城市地下綜合管廊建設中相關巖土工程問題的探討

張宏建，岑仰潤，熊曉亮，劉恒新，賴小勇

（杭州市勘測設計研究院，浙江 杭州 310012）

城市地下綜合管廊建設中相關巖土工程問題的探討

張宏建，岑仰潤，熊曉亮，劉恒新，賴小勇

（杭州市勘測設計研究院，浙江 杭州 310012）

城市地下綜合管廊對于城市建設具有重要意義，可以有效地緩解城市道路積水、交通擁堵；解決反復開挖路面；防止管線破裂等事故發生。由于管廊深埋地下，同時我國地大物博，南北地層條件差異大，建設過程中不可避免地會遇到各種各樣的巖土工程問題。為了給管廊的選址、勘察、設計、施工提供參考，在此針對管廊建設中可能遇到的一些主要問題進行探討，主要包括以下方面∶區域地質構造運動及地震效應、滑坡導致的管廊變形；軟弱地基引起的管廊不均勻沉降；開挖方式問題；地鐵長期振動對管廊的影響。

城市；地下綜合管廊建設；巖土工程

地下綜合管廊是指在城市地下用于集中鋪設通信、電力、給排水、熱力、燃氣、廣播電視等市政管線的公共隧道。地下綜合管廊可以將各種管線統一規劃、設計、施工，為管線的管理、日常維護提供極大便利。避免路面反復開挖，阻礙交通，影響城市形象；防止管線破裂等一些事故危害人民生命財產安全。

目前，我國城市地下綜合管廊建設還比較滯后，除了各管線部門溝通不暢的原因外，我國關于地下綜合管廊的技術規范還比較欠缺，建設經驗不足。中國地大物博，各個城市地質條件、土層性質都不一樣，南北差異大，所以綜合地下管廊建設難度，需要考慮的涉及到巖土工程方面的問題也不一樣。這里，筆者就管廊建設需要考慮的一些主要巖土工程問題進行分析。

1 不良地質條件問題

1.1 區域地質構造及地震效應

常見地質構造中，斷層對管廊危害較大。當管廊穿越斷層時，在地震效應作用下，管廊將發生破壞［1］。斷層可分為走滑斷層、正斷層、逆斷層。走滑斷層主要發生在水平面，對管廊產生剪切作用；正斷層由重力和張力作用下形成，易使管廊發生拉伸變形；逆斷層受到擠壓應力作用形成，易使管廊承受壓縮變形。

管廊穿越斷層時，破壞模式有3種可能性：拉裂、局部屈曲和梁式屈曲［2］。對于跨斷層管廊目前并無明確的技術規范進行結構抗震設計，活動斷層作用下管廊變形破壞一般發生在斷層兩側，所以在管廊選線設計時，應盡量避免穿越斷層，不能改線時，應考慮斷層和地震綜合作用下管廊的變形破壞模式，并提出應對措施。

飽和粉砂土由于孔隙中充滿水，在一定強度地震作用下，孔隙水壓力上升，導致土體之間骨架受力逐漸變小，即有效應力變小，最后趨于零，土顆粒處于懸浮狀態，粉砂土抗剪強度消失，喪失承載力，產生液化現象。管廊地基土液化后承載力消失，將發生液化沉陷，對管廊工程造成極大破壞。對于液化沉陷，現行規范規定了明確的處理措施。綜合管廊工程按照乙類建筑物進行抗震設計［3］，規范規定，抗震設防烈度小于等于6度時，可不進行液化辨別，液化判別標準詳見規范GB 50011—2011［4］。地基液化等級為輕微時，應部分消除液化沉陷，對基礎或上部結構進行處理；地基液化等級為中等時，全部消除液化沉陷或部分消除液化沉陷且對基礎和上部結構處理；地基液化等級為嚴重時，全部消除液化沉陷。

砂土液化過程中，管道變形破壞的過程是極其復雜的。由于超孔隙水壓力急劇上升，管道所受浮力增大，同時土骨架之間有效應力減少導致上覆土抗浮作用減弱，因此，管廊抗浮設計應引起充分重視。現場震害和室內模型試驗證明，管道由于浮力作用遭受破壞這一問題甚至比由于地基承載力的喪失造成震陷更加突出［5］。管廊抗浮設計并無明確規范規定。設計時在消除液化土層的同時，應考慮抗浮驗算，加強場地地基土的排水條件，消散液化時的超孔隙水壓力。在液化層和非液化層處管道設置接頭，增強管廊的抗變形能力。

