綜合管廊復雜節點結構不均勻沉降剖析

張立明，浦春林，顏 亮，李春寶

（1.中億豐建設集團股份有限公司，江蘇 蘇州 215131；2.蘇州城市地下綜合管廊開發有限公司，江蘇 蘇州 215006）

0 引言

綜合管廊的布置一般都建于城市地下，用于容納兩類及以上市政工程管線的構筑物，屬于城市建設的附屬設施。這樣的設置可以減小對于地下土地應用空間的需求，在水、電、暖、熱力、通信等多方面建設中發揮作用。但是城市綜合管廊要與支線管廊交叉，同時，還要設置配控站、通風口、人員出入口，造成許多特殊節點構造復雜。如何通過計算并進行結構設計，使得結構安全可靠，是每一位設計師急需掌握的關鍵點。

蘇州市城北路綜合管廊是蘇州市成為試點城市后第1條開始規劃建設的綜合管廊，管廊內同時納入高低壓電纜、通信電纜、給水管線、中水管線、蒸汽管線、燃氣管線，建設規模大，建設難度高，開創了國內高壓電纜、燃氣管線、蒸汽管線同時入廊的先例。蘇州市城北路綜合管廊標準橫斷面如圖1所示，管廊寬9.7 m，高4.8 m，覆土厚度2.5～15 m。

圖1 城北路管廊足尺模型

1 節點類型

在綜合管廊的設計中，節點類型有很多種，比如綜合管廊的吊裝口、進排風口、人員進出口、綜合管廊之間十字形交叉節點（如圖2所示）、丁字形交叉節點（如圖3所示）、監控中心的連接通道（如圖4所示）等等。在具體設計中，本文按照工程需要，著重分析綜合管廊與監控中心的連接管廊、綜合管廊交叉節點這幾種復雜結構類型。

圖2 上林路交叉口有限元模型（十字交叉）

圖3 金灣街交叉口有限元模型（丁字交叉）

1.1 計算模式

根據綜合管廊的結構特點，在進行結構設計時，按照板單元有限元計算理論，對構件進行綜合分析。

圖4 城北路綜合管廊控制中心有限元模型

（1）邊界條件按彈性地基梁進行處理，土基系數按照10 000～15 000 kN/m3取用。

（2）上部覆土壓力按土的重量進行施加。土的豎向壓力qv為：

式中：γ為土的密度，按照實際水位取土的浮容重或容重；h為覆土厚度。

（3）管廊土側壓力按照靜止力進行計算。土側水平壓力qh和水的側向壓力q＇h為：

式中：K0=0.50；ρ為水的密度，取 10 kN/m3。

（4）汽車荷載按《給水排水工程管道結構設計規范》[1]的規定計算，并可按《給水排水工程結構設計手冊》[2]取值，汽車荷載可根據覆土厚度折算成等代土荷載施加在結構上。

1.2 綜合管廊監控中心

蘇州市城北路綜合管廊監控中心主體結構位于西塘河下，主管廊頂覆土9 m，通道頂覆土大于14 m，通道為折線L型布置，其有限元計算模型如圖4所示。

按照有限元板單元計算綜合分析，在正常使用極限狀態下，管廊將發生不均勻沉降，其中管廊主體沉降為2.8 cm（見圖5），而L型通道沉降7.2 cm（見圖 6）。

圖5 控制中心最大沉降2.8 cm（為整體沉降）

由于L型通道上覆土厚度大于14 m，而主管廊頂覆土厚度為9 m，L型通道和主管廊結構剛度差異巨大，若L型通道與主管廊連接在一起，會造成L型通道與主管廊交點處結構扭曲，內力畸變，結構開裂。為解決這一問題，設計者在L型通道處設置特殊變形縫，將L型通道與管廊主體斷開，使得各自受力明確、變形協調，同時采用新型變形縫解決了防水問題。

