綜合管廊下穿三污干管施工沉降分析

李 勇,陳 斌

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.長(zhǎng)三角城市基礎(chǔ)設(shè)施科學(xué)研究院，浙江 杭州 310011)

0 前 言

地下綜合管廊可以提升地下管線(xiàn)建設(shè)管理水平、保障城市安全、完善城市工程、美化城市景觀、促進(jìn)城市集約高效和轉(zhuǎn)型發(fā)展，有利于提高城市綜合承載能力和城鎮(zhèn)化發(fā)展質(zhì)量[1]。2017年，杭州市被國(guó)家建設(shè)部選為第二批管廊建設(shè)試點(diǎn)城市，管廊成為杭州市的重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容[2]。為實(shí)現(xiàn)管廊建設(shè)的真正用途，管廊必須形成網(wǎng)狀后才能發(fā)揮作用，而城市內(nèi)建設(shè)管廊受限交通、地下管線(xiàn)、作業(yè)空間，局部必須采用非開(kāi)挖技術(shù)。但在地下綜合管廊建設(shè)過(guò)程中也會(huì)遇到很多難題。比如綜合管廊的建設(shè)大多數(shù)會(huì)遇到穿越鐵路、公路、河流等障礙問(wèn)題，如何在保證道路交通功能的條件下完成對(duì)障礙物的穿越成為近年來(lái)非開(kāi)挖工程界的熱點(diǎn)問(wèn)題[3]。

1 項(xiàng)目概況

杭州市德勝路(機(jī)場(chǎng)路-九環(huán)路)地下綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)段為三艙結(jié)構(gòu)，分別為電力艙、水信艙及燃?xì)馀?，結(jié)構(gòu)凈尺寸為9.4 m×3.5 m。標(biāo)準(zhǔn)段采用明挖法施工，下穿滬杭甬高速公路及下穿污水干管段采用頂管法施工，其中下穿滬杭甬高速段長(zhǎng)154.65 m，下穿污水干管段長(zhǎng)106.45 m，頂管總長(zhǎng)261.1 m，矩形管廊管節(jié)外輪廓尺寸為7.5 m×5.4 m，頂板和底板厚度為0.55 m，中隔墻厚度為0.30 m，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)度1.5 m，鋼筋混凝土管節(jié)設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C50，抗?jié)B等級(jí)為P10。暗挖段采用的兩臺(tái)中鐵裝備的“雙子星”矩形頂管機(jī)，兩層六刀盤(pán)布置形式，相鄰刀盤(pán)的切削區(qū)域相互交叉，斷面開(kāi)挖覆蓋率達(dá)到93.2%。

項(xiàng)目施工地段車(chē)流量大、交通繁忙，施工地層又主要為粉質(zhì)黏土，極易造成地面下沉，掘進(jìn)難度極大。項(xiàng)目最大難點(diǎn)段在下穿三污干管段，該段采用土壓平衡矩形盾構(gòu)頂管法施工，頂管段具有以下主要特點(diǎn)：開(kāi)挖斷面大、覆土埋深較淺、結(jié)構(gòu)間距小、管線(xiàn)距離近、沉降要求高。矩形盾構(gòu)頂管管節(jié)斷面達(dá)到7.5 m×5.4 m，而目前在國(guó)內(nèi)已經(jīng)成功應(yīng)用施工的城市為數(shù)不多，借鑒條件有限；頂管結(jié)構(gòu)頂距離三污干管底最近距離僅為4.25 m；頂管結(jié)構(gòu)之間間距小，下穿三污干管段兩條矩形盾構(gòu)頂管凈間距僅為3 m，推進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)到106.5 m，施工難度大。在施工過(guò)程中，需要關(guān)注的是沉降較大值以及附加彎矩較大點(diǎn)。對(duì)該段由管廊施工對(duì)污水管造成的沉降采取有限元軟件和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)采取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 頂管施工監(jiān)測(cè)

“盾構(gòu)式”頂推施工的施工監(jiān)測(cè)工作尤為重要，通過(guò)監(jiān)控量測(cè)了解頂管施工過(guò)程中頂管結(jié)構(gòu)受力的動(dòng)態(tài)變化，了解頂進(jìn)過(guò)程對(duì)頂管上方及周邊土體變形的大小，準(zhǔn)確掌握各過(guò)程的薄弱環(huán)節(jié)；通過(guò)監(jiān)控量測(cè)，收集相應(yīng)工程數(shù)據(jù)，為以后的工程設(shè)計(jì)、施工及規(guī)范修改提供參考和積累經(jīng)驗(yàn)，并可以和計(jì)算結(jié)果比較，完善計(jì)算理論。