1.2 滑坡

我國一些城市丘陵地帶，山體比較多，比如重慶，滑坡災害多發，在滑體上施工地下管廊需要開挖一條狹長的溝槽，形成臨空面，使得原本欠穩定的邊坡產生滑坡。管廊除受到垂直的土壓力之外，還受到斜向下的滑坡推力（圖1），極易發生變形破壞。由于管廊中有給、排水管道，管道破裂之后，造成漏水，使得滑坡地下水位上升，土體容重增加，軟化土體導致其抗剪強度降低，將加速滑坡滑動。

圖1 滑坡中管廊位置示意圖

管廊設計施工應進行詳細的工程地質勘察，評價邊坡穩定性，避免在滑動帶埋設管廊，如確實不能繞開，對于欠穩定邊坡，應對其進行加固治理，以提高其穩定性。

1.3 軟弱地基

我國沿海地區、內陸平原和山間盆地都廣泛分布濱海相沉積軟土和內陸河湖沉積軟土，這些軟土包含飽和軟弱黏性土、淤泥［6］。此類土層對埋置于其中的管廊受力變形影響很大。

對埋置于軟弱土中的管廊進行三維有限元分析，管廊截面尺寸采用標準斷面，見圖2。

圖2 管廊截面圖

有限元模擬主要參數見表1。

表1 有限元模擬主要參數

有限元模型見圖3，模型總寬度50 m，軟弱土處于中間位置，寬度分別為10、20、30 m。不考慮因固結而產生的沉降，管廊基坑開挖后位移清零，管廊和明挖基坑回填土產生的重力荷載作為上部荷載施加在坑底地基上。

圖3 有限元模型示意圖

圖4 軟弱土層不同寬度下管廊沉降量

由圖4可知，管廊最大沉降量發生在軟弱土中間位置，軟弱土寬度越寬，沉降量越大。說明軟弱土分布情況對管廊不均勻變形影響很大，管廊最大沉降處結構的變形應滿足規范要求［3，7］。實際工程中，應做好前期地質勘察工作，計算地基不均勻沉降帶來的影響。

城市中常見不良地基土還有欠固結土、膨潤土、濕陷性黃土等，設計時綜合考慮土體的特殊性質，采取合理的地基處理措施。同時，一些并不常見的不良地質條件比如巖溶、土洞、地裂縫等，也應在管廊結構設計中引起充分的重視，管廊施工前應評估其影響，必要的話及早整治，防止施工后對管廊造成影響。

2 開挖問題

城市地下綜合管廊屬于地下空間的開發利用，自然涉及到開挖問題。目前地下管道常用開挖方法有明挖法、暗挖法。

2.1 暗挖法

暗挖法包括盾構法、礦山法、頂管法。盾構法對土層的適應性比較強，在土和軟巖中均可掘進，而且施工速度快。成功使用盾構法建設的管廊有天津海河地下綜合管廊，由于管廊需要在河道下面施工，常規開挖方法不適用。但是盾構法施工造價很高，成本幾乎接近地鐵隧道建設，不能大面積推廣。礦山法主要適用于粉質黏土和軟巖，對于含水量高的土層需要采取多種措施，施工速度慢，地層適應性差。頂管法主要用于軟土地區，施工工藝比較復雜，不宜長距離頂進，否則管廊容易偏位，需要設置大量工作井，不適合城市地下管廊的施工。

2.2 明挖法

我國在建及已建成的地下綜合管廊建設中，最常用的開挖方法還是明挖法，采用明挖法時，為防止開挖時土體坍塌，必須對基坑采取支護。寧波東部新城地下管廊建設開挖時采用明挖法，基坑支護形式采用攪拌樁加一定深度的放坡開挖，坡面噴射混凝土護面［8］；廣州大學城地下綜合管廊全長約10 km，開挖時主要采取兩種基坑支護形式：1）放坡開挖，坡面50 mm 厚水泥砂漿護面；2）土質較差段采用鋼板樁+鋼支撐［9］；大連小窯灣綜合管廊建設基坑支護形式同樣采用放坡、鋼板樁+鋼支撐基坑支護形式［10］。

對基坑進行支護時，常用支護形式有如下幾種：

1）當開挖深度較淺，土質較好，周邊有足夠的放坡空間時，可采用放坡開挖；

2）土質較差，挖深較深時，采用鋼板樁+鋼支撐；

3）挖深較淺，對變形要求不嚴格時，可采用重力式擋墻支護；

4）挖深很深，土質較差，可采用灌注樁+鋼支撐，當采用多道支撐時，建議第一道支撐采用鋼筋混凝土支撐，防止支撐被拉壞。由于現場情況千差萬別，基坑設計方應根據開挖深度、土質情況、周邊環境情況選擇合理的基坑支護形式。

