巖溶地區下綜合管廊倒虹吸結構模擬設計與施工技術

毛文忠

（上海建工五建集團有限公司，上海 200063）

0 引言

近年來，綜合管廊作為提升城市功能、促進建筑業轉型的重大國家導向，在規劃、設計、建設方面得到了快速的發展。我國復雜多變的地質條件，對地下管廊建設提出了大量嶄新的要求。

本溪地下綜合管廊位于北方喀斯特溶巖地貌區，是該地質條件下的首次嘗試，也是本溪第一個 EPC 總承包模式下的市政管廊工程。

通過物探、鉆探綜合勘察確定溶洞的位置和規模，確定可溶巖、溶洞填充物、上覆地層的物理力學指標，從空間和物性上掌握巖溶地基的特征，在此基礎上展開理論分析與數值計算確定最不利工況下管廊內力和變形，溶洞的存在對于地下綜合管廊的應力和沉降都有影響，對覆蓋型巖溶區地下管廊地基處理技術采用增加管廊鋼筋混凝土頂、底板厚度來跨越溶洞方法處理技術。

1 工程實例概述

本溪地下綜合管廊（見圖 1）位于明山區威寧大街沿線，東西走向，南側依附太子河流域，項目總長度 6.22 km，其中包含三處倒虹吸施工段，倒虹 A1 位于 K0+987～K1+053，長 66 m；A2：K3+504～K3+571，長 67 m；A3：K5+002.5～K5+078.77，長 76.27 m；結構形式均為平行三艙，頂板、外墻厚度為 700 mm，內墻 300 mm，基礎底板厚度為 750 mm，總寬 10.3 m，高 5 m；威寧大街沿線無設計保留河道，沿線共設有 3 根雨水箱涵由北向南橫穿道路后將雨水引入太子河，根據箱涵設計資料，3 根雨水箱涵均為雙孔箱涵；上述 3 根雨水箱涵標高均與威寧大街綜合管廊標高沖突。本工程考慮采用綜合管廊倒虹的形式下穿雨水箱涵。

圖1 倒虹吸段工程平面圖

2 倒虹段地下溶洞空間分布勘查及定位技術

2.1 溶洞物探空間分布勘查

為準確定位地下巖溶位置，根據地震映像法基本原理，根據工程地震波在不同巖性、界面、裂隙中的傳遞反射規律，展開巖溶區巖溶發育程度勘察，采用 SE2404 工程地震儀對溶洞位置展開物探法勘察，通過詳勘、補勘多階段勘察最終確立了溶洞在地基中發布的空間特征。

首先，根據地下管廊結構特征布設綜合勘探孔，針對巖溶較發育地段布置 3 條測線；對于巖溶特別發育、頂底跨度較大且成群分布地段加密至 4 條，對于巖溶發育一般地段，僅針對鉆孔控制一側布置 2 條測線，測線間距一般為 5 m，加密段間距為 3.3 m。然后，采用大錘敲打震源，形成地震波在土層地基下介質中傳播，采用地震波的強弱、頻譜、振幅、波長和反射波的傳播時間和空間的尋找來確定溶洞位置［1-3］，如圖 2 所示。

圖2 SE2404 工程地震儀工作圖

2.2 數據處理流程

數據處理流程為：調用反射波采集數據文件→道平衡→濾波→速度分析→動校正→水平疊加→時深轉換→數據處理結果。

2.3 溶洞工程勘查與定位技術

根據波形走向，地勘鉆探深度除應滿足倒虹吸段基坑開挖深度的 1～3 倍，同時應滿足基坑開挖、地下水控制、支護設計、基坑抗浮及施工的要求，該部分地段為石灰巖地區，巖溶強發育，為探明巖溶分布情況，鉆孔深度達到 30.0 m。當設計深度內揭遇基巖，則鉆孔進入中風化巖層后連續 3 m 且深度≥15 m 時可終孔。

3 倒虹段框架結構模擬與計算比選

3.1 倒虹吸段施工概述

1 # 雨水箱涵位于 K1+010 處規劃相交道路，箱涵頂面標高 121.70 m，內地面標高 118.00 m，頂板覆土厚度約 3 m；2 # 雨水箱涵位于 K3+540 處規劃相交道路，箱涵頂面標高 124.65 m，內地面標高 120.95 m，頂板覆土厚度約 3.1 m；3 # 雨水箱涵位于 K5+043 處規劃相交道路，箱涵頂面標高 126.67 m，內地面標高 122.97 m，頂板覆土厚度約 3.8 m，施工剖面圖如圖 3 所示。

圖3 倒虹段布置施工剖面圖（單位：mm）

上述 3 根雨水箱涵標高均與威寧大街綜合管廊標高沖突。本次考慮采用綜合管廊倒虹的形式下穿雨水箱涵。管廊外頂面與箱涵外底面保持約 500 mm 間隔。

3.2 倒虹吸段溶洞數值的模型建立

3.2.1 模型的建立

針對串珠狀溶洞分別對倒虹吸段綜合管廊的應力與沉降的影響進行研究，且串珠狀巖溶工況采用倒虹吸段管廊區域進行模擬。溶洞分布位置為中段管廊正下方，兩溶洞間距取物探資料里的實際工況中的距離 0.4 m，溶洞距管廊距離為 2.4 m，兩溶洞可簡化為兩個半徑為 4 m 的球體。巖溶工況示意圖如圖 4 所示。

圖4 串珠狀溶洞工況圖

3.2.2 溶洞巖溶對地下綜合管廊的影響

1）底側溶洞的不同半徑對地下綜合管廊的影響。針對底測溶洞不同半徑的工況進行數值模擬，研究其對地下綜合管廊的影響。如圖 5 所示可以看出，管廊整體沉降隨著底側溶洞半徑增大而增大，當底側溶洞半徑超過頂側溶洞半徑時，管廊的整體沉降增長率將會逐漸擴大。

