綜合管廊施工中鋼筋混凝土管片襯砌性能研究

陳就坤

（深圳市水務工程檢測有限公司,廣東 深圳 518000）

1 前言

地下綜合管廊成為現(xiàn)代化大型城市市政工程的重要標志,它有利于市政設施的合理高效維護,顯著降低了維護成本,極大提高了各項市政設施的可靠性。姚源等[1]研究了多種混凝土摻加劑對地下管廊混凝土耐久性的影響,得出了各摻加劑對關乎耐久性的各關鍵指標的影響規(guī)律,為地下管廊混凝土的配置提供了可靠指導。王亮等[2-3]針對蘇州市夏季高溫高濕的氣候容易造成地下管廊內匯集露水,從而影響混凝土的強度的特點,設計了一套除濕裝置用于易出現(xiàn)該類狀況的地下管廊的除濕,并進行了原位試驗,結果表明,所設計除濕裝置能夠有效降低地下管廊內的濕度。胡志平等[4-5]針對某市廣泛分布的地裂縫,設計了模型試驗研究地下管廊在穿越地裂縫時的變形和破壞過程及特征,為類似穿越地裂縫的地下管廊的設計提供了幫助。張軍等[6-7]基于BP 神經網絡的基本理論建立了多因素量化工程施工質量的方法,為施工質量的前期控制在地下綜合管廊施工中的應用提供了幫助。王輝等[8]通過對施工現(xiàn)場相關資料的收集整理,分析了雙模掘進機在地下綜合管廊預制拼裝施工中的缺點,為新型掘進機的設計和改進提供了技術支撐。部分技術人員采用ABAQUS 軟件對現(xiàn)澆承插式管廊接頭部位的變形和破壞特征進行了分析,并與理論計算結果互相印證,為承插式管廊接頭部位可能出現(xiàn)的各類不良問題的治理提供了可靠的理論支撐。

本文結合某地下管廊實際尺寸,在FLAC3D 模擬地下管廊分步開挖施工,同時采用襯砌結構對開挖后的土體進行模擬襯砌施工,設置好相關數(shù)值模擬參數(shù)后,進行分步開挖施工計算,獲得管廊橫截面在施做襯砌前和襯砌后的應力云圖,得出襯砌的及時施做對控制管廊變形等具有巨大作用。

2 工程地質

地下綜合管廊位于廣東省深圳市內,將電力、通信,燃氣、排水等各種工程管線集于一體,實施統(tǒng)一規(guī)劃和管理,是保障城市運行的重要基礎設施和“生命線”。管廊剖面示意圖見圖1,管廊采用圓形截面,管廊直徑4m,埋深3 m,管片采用鋼筋混凝土預制管片,本次模擬中用到的黃土及混凝土襯砌管片的相關物理力學性質見表1。

圖1 城市地下管廊剖面圖

表1 巖土體物理力學參數(shù)

3 FLAC3D 中殼型結構單元

FLAC3D 軟件中提供了三種殼型結構單元,主要包括shell 單元、geogrid 單元和liner 單元,其中,針對不同的殼型結構單元,需要賦值不同的參數(shù),如表2所示,本次隧道開挖襯砌選用設置liner 單元模擬鋼筋混凝土襯砌施做。

表2 FLAC3D 中的殼型結構單元

4 模型建立

如圖2所示構建的模型,隧道頂部距地表3m,隧道內徑4 m,靠近隧道處,網格劃分較密,遠離隧道逐漸稀疏。模擬時,固定x=-5 面的x 方向節(jié)點速度,固定y=0 面的y 方向節(jié)點速度,固定z=-5 面的z 方向節(jié)點速度,固定x=5,y=5,z=5 面的x、y、z 方向節(jié)點速度,采用分不開完,每步開挖1 m。襯砌管片為鋼筋混凝土材料,各向同性,厚度0.2 m。