基坑支護施工時應保證施工質量，防止事故發生。以下是基坑設計施工中的一些常見事故：

1）砂土中發生坑壁漏水時，容易誘發流砂管涌，造成地面坍塌；

2）坑底存在承壓水且上覆土壓力厚度不足以承受承壓水壓力水頭時，引起突涌，應降低承壓水頭或采取其他措施，防止事故發生。

3）當坑底存在有害氣體時，應防止氣體溢出，否則坑底將形成空洞，造成土體下沉。

4）當支護結構比較弱時，還可能誘發土體的整體破壞。

3 其 他

我國已經修建地鐵的城市有北京、上海、杭州、寧波、廣州、天津、南京等，正在修建地鐵的城市有杭州、蘇州、南昌、無錫、成都、重慶等。無論大、中、小城市都在掀起地鐵建設的熱潮。但是，地鐵對工程領域卻會造成一定影響。由于地下管廊也是在開發城市地下空間，城市地下管廊和地鐵隧道將不可避免地相距很近，筆者就地鐵列車的長期震動對管廊造成的影響進行有限元分析。

土層主要參數見表2。

表2 土層主要參數

計算模型見圖5。

圖5 計算模型

土層基床系數及阻尼系數根據土的性質求得。列車行駛時，存在鋼軌幾何不平順性和軌面波形磨耗效應。求解列車動力荷載時，需考慮到上述因素。對鋼軌取3個典型波長：

1）考慮到車本身的不平順性，波長L1= 10 m，正矢a1=5 mm；

2）考慮到附加動力荷載產生的不平順性，波長L2=1 m，正矢a2= 0.3 mm；

3）考慮到波形損耗的不平順性，波長L3= 0.5 m，正矢a3=0.1 mm。根據梁波［11］提出的列車動力荷載模型，荷裁隨時間變化曲線見圖6。取列車正常運行速度v=60 km/h，即列車動力荷載為：

圖6 荷載隨時間變化曲線

有限元計算進行時程分析時采用直接積分法，計算時間為10 s。計算結果見圖7、圖8。

圖7 列車動荷載作用下模型最大豎向位移云圖

圖8 列車動荷載作用下管廊沉降隨時間變化圖

由計算結果可知，管廊底最大沉降約為0.8 mm。

當列車長期運行時，根據Monismith［12］，Li和Selig［13］提出的循環荷載作用下路基的累計塑性變形，計算管廊的豎向沉降，見下式。

式中：εp為土的塑性應變；

a、b、m為土層常數；

N為動荷載循環次數；

qd為動偏應力；

qf為土的靜強度；

s為累計沉降值；

hi為第i層土厚度。

對于軟土取a=1.2、b=2.1、m=0.2；黏土取a=0.9、b=2.0、m=0.18［13］。根據有限元計算提取的應力結果，軟土層中qd=2.4 kPa，qf=195 kPa，黏土層中qd= 5.3 kPa，qf=1 050 kPa。

假設地鐵一年運行20萬次，通過計算可得地鐵長期運行對管廊沉降造成的影響，見圖9。

圖9 列車動荷載長期作用下管廊沉降變化圖

由計算結果可知，一年內管廊沉降達到20 mm左右，長期列車動荷載對管廊沉降影響明顯，此后10年內管廊沉降增長速度放緩。為防止不均勻沉降對管廊帶來的影響，對距地鐵隧道距離較近處管廊地基應加強。同時驗算地鐵車輛運行引起的震動對綜合管廊內各種管線的影響，如有必要，應加設彈性支座等各種減震、隔震設施。

4 結 語

城市地下綜合管廊在規劃選線、地基條件、開挖深度、施工工藝、涉及到的周邊環境、地質條件因地區不同而表現出很大的差異性，涉及到的巖土工程問題也不一樣。規劃、設計施工前，應做好詳細的地質勘察工作，評估不良地質條件對管廊建設造成的影響。加強施工階段的監測，力求做到信息化施工，及時發現問題，防范于未然，最終實現管廊建設的跨越式發展。

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Discussion on the Problems of the Relevant Geotechnical Engineering in the Construction of Urban Underground Conprehensive Pipe Gallery

ZHANG Hongjian， CEN Yangrun， XIONG Xiaoliang， LIU Hengxin， LAI Xiaoyong

TU990.3

B

1008-3707（2016）08-0013-05

2016-03-30

張宏建（1982—），男，江蘇南通人，工程師，從事巖土工程設計方面的工作。