2.1 基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的下穿三污干管沉降分析

下穿三污干管的頂管監(jiān)測(cè)點(diǎn)及降水井布置見(jiàn)圖3.1，分析施工過(guò)程中沉降問(wèn)題對(duì)三污干管的影響，關(guān)注沉降較大值以及附加彎矩較大點(diǎn)。依據(jù)監(jiān)測(cè)單位數(shù)據(jù)，繪制幾個(gè)最大沉降點(diǎn)的累計(jì)變形隨時(shí)間變化曲線(xiàn)、相鄰點(diǎn)沉降差異曲線(xiàn)，來(lái)對(duì)比相鄰點(diǎn)沉降差異計(jì)算得出產(chǎn)生的附加彎矩，監(jiān)測(cè)三污干管穩(wěn)定情況。

2.2 直污水管沉降及附加彎矩分析

直污水管監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖見(jiàn)圖1，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制較大沉降點(diǎn)G33、GX40、GX41、GX43、GX44累計(jì)變形曲線(xiàn)并進(jìn)行分析。

圖1 GX1-GX29累積變形曲線(xiàn)

分析：從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)知，GX33監(jiān)測(cè)點(diǎn)經(jīng)歷了緩慢下沉后較快隆起后又較快下沉，累計(jì)變形最小為-5.1 mm，最大為-12.77 mm。從6月13日起到6月30日，GX33累計(jì)變形從-5.1 mm到-10.15 mm，累計(jì)變形速率為-0.3 mm/d，從6月30日起到7月3日，GX33累計(jì)變形從-10.15 mm到-7.69 mm，累計(jì)變形速率為0.87 mm/d，從7月3日起到7月10日，GX33累計(jì)變形從-7.69 mm到-12.77 mm，累計(jì)變形速率為-0.71 mm/d。

分析：GX40、GX41、GX43、GX44先平緩下降，到管廊頂推開(kāi)始與三污干管交叉開(kāi)始快速下降，累計(jì)變形最大為監(jiān)測(cè)點(diǎn)-21.9 mm，累計(jì)變形速率為1.63 mm/d。同時(shí)可以看到GX40、GX41、GX43、GX44開(kāi)始曲折回升，這說(shuō)明隨著頂管的繼續(xù)推進(jìn)，最大累計(jì)沉降逐漸變化，且隨著距離盾構(gòu)機(jī)越遠(yuǎn)，變形影響變小。

分析：由沿污水管方向各點(diǎn)變形曲線(xiàn)，可以得到。

1)GX33、GX34、GX35三點(diǎn)組成曲線(xiàn)，曲率半徑為2 580 m，彎矩為51.11 kN·m

2)GX39、GX40、GX41、GX43、GX44五點(diǎn)組成曲線(xiàn)，曲率半徑較小為4 065 m，彎矩較大為32.44 kN·m，

3)GX49、GX50、GX51三點(diǎn)組成曲線(xiàn)，曲率半徑為1 906 m，彎矩為69.19 kN·m

4)相鄰點(diǎn)差異沉降較大點(diǎn)：GX33到GX34為5 mm，兩點(diǎn)相距5.7 m，轉(zhuǎn)角為0.05°；GX49到GX50為4.23 mm，兩點(diǎn)相距3 m轉(zhuǎn)角為0.08°。

2.3 彎污水管沉降及附加彎矩分析

由于最大沉降值出現(xiàn)在直污水管，故對(duì)彎污水管繪制相鄰點(diǎn)沉降差異曲線(xiàn)，通過(guò)對(duì)比相鄰點(diǎn)沉降差異計(jì)算得出產(chǎn)生的附加彎矩。

由彎污水管方向各點(diǎn)變形曲線(xiàn)，可以得到。

1)GX7GX8GX9三點(diǎn)曲率半徑450 m，彎矩最大293.07 kN·m；

2)GX21GX22GX23三點(diǎn)曲率半徑153 m，彎矩最大816.9 kN·m；

3)相鄰點(diǎn)差異沉降較大點(diǎn)：GX7、GX8為6.09 mm，兩點(diǎn)相距6 m，轉(zhuǎn)角為0.05°；GX21、GX22為5.56 mm，兩點(diǎn)相距3 m，轉(zhuǎn)角為0.1°。

結(jié)論：由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看出，盡管GX40、GX41、GX43、GX44四點(diǎn)沉降較大，但是曲率半徑較大，管內(nèi)附加彎矩較小，而對(duì)于GX21、GX22、GX23由于相鄰測(cè)點(diǎn)沉降差較大，產(chǎn)生較大附加彎矩，因此我們不能僅關(guān)注沉降的大小，更需要關(guān)注由于不均勻沉降在污水管內(nèi)產(chǎn)生的附加彎矩。