圖2 數(shù)值模擬模型圖

5 模擬結果

下面主要分析未加襯砌支護和加了襯砌支護后,Z 方向、X 方向應力分布規(guī)律。

（1）未加襯砌支護時,第一步開挖完成后

Z 方向應力云圖見圖3。由圖3所示Z 方向應力云圖,負值表示該部位正在承受壓縮變形,正值表示該部位正在承受拉伸變形,可知Z 方向最大張拉應力位于拱頂和拱底處,最大值為2.5×105N,這說明隧道橫斷面整體呈現(xiàn)下部上拱,上部下落的變形風險特征。這說明,在未加襯砌支護時,第一步開挖完成后,隧道在與重力方向一致方向上呈現(xiàn)出上部向下位移,下部向上位移,隧道豎直方向周圍圍巖由受力較大位置處向隧道內空洞發(fā)生位移變化,隧道周圍土體由受力較大處向臨空面無受力位置處發(fā)生位移變化。

圖3 未加支護時Z 方向應力云圖

由圖4所示X 方向應力云圖,同樣的,在此圖中有,負值表示該部位正在承受壓縮變形,正值表示該部位正在承受拉伸變形,可知X 方向最大張拉應力位于兩側拱腰處,最大值為2.5×105N,由X 方向應力云圖同樣可知,隧道橫斷面整體呈現(xiàn)兩幫向內擠壓變形特征。這說明,在未加襯砌支護時,第一步開挖完成后,隧道在與重力方向垂直的水平方向上呈現(xiàn)出左側向右側位移變化,右側向左側位移變化,隧道水平方向周圍圍巖由受力較大位置處向隧道內空洞發(fā)生位移變化,隧道周圍土體由受力較大處向臨空面無受力位置處發(fā)生位移變化。

圖4 未加支護時X 方向應力云圖

由以上X、Z 方向應力分析可知,應力集中區(qū)主要位于隧道的上部、下部和兩側處,有應力分布云圖可知,隧道整體呈現(xiàn)出拱頂下沉、拱底上升,兩幫向內收斂縮小的變形特征。

（2）加了襯砌支護后,第一步開挖完成時

及時施做管片襯砌后,Z 方向應力云圖見圖5。由圖5所示Z 方向應力云圖,負值表示該部位正在承受壓應力,正值表示該部位正在承受拉應力,可知Z 方向最大張拉應力位于拱頂和拱底處,最大值為2.5×105N,說明隧道在橫斷面上整體呈現(xiàn)出下方上升、上方塌落的變形風險特征。在這種情況下,盡管最大張拉應力值相較于未施做襯砌時相同,但是最大張拉應力范圍較未施做襯砌時的分布范圍,明顯縮小了很多。

圖5 加了襯砌后Z 方向應力云圖

圖6 加了襯砌后X 方向應力云圖

襯砌管片施做完成后,由圖6所示X 方向應力云圖,同樣的,在此圖中有,負值表示該部位正在承受壓應力,正值表示該部位正在承受拉應力,可知X 方向最大張拉應力位于兩側拱腰處,最大值為2.5×105N,由X 方向應力云圖可知,在橫斷面上,隧道整體呈現(xiàn)由兩幫向內收斂擠壓變形特征。在這種情況下,X 方向應力分布特征也有與Z 方向應力分布相同的特征,即盡管最大張拉應力值相較于未施做襯砌時相同,但是最大張拉應力范圍較未施做襯砌時的分布范圍,明顯縮小了很多。

由以上X 方向、Z 方向應力分析可知,橫斷面上,隧道最大應力集中分布于頂部、底部和兩側,整體變形特征相較于未施做襯砌時的變形特征相同,同樣呈現(xiàn)出四周向內收斂的總體特征,也即上部向下、下部向上,兩側向中間收斂的變形特征。但是,在施做了襯砌的這種情況下,盡管X 方向、Z 方向最大張拉應力值與未施做襯砌時的相同,但是X 方向、Z 方向最大張拉應力范圍明顯較未施做襯砌時的縮小了很多。

6 結論

（1）橫斷面上,隧道最大應力集中分布于頂部、底部和兩側,變形上呈現(xiàn)出四周向內收斂的總體特征,即上部向下、下部向上,兩側向中間收斂。

（2）相較于未施做襯砌管片時,襯砌管片施做后,X 方向、Z 方向最大應力區(qū)分布范圍明顯縮小。

（3）建議施工時,及時進行鋼筋混凝土管片襯砌施工,及時控制最大應力的繼續(xù)發(fā)展,以免造成安全事故。