由圖5、圖6可知，對于控制中心側，主體結構和通道在變形縫處的沉降差為36-31=5 mm。參照《建筑地基基礎設計規范》[3]對承重結構基礎的局部傾斜規定，管廊不均勻沉降應控制在0.002°，即應小于跨度的1/500。沉降差5 mm小于跨度6.8 m的1/500，即13.6 mm。對于出口側，其沉降差為72-36=36 mm，小于跨度24 m的1/500，即48 mm。

圖7 沉降變形縫設置位置圖（單位：mm）

圖8 沉降變形縫構造處理圖（單位：mm）

由于變形縫位置有不連續的3 mm沉降，將變形縫做特殊處理[4]，其處理圖示如圖7及圖8所示。

對地下管廊結構的差異沉降可采取以下設計措施及構造措施：

（1）建筑物的體型力求簡單（減少L形、T形、山形等）。

（2）增強結構的整體剛度，控制建筑的長高比，合理布置橫縱墻加強整體剛度。

（3）設置沉降縫。

（4）調整設計高程，避免覆土過大及過小情況。

（5）管廊設置圈梁增以強整體剛度。

（6）選用合適的斷面形式，如采用截面漸變來避免剛度巨變。

（7）減輕管廊頂板上建筑物高度，盡量使得管廊頂板所受壓力均衡。

（8）調整基底設計壓力，改變基礎底面覆土的抗力。

（9）減少覆土厚度差異，可在管廊頂建筑物內進行填土。

2 綜合管廊交叉節點

如果將綜合管廊設計成環網狀，則可以發揮其最大的功能。因此，這種情況下的綜合管廊有2種節點類型，即十字形和丁字形。交叉節點設計的時候必須考慮內部管線銜接和人員通行這2個問題。要解決上述2個問題，最常見也最有效的方式就是加寬、加高節點，還可以通過增加樓梯，設置夾層的方式解決，確保內部管線順利銜接和人員通道滿足要求。

由于交叉節點的構造復雜性，必須通過有限元模型進行整體分析，任何體系簡化所做的推算都有可能帶來很大的誤差。

對桐涇路北延線支管廊交叉節點（側壁雙向配筋）、虎金路交叉口（側壁設置扶壁梁）、金灣街交叉口主支管廊沉降差6 mm（斷開結構）所建立的有限元模型見圖9～圖11。

圖9 桐涇路北延線支管廊交叉節點有限元模型（側壁雙向配筋）

通過分析上述復雜節點的有限元模型，總結出以下設計經驗：

（1）復雜節點的內力為空間內力體系，其控制內力不再是傳統框架結構的My或Mx單一方向，結構的配筋有可能是雙向配筋。如圖9所示的支線管廊側壁，其控制內力為雙向，配筋計算時要配置雙向主筋。

圖10 虎金路交叉口有限元模型（側壁設置扶壁梁）

圖11 金灣街交叉口主支管廊沉降差6 mm（斷開結構）

（2）復雜節點由于結構外形及荷載條件突變，其迎土面側壁很容易發生不規則畸變，需配置扶壁梁或者暗梁來增加側壁剛度，減少變形。如圖10所示，需要在交叉處支管廊側壁增加扶壁梁以增加剛度、減少畸變。

（3）復雜節點的基底變形常常是不均勻的，要通過基底加固措施或改變主體管廊構造措施減少不均勻沉降。如圖11所示，通過將主管廊和支管廊進行斷開處理，可減少因基底的不均勻沉降而產生的結構開裂。

（4）對于結構強度變化較大的交線可通過設置加腋進行強度過渡。

（5）支管廊與主管廊銜接處宜設置變形縫，使得結構受力明確，避免因不均勻沉降帶來的結構開裂。

2.1 配控站節點沉降分析（彈性分析）

綜合管廊的通風口、投料口以及配控站節點均為較復雜的空間結構，必須通過詳細計算進行結構設計，優化構造使其受力合理，沉降協調。

以圖12所示的獨立電力排風口為例，該結構主管廊頂覆土11 m，電力配控站頂覆土7 m；電力配控站為五邊形異形結構，因為電力倉上覆土與水信倉、燃氣熱力倉上的覆土有4 m差異，造成管廊內力分布不均。

