综合管廊下穿三污干管施工沉降分析

李 勇,陈 斌

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.长三角城市基础设施科学研究院，浙江 杭州 310011)

0 前 言

地下综合管廊可以提升地下管线建设管理水平、保障城市安全、完善城市工程、美化城市景观、促进城市集约高效和转型发展，有利于提高城市综合承载能力和城镇化发展质量[1]。2017年，杭州市被国家建设部选为第二批管廊建设试点城市，管廊成为杭州市的重点建设内容[2]。为实现管廊建设的真正用途，管廊必须形成网状后才能发挥作用，而城市内建设管廊受限交通、地下管线、作业空间，局部必须采用非开挖技术。但在地下综合管廊建设过程中也会遇到很多难题。比如综合管廊的建设大多数会遇到穿越铁路、公路、河流等障碍问题，如何在保证道路交通功能的条件下完成对障碍物的穿越成为近年来非开挖工程界的热点问题[3]。

1 项目概况

杭州市德胜路(机场路-九环路)地下综合管廊标准段为三舱结构，分别为电力舱、水信舱及燃气舱，结构净尺寸为9.4 m×3.5 m。标准段采用明挖法施工，下穿沪杭甬高速公路及下穿污水干管段采用顶管法施工，其中下穿沪杭甬高速段长154.65 m，下穿污水干管段长106.45 m，顶管总长261.1 m，矩形管廊管节外轮廓尺寸为7.5 m×5.4 m，顶板和底板厚度为0.55 m，中隔墙厚度为0.30 m，标准管节长度1.5 m，钢筋混凝土管节设计强度为C50，抗渗等级为P10。暗挖段采用的两台中铁装备的“双子星”矩形顶管机，两层六刀盘布置形式，相邻刀盘的切削区域相互交叉，断面开挖覆盖率达到93.2%。

项目施工地段车流量大、交通繁忙，施工地层又主要为粉质黏土，极易造成地面下沉，掘进难度极大。项目最大难点段在下穿三污干管段，该段采用土压平衡矩形盾构顶管法施工，顶管段具有以下主要特点：开挖断面大、覆土埋深较浅、结构间距小、管线距离近、沉降要求高。矩形盾构顶管管节断面达到7.5 m×5.4 m，而目前在国内已经成功应用施工的城市为数不多，借鉴条件有限；顶管结构顶距离三污干管底最近距离仅为4.25 m；顶管结构之间间距小，下穿三污干管段两条矩形盾构顶管净间距仅为3 m，推进长度达到106.5 m，施工难度大。在施工过程中，需要关注的是沉降较大值以及附加弯矩较大点。对该段由管廊施工对污水管造成的沉降采取有限元软件和现场监测采取数据进行分析。

2 顶管施工监测

“盾构式”顶推施工的施工监测工作尤为重要，通过监控量测了解顶管施工过程中顶管结构受力的动态变化，了解顶进过程对顶管上方及周边土体变形的大小，准确掌握各过程的薄弱环节；通过监控量测，收集相应工程数据，为以后的工程设计、施工及规范修改提供参考和积累经验，并可以和计算结果比较，完善计算理论。

2.1 基于现场监测数据的下穿三污干管沉降分析

下穿三污干管的顶管监测点及降水井布置见图3.1，分析施工过程中沉降问题对三污干管的影响，关注沉降较大值以及附加弯矩较大点。依据监测单位数据，绘制几个最大沉降点的累计变形随时间变化曲线、相邻点沉降差异曲线，来对比相邻点沉降差异计算得出产生的附加弯矩，监测三污干管稳定情况。

2.2 直污水管沉降及附加弯矩分析

直污水管监测点布置图见图1，并通过现场监测数据绘制较大沉降点G33、GX40、GX41、GX43、GX44累计变形曲线并进行分析。

图1 GX1-GX29累积变形曲线

分析：从监测数据知，GX33监测点经历了缓慢下沉后较快隆起后又较快下沉，累计变形最小为-5.1 mm，最大为-12.77 mm。从6月13日起到6月30日，GX33累计变形从-5.1 mm到-10.15 mm，累计变形速率为-0.3 mm/d，从6月30日起到7月3日，GX33累计变形从-10.15 mm到-7.69 mm，累计变形速率为0.87 mm/d，从7月3日起到7月10日，GX33累计变形从-7.69 mm到-12.77 mm，累计变形速率为-0.71 mm/d。

分析：GX40、GX41、GX43、GX44先平缓下降，到管廊顶推开始与三污干管交叉开始快速下降，累计变形最大为监测点-21.9 mm，累计变形速率为1.63 mm/d。同时可以看到GX40、GX41、GX43、GX44开始曲折回升，这说明随着顶管的继续推进，最大累计沉降逐渐变化，且随着距离盾构机越远，变形影响变小。