圖5 底側溶洞半徑下的管廊沉降曲線

2）底側溶洞的高度對地下綜合管廊的影響。如圖 6 所示可以看出，管廊所受最大應力值與底側溶洞高度之間的關系曲線斜率未發生顯著變化，原因是高度變化未使頂側溶洞頂板的跨中彎矩增加，土體未出現應力重分布現象，因而對管廊所受應力的影響效果不夠明顯。如圖 7 所示得知底側溶洞高度變化未對管廊的整體沉降產生顯著影響。底側溶洞的高度并未對頂側溶洞頂板的撓度造成影響［4］。

圖6 底側溶洞高度對管廊應力值的影響圖

圖7 底側溶洞高度下的管廊沉降曲線

綜上所述，針對串珠狀溶洞分別對地下綜合管廊的應力與沉降的影響不大，同時得出結論當孔徑小而深的溶洞在巖石的上部更接近管廊時，采用跨越法處理非常適合，不用大規模鉆探灌漿施工［5-7］。

3.3 倒虹吸段結構設計計算比選

3.3.1 標準段框架結構計算

模擬分析得出地下綜合管廊的結構內力以及變形情況，采用閉合框架結構模型。對于結構底板的基底反力分布應結合地基條件具體確定。

采用彈性地基梁模擬計算，圖 8～圖 10 所示為采用有限元分析軟件對管廊斷面進行受力分析。

圖8 450 mm 壁厚計算簡圖

圖9 450 mm 壁厚彎矩計算

圖10 450 mm 壁厚剪力計算

根據原工程勘察及可研報告資料，威寧大街綜合管廊標準段設計壁厚為 450 mm，底板厚 500 mm，頂板厚 450 mm。根據上述數據對原結構進行復算，結果如下。

根據計算，管廊側墻如取 450 mm（C35），抗剪能力不滿足要求（V=498 kN＞0.7βhftbh0=434.11 kN 截面不足），需要在支座范圍內增設抗剪鋼筋，同時支座配筋須Φ8@100 才能滿足 0.2 mm 裂縫要求（配筋率達 1.37 %），因此截面取 450 mm 不合理。

3.3.2 倒虹吸段框架結構計算

本工程設計中對標準段結構尺寸進行優化復算后，確定本工程威寧大街地下綜合管廊倒虹吸段設計壁厚按 700 mm、底板厚按 750 mm，頂板厚按 750 mm 考慮。具體計算如圖 11 所示。

圖11 框架計算模型及結果

綜上所述，采用有限元分析軟件對管廊斷面進行受力分析，倒虹段框架結構頂底板計算是合理的，經過計算倒虹吸段結構設計厚度比普通標準段結構要厚，可以使工程更加安全可靠。

4 倒虹吸段現場施工

4.1 降水

根據倒虹吸段勘察物探溶洞的分部情況，在倒虹吸段采用新型的降水技術來滿足現場降水的要求，結合現場實際管線布置，預防溶洞位置出現降水倒流發生。

降水井機械采用 CZ-75 型，沖擊鑿井機結合鋼管直接成井，鉆探井孔徑 Φ400 mm、Φ273 mm，鉆孔孔徑＞600 mm，鉆孔深度應滿足降水井設計深度 12 m 及進入風化巖 0.5 m 以上。過濾管直徑 Φ400 外面采用主筋 6Φ18，加強筋采用 Φ14@300，主筋間綁扎竹桿，外包一層尼龍網，過濾器長度按圖紙要求。濾料圍填完成后，接上空壓機進行空壓機洗井，壓縮空氣（壓力為 0.8 MPa，排氣量為 12 m3/min），吹出管底沉淤，清洗到清水為止，再用污水泵循環抽洗，抽洗時間＞24 h（見圖 12）。

圖12 空壓機洗井原理示意圖

4.2 施工難點及措施

1）由于排水管線是沿路邊鋪設，在鋪設過程中有過街或過路區域，所以在過街區域為避免對路面造成破壞和不影響道路使用，威龍路口采用 7 根直徑 159 mm 壁厚 5 mm 鋼管分流，鋪在過街處上下滿鋪碎石同時共用 16 塊 20 mm 厚鋼板滿鋪路面，鋼板尺寸 6 m×2 m。同時太子河排水出口處鋪設 15 根直徑 159 mm 壁厚 5 mm 鋼管分流，并明鋪在過街處上下滿鋪碎石同時共用 13 塊 20 mm 厚鋼板滿鋪 12.2 m 寬路面，鋼板尺寸 12 m×2 m，并橫向通長焊接間距 1 m 直徑 22 mm 鋼筋防滑條，保證路面正常使用（見圖 13）。

圖13 沿路邊鋪設排水管線示意圖

2）鄰近施工場地需過街區域，由于施工場地常有重型機械車輛通過，現需將排水管倒虹處理，所以該區域要求施工迅速不影響其施工，同時焊接質量需要保證避免返工影響其他施工場地施工。

5 結論

結合巖溶地區下綜合管廊倒虹吸段結構模擬設計與施工技術，通過物探技術并結合地質勘察手段尋找溶洞，在工程勘測中發現倒虹吸中段底部有串珠狀溶洞，現根據實際工程情況進行溶洞模擬建立，采用彈性地基梁模擬計算，采用有限元分析軟件對管廊斷面進行受力分析。實踐證明倒虹段框架結構運行安全，該技術值得推廣應用，為類似管廊倒虹吸段工程施工，提供了可靠的施工數據及豐富的管理經驗。Q