地下综合管廊支护用钢管桩抗弯刚度分析

魏振豹 王金鹏

（中铁十七局集团第三工程有限公司 河北石家庄 050081）

1 引言

随着城市化进程不断加快，城市人口急剧增长，各类地下管线也明显增多。地下综合管廊是指在城市地下用于集中敷设电力、通信、给水、排水、热力、燃气等市政管线的公共隧道。围护结构、基坑开挖与回填是管廊建设的主要内容。钢管桩连续墙成套技术是一种深基坑围护结构形式，具有施工速度快、施工环境安全可靠、环保、灵活、经济等优点，同时具有防水性能好、结构整体性能好的优点。

在支护结构设计计算中，钢管桩的抗弯刚度是一个重要参数，其直接关系到围挡结构的变形。近年来，国内外对钢管混凝土抗弯力学性能进行了大量的研究工作，包括钢管混凝土的承载能力和抗弯刚度的研究。Varma［1］等人对采用高强混凝土的方钢管混凝土梁柱进行了静力和拟静力试验研究；Elremaily［2］等人对圆钢管混凝土梁柱进行拟静力试验，试验结果表明截面换算刚度K＝EcIc＋EsIs，可近似作为圆钢管混凝土的刚度。在钢管混凝土抗弯力学性能的试验研究方面，杨有福［3］、蔡绍怀［4］、潘友光［5］、卢辉［6］等人开展了一系列工作。此外，数值计算方面，李黎明［7］等对试验和数值分析曲线进行拟合得到钢管混凝土构件弹性阶段的抗弯刚度，并提出了简化计算式；陈兰响［8］等利用有限元软件对型钢-圆钢管混凝土的短柱轴压、长柱失稳和构件的抗弯力学性能进行了研究；臧华［9］等推导了钢管混凝土构件在受弯极限状态时的抗弯承载力计算式。在支护结构方面，微型钢管桩构件抗弯力学性能的研究较多，孙书伟等［10］认为微型桩的抗弯承载性能须通过相应的试验确定；王少杰等［11］指出微型钢管桩需考虑桩体水泥砂浆对抗弯承载力的贡献；吉伯海等［12］通过对圆钢管轻集料混凝土构件抗弯性能试验发现填芯材料对提升构件的抗弯能力效果显著。

支护钢管桩打入土体时，土体会挤入钢管内形成带土塞的土体钢管桩，其力学性能特别是抗弯刚度的研究目前鲜有报道，设计时仅基于钢管的抗弯参数进行计算。随着桩径的增加，进入钢管内的土体越多，加之其与普通钢管混凝土构件在尺寸上有较大的区别，且填芯材料的性质也不完全一致，这种材质上的区别及尺寸效应的影响需要通过测试试验与理论计算相比较确定。所以有必要对刚管桩的抗弯受力变形特性展开研究，为合理设计提供科学依据。本文结合南京江北新区地下管廊项目，通过对直径1 000 mm、壁厚10 mm管廊支护用钢管桩的现场监测数据和设计计算值进行对比，同时参照钢管混凝土的计算方法开展分析，以获得钢管桩的抗弯刚度。

2 工程概况

2.1 项目简介

江北新区核心区综合管廊建设工程是全国城市建设区规模最大的综合管廊之一，综合管廊二期工程位于江北新区核心区及其周边地区的18条路段，工程全长53.41 km，含管廊干线和管廊支线，干线综合管廊31.29 km，支线综合管廊22.12 km。本次建设的管廊舱室分为单舱、双舱和四舱。入廊管线为电力、通信、给水、中水、垃圾、污水、雨水、燃气、空调热气管等。

拟建四舱综合管廊断面设计为11.8m×4.15m，单舱综合管廊断面设计为5.3 m×4.15 m。埋深约7.0 m，管廊底标高0.3 m，覆土约3.0 m；下穿石佛大街段（倒虹段）综合管廊埋深约9.5 m，管廊底标高-2.55m，覆土约5.0m。拟采用明挖法施工，现浇钢筋混凝土结构，结构安全等级为一级，设计使用年限为100年，抗震设防分类为重点设防类（乙类）。

2.2 工程地质条件

拟建工程所在范围地形特点可概括为“北部山体、中部丘陵、南部水网平原”的态势。拟建管廊位于江北新区，属长江漫滩地貌单元，主要覆盖第四纪松散沉积物。因城市道路建设改变了原来的地貌形态，场区现状为城市道路，地势较平坦，各孔口高程一般5.96～8.03 m，高差起伏约2.07 m。

根据勘探揭露，浅部主要覆盖为较厚的第四纪松散沉积物（粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土夹粉土、粉砂）及中晚更新统沉积物（粉细砂、含砾中粗砂），底部基岩为浦口组泥质砂岩。勘探深度范围内揭露的土层分布，按其成因、类型、物理力学性质指标的差异划分为5个工程地质层和若干个地质亚层。

