长春市下穿伊通河河床段管廊上方覆土安全厚度分析

段文峰 尹思达 李 明

(吉林建筑大学 土木工程学院，长春 130118)

城市地下综合管廊对满足民生基本需求和提升市政基础设施建设施展着重要的作用[1],但在管廊过河床段建设问题中参考隧道施工方法，隧道与廊体却存在着形状、埋深等诸多不同的要素.本文采用软件建模分析与理论计算相结合的方式进行探讨.本研究所在位置在吉林大路下方与亚泰大街交汇，下穿伊通河的管廊过河段覆土厚度要求.通过考虑盾构机推进和抗浮，得到理论下最小覆土厚度要求.利用GOCAD和FLAC3D进行软件建模并分析，综合得出在未来按规划管廊过河床段建设中覆土厚度的可行性意见.

1 理论分析方法

常规非开挖方法主要参考隧道施工，由于在管廊过河段建设中不适用于明挖法，而盾构法作为暗挖法施工中的一种常用的施工方法，具有安全、经济、开挖快、有利于保护环境和降低劳动强度等特点，成为管廊过河的最优施工方法.所以本文采用盾构法开始下面理论分析方法介绍.

1.1 盾构机安全推进的最小覆土厚度

盾构机前进时会对前方土体施加推进压力,推进压力与前方土层关系如下[2]：

(1) 当其推进压力小于前方土体的主动土压力时,土体则将会坍塌至土仓中,覆土层破裂,河水沿裂缝涌入,造成严重的工程事故.

(2) 当其推进压力介于主动土压力与被动土压力之间时,前方覆土层产生沉降,与后续施工造成的沉降相叠加,影响总沉降量的控制.同时,由于前方土体被扰动,盾构机变得难以控制,盾构机推进压力作用点与土体土压力作用点难于重合于一条直线上,影响工程质量.

(3) 当推进压力介于静水压力与被动土压力之间时,可以使前方土体稍稍隆起,弥补后续沉降作用,是适于盾构机推进的最好选择.

(4) 当推进压力大于被动土压力时,前部覆土层破碎,河水涌入盾构,造成严重的工程事故.

根据上述分析,将盾构机推进压力维持在被动土压力和静止土压力之间为依据,得出盾构机推进的最小覆土层公式为[3](示意图见图1):

(1)

式中，h为盾构机安全推进的覆土厚度,m;Pg为土仓压力,kN;D为盾构外径,m;c为土的粘聚力,kPa;Kp为被动土压力系数;Hw为水深,m;γw为水的容重,kN/m3;γw′为土的浮容重,kN/m3.

图1 盾构机推进覆土厚度公式示意图Fig.1 Diagram of the earth thickness formula of the shield machine

图2 抗浮要求覆土厚度公式示意图Fig.2 Diagram of the thickness formula of anti floating requirement

1.2 满足抗浮要求最小覆土厚度

廊体穿过饱和土层的部分会受到土层中孔隙水的浮力[4],当浮力大于上部覆土和管廊以及内部重力之和时，廊体将上浮，发生危险.同时，壁后注浆的浆液也会对廊体产生浮力，而且比饱和土带来的浮力大得多，并且盾构机推进导致地基卸载，廊体在地基回弹作用下会向上偏离.浮力和地基回弹的共同作用下，覆土层易产生隆起，若得不到控制则容易发生土层破裂，河水涌入，严重影响廊体和施工的安全.考虑盾构机前进时导致的土层损失与地基回弹作用相抵消，廊体上方最小覆土厚度计算公式[1]为(示意图见图2):

(2)

式中，h为满足抗浮要求的覆土厚度,m;R0为廊体外半径,m;γy为壁后注浆混凝土容重,kN/m3;R1为廊体内半径,m;rc为管片混凝土厚度,m;γw′为土的浮容重,kN/m3.

2 模拟分析

2.1 软件简介

GOCAD(Geological Object Computer Aided Design)是主要应用于地质领域的三维可视化建模软件，具有强大的三维建模、可视化、地质解译和分析的功能.GOCAD可以将重要数据可视化，利用模拟自然物体而单独设计的插值方法，近似于微分方程的有限元方面，用一系列具有空间实体物理性质、相互关联的点来模拟地质体，已知的空间和属性信息转化为线性约束，引入到模型生成全过程.该软件可以对每一个空间几何对象赋予真实的地质信息，为分析做准备[5].

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)能够模拟分析岩土质、其他材料等三维结构受力特征和塑性破坏流动问题，并通过调整三维网格中多面体单元拟合实际结构.当材料在外力作用下发生位移后，网格能够适应相应的移动及变形.FLAC3D采用混合“混合离散法”对材料的塑性流动和破坏进行模拟，此法将土体看成不连续介质，允许土体发生移动、分离、旋转，所以能够比较真实地模拟土体的在力作用下的变形过程[6].

GOCAD强大的三维可视化建模能力和FLAC3D分析能力，正适用于本问题模拟分析.

2.2 GOCAD建模过程示意

简述其建模思想为我们将各钻孔数据收集整理为原始钻孔数据库，建立井模型，然后根据各个井的分布情况形成土层界面，最后生成体，构成三维地质模型[7].具体流程见图3.