3 頂管頂推數(shù)值模擬

對(duì)下穿三污干管可以根據(jù)管廊的建造過(guò)程進(jìn)行建模，工況可以細(xì)化到每一個(gè)管節(jié)施工。

1)管片采用板單元模擬，管片模量采用C50混凝土的彈性模量為34.5×106kN/m2，厚度為0.55 m，重量為24 kN/m3。

2)污水管采用嵌入式兩單元模擬，由于污水管采用PCCP管(預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土)材料制作，而且污水管5 m為一節(jié)，節(jié)與節(jié)之間采用膠圈連接，且左側(cè)污水管有兩處彎折，兩個(gè)污水管之間存在蝶閥門(mén)，這些都是影響分析結(jié)果的原因。在對(duì)污水管模擬時(shí)，沒(méi)有考慮接頭的弱化，彈性模量去235 MPa，重量為25.2 kN/m3，直徑為2.574 m，壁厚0.187 m。

3)掌子面土壓力設(shè)置為：底部最大彈模為150 kN/m2，變化率為7.4 kN/m2/m。

4)收縮率定義：收縮率線(xiàn)性增加0%～0.6%，取變化率為0.02%/m。

3.1 工況選擇

根據(jù)監(jiān)測(cè)單位提供的數(shù)據(jù)，選擇以下五個(gè)工況：

工況1：左側(cè)頂管開(kāi)始頂進(jìn)，水位8.2 m；工況2：左側(cè)頂管頂進(jìn)11環(huán)，水位為8.7 m；工況3：左側(cè)頂管頂進(jìn)30環(huán)，水位為10 m；工況4：左側(cè)頂管頂進(jìn)38環(huán)(出三污干管)；工況5：左側(cè)頂管頂進(jìn)71環(huán)(左側(cè)頂管結(jié)束)。

3.2 頂管頂推數(shù)值分析

針對(duì)工況三進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反分析，見(jiàn)圖2。

圖2 工況3數(shù)值模擬

3.3 降水?dāng)?shù)值分析

采用繪制降水線(xiàn)的方式進(jìn)行降水計(jì)算：通過(guò)降水計(jì)算模型計(jì)算得污水管處豎向位移圖最大為-9.546 mm

3.4 頂管+降水共同作用分析

根據(jù)已有條件計(jì)算所得的因降水產(chǎn)生的沉降值，將頂管模型計(jì)算值加上降水引起最大沉降值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。

GX34-GX61計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖3 GX34-GX61計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

結(jié)論：①?gòu)膱D中可以看出，工況3擬合效果較好；②針對(duì)降水模型，如果能夠提供詳細(xì)的降水影響范圍以及各點(diǎn)的水位，可以精確計(jì)算出該降水產(chǎn)生的變形效果，從而可以反分析校正頂管頂推模型參數(shù)；③預(yù)測(cè)穿出污水管工況四以及工況五的累計(jì)變形以及最大附加彎矩。

3.5 反向分析預(yù)測(cè)(見(jiàn)圖4)

圖4 累積變形預(yù)測(cè)值曲線(xiàn)

結(jié)論：根據(jù)反向分析預(yù)測(cè)得出，工況4的最大值出現(xiàn)在GX43，為-23.603 mm；工況5的最大值出現(xiàn)在GX46，為-37.276 mm。

4 結(jié) 論

1)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)最大沉降值出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)GX43,累計(jì)變形為-21.9 mm，最大差異沉降出現(xiàn)在GX21、GX22，兩點(diǎn)相距3 m，兩點(diǎn)差異沉降為5.56 mm，轉(zhuǎn)角為0.1。

2)降水產(chǎn)生變形。水位10 m，產(chǎn)生變形最大為-9.546 mm，如果能夠提供詳細(xì)的降水影響范圍以及各點(diǎn)的水位，可以精確計(jì)算出該降水產(chǎn)生的變形效果。

3)頂管頂推產(chǎn)生變形與實(shí)測(cè)對(duì)比。針對(duì)頂管推進(jìn)第30環(huán)進(jìn)行計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析，數(shù)值計(jì)算結(jié)果，頂管和降水疊加后：工況3(30環(huán))沉降最大點(diǎn)為GX41,累計(jì)變形值為-21.667 mm，實(shí)測(cè)值為-20.04 mm，相差1.627 mm；工況2(38環(huán)機(jī)頭出污水管)沉降最大點(diǎn)為GX43，累計(jì)變形值為-23.603 mm，實(shí)測(cè)值為16.93 mm，相差6.673 mm；依據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)左側(cè)頂推結(jié)束累計(jì)變形最大點(diǎn)為GX46,累計(jì)變形值為37.276 mm。

4)施工注意要點(diǎn)。在頂推施工過(guò)程中，特別要關(guān)注管廊穿過(guò)上部有動(dòng)荷載或者市政管線(xiàn)的施工段的沉降控制和監(jiān)測(cè)工作，以及及時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷其對(duì)市政管線(xiàn)產(chǎn)生的附加彎矩，進(jìn)而采取有效的防范措施確保施工安全，降低施工影響。

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