①-1杂填土：土质不均匀，结构松散，强度变化大，上部为杂填土，夹碎石、砖块等建筑垃圾；下部为素填土，以黏性土为主，含植物根茎及有机质，工程性质差。

①-2素填土：松散，主要成分为软可塑状黏性土夹少量植物根茎。

②-2淤泥质粉质黏土：含少量的腐殖质，淤臭味较重，夹粉土薄层，局部夹粉砂薄层，切面稍光滑，无摇震反应，韧性、干强度中低，流塑，对围护结构不利。

②-3粉质黏土夹粉土：见少量的腐殖质，夹粉土、粉砂薄层，切面稍光滑，无摇震反应，韧性、干强度中低，软塑。

基坑影响深度范围内土层主要设计参数如表1所示。

表1 基坑围护设计参数

2.3 地下水类型

场地内地下水类型主要为松散岩类孔隙水，松散岩类孔隙水可分为孔隙潜水和微承压水。其中，场区潜水含水岩性主要由①层填土组成，埋深浅，勘察期间量测的潜水水位埋深初见1.5 m、稳定于1.3 m，历史及近3～5年最高地下水位埋深0.50～1.50 m；场区微承压水含水岩性主要由②-2c3粉土夹粉砂、②-3d2粉砂层组成，其沉积物多呈二元或多元结构，夹粉质黏土透镜体或薄层，沉积物颗粒不均。勘察期间，测得微承压水水位埋深为2.4～4.1 m。

孔隙潜水主要补给来源为大气降水、地表水入渗、灌溉水回渗。因区内地势平坦，地下水径流比较滞缓，水力坡度仅在千分之几至万分之几，排泄方式以自然蒸发、向长江等地表水体排泄以及少量的人工开采为主。微承压水主要补给来源为上部孔隙潜水下渗和长江水的侧向渗流，排泄方式以径流及向长江水体侧向渗流为主。

2.4 基坑概况

根据岩土工程详细勘察报告及地形图中周边道路标高，取0.00为现状地坪绝对标高6.62 m，基坑开挖深度为9.50 m。本工程基坑形状呈不规则长条形沟槽。

拟采用钢管桩连续墙围护型式，钢管桩连续墙的型号选用φ1000×10@1600，围护桩有效长度15.0 m。本工程设置两道水平钢支撑，支护剖面如图1所示。

图1 地下管廊支护剖面（单位：mm）

3 计算分析

为了分析支护用钢管桩的抗弯刚度，从工程实测数据中挑选分布较好的3根钢管桩在开挖结束后的水平位移测试数据，并与空心钢管桩的水平位移计算值进行对比，然后通过调节钢管桩的抗弯刚度，以使其水平位移与实测值吻合，以确定钢管桩抗弯刚度的增量。

依据本工程地质勘察报告，表2为选出的3根钢管桩位置处的土层分布情况，为后期的计算做准备。

表2 三根钢管桩位置处土层分布

采用基坑支护设计软件，对所挑选的3根钢管桩在开挖过程中的水平位移情况进行计算，并与调整刚度后的计算值以及实测值绘制于图2～图4。由图可知，3根钢管桩水平位移的实测值均小于空心桩的计算值，表明钢管桩内的土塞对其抗弯刚度有贡献。

图2 1#钢管桩位移对比曲线

图3 2#钢管桩位移对比曲线

图4 3#钢管桩位移对比曲线

为进一步确定土塞对钢管桩抗弯刚度的贡献大小，可调节钢管桩的抗弯刚度进行分析。考虑到抗弯刚度EI由弹性模量和惯性矩相乘而得，为保证截面尺寸不变，可通过调节弹性模量来改变抗弯刚度，计算结果见表3。

表3 钢管桩抗弯刚度增量分析

由表3可知，通过对空心钢管桩调增3%～5%的抗弯刚度，可使得计算值与实测值几乎完全吻合，位移也相应地减小，但位移的降幅与刚度的增幅不一致。其中的原因比较复杂，首先位移是应变的积分，抗弯刚度只与应变成反比，但与位移不成比例关系；其次是钢管桩抗弯刚度的变化，会导致支护结构各部件的刚度比发生变化，进而影响各构件的内力分布发生变化。

对于钢管混凝土，其抗弯刚度计算式为：

式中，Es、Ec分别为钢材及混凝土的弹性模量；Is、Ic分别为钢材和混凝土的截面惯性矩；m为混凝土的贡献程度系数（AISC360-10取0.8，AIJ（2002）取0.2，EC 4取0.6，DBJ13-51-2010取0.8）。

如果土体的弹性模量按60 MPa考虑，将刚管桩的参数代入式（1），可得土塞的抗弯刚度贡献度在1%左右，但根据实测值和计算值的对比可反推得到土塞的抗弯刚度贡献度达到3%～5%，可见钢管桩在施工过程中，土体被挤入桩体后其物理力学参数将有所增加。

总体而言，钢管桩内的土塞对其抗弯刚度有一定的贡献，但贡献较小，在实际设计过程中可按安全储备考虑，所得结果可作为支护用钢管桩设计时的参考。

4 结论

本文通过对3根地下综合管廊支护用钢管桩的水平位移实测值和计算值对比分析，可得出如下结论：

（1）地下综合管廊支护用钢管桩内土塞可以提高钢管桩的抗弯刚度，较空心钢管桩提高幅度为3%～5%，可作为设计时的安全储备。

（2）将钢管桩抗弯刚度实测数据的反推值与理论计算值相比，可知挤入桩内的土体物理力学参数会有较大提高。