若地基不經過特殊處理，獨立電力排風口基礎會產生不均勻沉降，如圖13所示。若管廊下地基基礎不進行任何處理，則電力倉下變形為10 mm，燃氣倉下變形為42 mm，這種差異變形會導致結構側傾，因此必須對下部地基進行階差性地基處理，即對沉降較大的水信倉和燃氣倉基底進行地基硬化處理，使得燃氣倉和水信倉地基基底承載力比電力倉基底應力大20%以上。如圖14所示，改變階差性的土基應力后，可保證基礎不均勻沉降控制在《建筑地基基礎設計規范》[3]允許范圍之內。

圖12 K3+880獨立電力排風口有限元模型

圖13 地基處理前位移圖（管廊產生不均勻沉降）

圖14 地基處理后不均勻變形

對地基處理的方法如下：燃氣、水信倉底土質需采取地基處理措施，使地基承載力不小于225 kPa，電力倉及外掛需保證地基承載力不小于140 kPa。

2.2 配控站節點沉降驗證（非線性分析）

為了進一步驗證對避免基底不均勻沉降而進行的差異化地基處理手段的有效性，本次驗證以圖12所示的城北路管廊K3+880獨立電力排風口基底進行有限元非線性分析。采用Midas GTS NX軟件建模，用非線性方法進行修正摩爾庫倫理論分析，針對原土地基與部分換填地基2種情況作沉降對比分析。

管廊基底原位土為粉質黏土，其土層參數如表1所示。

對電力倉基底采用50 cm厚度的C20素混凝土進行局部換填，換填圖示見圖15。

圖15 基底處理圖示（單位：m）

若不對基底進行任何處理，基底會產生不均勻沉降，基底范圍內電力倉沉降4 cm，水信倉和燃氣倉基底最大沉降6.4 cm，管廊下土體變形呈V型，變形結果見圖16，導致管廊有差異沉降的風險。

圖16 換填處理前基底沉降圖

表1 管廊基底底土物理學參數

參照《建筑地基基礎設計規范》[3]對框架結構的不均勻沉降要求，主管廊橫向不均勻沉降應控制在0.002 L（L為相鄰柱基的中心距），未處理土體時，計算不均勻沉降值為64-41=23 mm，大于18 mm，不滿足上述規范要求。

換填處理后，地基沉降最大值由64 mm減小至58 mm，且基底沉降更趨于平均，應力擴散深度為3.97 m，沉降結果模型見圖17。管廊下土體變形呈U型，管廊整體均勻沉降。

圖17 換填處理后基底沉降圖

參照《建筑地基基礎設計規范》[3]對于框架結構的不均勻沉降要求，主管廊橫向不均勻沉降應控制在0.002 L，對管廊水信倉和燃氣倉基底進行處理后，計算不均勻沉降值為58-50=8 mm，小于18 mm，滿足上述規范要求。

需要說明的是，對于土體分別采用彈性分析和非線性分析，沉降結果有一定差異，但是變化規律是一致的，即通過差異化處理地基土可改變結構的差異化沉降。

3 結 語

在蘇州市城北路（金政街-齊門外大街）綜合管廊工程一標段（主管廊）設計中，對計算模型進行精細化分析，設計出合理的管廊結構，以滿足結構的變形、內力等一系列規范要求。對于交叉口節點、配控站、通風口、投料口等復雜結構，由于構造外形的特殊性，結構受力比較復雜，覆土不均和結構異形造成了管廊沉降不均，管廊有側傾、開裂的趨勢，設計采用了構造措施和設計措施，減少了管廊結構基礎的不均勻沉降。

在地下管廊的設計中，設計人員一定要重視結構的優化改進措施，對計算模型進行精細化分析，避免因結構不均勻沉降以及構造措施不當帶來的質量隱患。