污水和燃气管线监测结果见表4。
表4 管道最大沉降量监测成果表 单位:mm
利用Midas/GTS软件的结果标记功能,读取每处管线的最大沉降量,最大沉降量统计成果见表5。
表5 管道最大沉降量数值模拟成果表 单位:mm
通过表4—5可得出:数值模拟沉降量与实际监测结果基本上吻合,数值模拟沉降量比监测值大,原因是地层参数取值与实际情况有差别,地勘成果取值有一定的安全系数。模拟结果表明利用Midas/GTS进行数值模拟的结果能预估暗挖引起的地下管线沉降量,可为设计工作提供计算依据。
通过表5的数据可看出:(1)燃气管线沉降量最大,因为燃气管线距离竖井2#1.6m、距离涵顶4.4m,同时受竖井和涵身开挖的影响,且竖井2#尺寸较暗涵身尺寸大,引起的沉降也多,其次竖井2#和该段涵身全部位于粉质黏土层,土体弹性模型E小,泊松比大,引起的沉降量更大;(2)热力管线沉降量最小,因为热力管线距离两竖井均较远,距离暗涵顶3.2m,仅受涵身开挖的影响,且该段涵底位于中等风化岩层,涵顶位于碎石层,土体弹性模型E大,泊松比小,产生的沉降量较小;(3)电信管线、电力管线沉降较大,因为其为柔性管线,自身弹性模型E小,泊松比大,易随土体沉降。
根据《城市轨道交通工程监测技术规范》[11]的要求:燃气管线和供水管线沉降累计值为10~30mm,变化率为2(mm/d),雨污水管线沉降累计值为10~20mm,变化率为2(mm/d)。通过模型计算的地下管线沉降分析,可看出根据不同地层设计的开挖支护方案能满足要求。
本文建立数值模型的方法可为读者提供借鉴;分析结果可为类似工程设计提供参考:(1)当竖井、倒虹吸涵身段位于中等风化岩层时,初次衬砌喷0.1m混凝土+锚杆即可满足设计、施工要求;(2)当竖井、倒虹吸涵身段位于粉质黏土层时,初次衬砌采用格栅喷射混凝土结构可满足设计、施工要求。但本文施工地层无地下水,穿越土层为粉质黏土和岩层,工程地质条件较好,因此分析结果不适用于较复杂的地层,结果使用范围有一定的局限性;当遇施工地质条件较为复杂时,可按上述思路另行分析。