图3 GOCAD建模流程示意图Fig.3 Schematic diagram of GOCAD modeling process

图4 FLAC3D求解流程示意图Fig.4 Schematic diagram of FLAC3D solution process

2.3 FLAC3D处理及分析示意

在模型大致完成的基础上，需要对模型进行前期处理，将廊体对应位置挖出单元，插入同步注浆单元与廊体单元.输入各个土层对应荷载，设置边界条件，定义材料性质后，进行初始应力平衡，完成分析模型的建立.在上表面加载其对应的水荷载，进行模拟并求解，等待计算过程后，得出计算结果[8].如图4为FLAC3D求解流程.

3 工程实例

3.1 工程背景

如图5所示，按规划研究所在区域为亚泰大街东侧，长春大桥附近，平行于吉林大路进行下穿伊通河的管廊建设.地势总体坡度较小，两侧稍高，中间较低，研究所在区域的地貌类型为松辽波状平原东缘与吉东山地接址带，地貌单元由西向东依次为：长春市波状台地、伊通河一级阶地.蕴藏着较丰富的地下水资源.本次勘察主要涉及到与地铁工程建设有直接影响的是地下潜水.本次勘察实测地下水稳定水位埋深0.00m～5.10m，稳定水位高程介于232.28m～231.96m.

图5 管廊过河段规划位置示意图Fig.5 Diagram of the planning of the pipe gallery crossing the river

3.2 建模及模拟

图6表明，河床并不平整，呈现凹凸不平的趋势，因此，本文讨论覆土层厚度取其最危险位置即最小覆土层厚度高程为222.08m处.研究表明[9]，盾构机的推力仅在管廊宽度和高度的3～5倍左右影响周围土体的应力和应变，因此模型的计算边界应为管廊宽度的3～5倍.为了消除边界效应的影响，模型的底部在管廊最近边缘处为18m，管廊两侧的最近边缘为24m，上侧取至伊通河的底部.坐标远点位于圆形管廊的中心.Y轴的轴线是沿着管廊的轴线，X轴是管廊横向方向.管廊模型横向为54m，纵向为130m，高度为40m.

图6 盾构机下穿区段地质剖面图Fig.6 Geological section of the lower section of the shield machine

根据测孔数据，在GOCAD中建立三维地质模型见图7.

将模型导入FLAC3D中，挖出廊体位置，插入刚体廊体单元和其同步注浆单元见图8，图9.

输入相对应荷载，在FLAC3D中形成模型见图10.

图7 GOCAD三维地质模型图Fig.7 Diagram of GOCAD 3D geological model

图8 廊体单元图Fig.8 Diagram of pipe gallery unit

图9 同步注浆单元图Fig.9 Diagram of synchronous grouting unit

图10 FLAC3D模型图Fig.10 FLAC3D model diagram

3.3 优化分析及结果

3.3.1 优化分析

为了研究盾构区间不同覆土厚度对隧道稳定性的影响，分别建立了3个不同埋深条件Hi(Hi=13m,16m,19m,i=1,2,3)下的开挖工况.根据盾构机手册规定，按照土体埋深考虑静水压力及土体压力，假设盾构机掘进压力为300kPa，如表所示.因为过伊通河段隧道区间较长，且伊通河东西岸的工程地质特征不一致，故选取了几个有代表性的分析区段.

表1 施工工况Table 1 Construction condition table

3.3.2 优化结果

(1) 如图11所示，在埋深13m条件下,廊体最大形变出现在拱顶、拱肩即为图中蓝色位置,最大形变量为7.28mm,最大沉降为6.4mm即图中红色位置.

图11 埋深13 m位移图Fig.11 Displacement at depth of 13 m

图12 埋深16m位移图Fig.12 Displacement at depth of 16 m

(2) 如图12所示，在埋深16m条件下,廊体最大形变出现在拱顶即为图中蓝色位置,最大形变量为8.1mm,最大沉降量为6.98mm即图中红色位置.

(3) 如图13所示，在埋深19m条件下,廊体最大形变出现在拱顶即为图中蓝色位置,最大形变量为9.29mm,最大沉降量为7.9mm即图中红色位置.

图13 埋深19 m位移图Fig.13 Displacement at depth of 19 m

在相同的推进压力施工条件下，最大变形出现在拱顶、拱肩位置处.变形范围与埋深呈正相关，在19m埋深条件下的廊体的变形影响范围明显大于13m，16m的情况，拱顶和拱底的位移同与埋深呈现正相关，19m埋深条件下拱顶最大沉降9.3mm，16m埋深条件下沉降8.1mm，13m埋深条件下最大沉降7.3mm，均在20mm内，满足要求；且地层变形左右都以对称形式分布，廊体拱顶的沉降值和拱底的隆起值随覆土厚度的增长而增长，且增幅随着覆土厚度的增长而增长，可见埋深越大，廊体的变形越大.

4 结论

本文以规划研究位置为依托，采用软件建模分析与理论计算相结合的方式探讨了该位置的管廊过河段建设中覆土厚度要求.得出以下结论：由理论分析过程当中考虑盾构机推进及抗浮要求，获得理论条件下最小覆土厚度要求；由软件建模分析得出，管廊的变形量、沉降量与廊体埋深呈正相关，所以最大覆土厚度要求由廊体变形确定.总而言之，覆土厚度范围由理论确定最小厚度、实际工况与廊体变形要求共同确定.