分析：由沿污水管方向各点变形曲线，可以得到。

1)GX33、GX34、GX35三点组成曲线，曲率半径为2 580 m，弯矩为51.11 kN·m

2)GX39、GX40、GX41、GX43、GX44五点组成曲线，曲率半径较小为4 065 m，弯矩较大为32.44 kN·m，

3)GX49、GX50、GX51三点组成曲线，曲率半径为1 906 m，弯矩为69.19 kN·m

4)相邻点差异沉降较大点：GX33到GX34为5 mm，两点相距5.7 m，转角为0.05°；GX49到GX50为4.23 mm，两点相距3 m转角为0.08°。

2.3 弯污水管沉降及附加弯矩分析

由于最大沉降值出现在直污水管，故对弯污水管绘制相邻点沉降差异曲线，通过对比相邻点沉降差异计算得出产生的附加弯矩。

由弯污水管方向各点变形曲线，可以得到。

1)GX7GX8GX9三点曲率半径450 m，弯矩最大293.07 kN·m；

2)GX21GX22GX23三点曲率半径153 m，弯矩最大816.9 kN·m；

3)相邻点差异沉降较大点：GX7、GX8为6.09 mm，两点相距6 m，转角为0.05°；GX21、GX22为5.56 mm，两点相距3 m，转角为0.1°。

结论：由监测数据看出，尽管GX40、GX41、GX43、GX44四点沉降较大，但是曲率半径较大，管内附加弯矩较小，而对于GX21、GX22、GX23由于相邻测点沉降差较大，产生较大附加弯矩，因此我们不能仅关注沉降的大小，更需要关注由于不均匀沉降在污水管内产生的附加弯矩。

3 顶管顶推数值模拟

对下穿三污干管可以根据管廊的建造过程进行建模，工况可以细化到每一个管节施工。

1)管片采用板单元模拟，管片模量采用C50混凝土的弹性模量为34.5×106kN/m2，厚度为0.55 m，重量为24 kN/m3。

2)污水管采用嵌入式两单元模拟，由于污水管采用PCCP管(预应力钢管混凝土)材料制作，而且污水管5 m为一节，节与节之间采用胶圈连接，且左侧污水管有两处弯折，两个污水管之间存在蝶阀门，这些都是影响分析结果的原因。在对污水管模拟时，没有考虑接头的弱化，弹性模量去235 MPa，重量为25.2 kN/m3，直径为2.574 m，壁厚0.187 m。

3)掌子面土压力设置为：底部最大弹模为150 kN/m2，变化率为7.4 kN/m2/m。

4)收缩率定义：收缩率线性增加0%～0.6%，取变化率为0.02%/m。

3.1 工况选择

根据监测单位提供的数据，选择以下五个工况：

工况1：左侧顶管开始顶进，水位8.2 m；工况2：左侧顶管顶进11环，水位为8.7 m；工况3：左侧顶管顶进30环，水位为10 m；工况4：左侧顶管顶进38环(出三污干管)；工况5：左侧顶管顶进71环(左侧顶管结束)。

3.2 顶管顶推数值分析

针对工况三进行实测数据反分析，见图2。

图2 工况3数值模拟

3.3 降水数值分析

采用绘制降水线的方式进行降水计算：通过降水计算模型计算得污水管处竖向位移图最大为-9.546 mm

3.4 顶管+降水共同作用分析

根据已有条件计算所得的因降水产生的沉降值，将顶管模型计算值加上降水引起最大沉降值和实测值进行对比。

GX34-GX61计算值与实测值对比见图3。

图3 GX34-GX61计算值与实测值对比

结论：①从图中可以看出，工况3拟合效果较好；②针对降水模型，如果能够提供详细的降水影响范围以及各点的水位，可以精确计算出该降水产生的变形效果，从而可以反分析校正顶管顶推模型参数；③预测穿出污水管工况四以及工况五的累计变形以及最大附加弯矩。

3.5 反向分析预测(见图4)

图4 累积变形预测值曲线

结论：根据反向分析预测得出，工况4的最大值出现在GX43，为-23.603 mm；工况5的最大值出现在GX46，为-37.276 mm。

4 结 论

1)现场实测数据。现场实测数据最大沉降值出现在监测点GX43,累计变形为-21.9 mm，最大差异沉降出现在GX21、GX22，两点相距3 m，两点差异沉降为5.56 mm，转角为0.1。

2)降水产生变形。水位10 m，产生变形最大为-9.546 mm，如果能够提供详细的降水影响范围以及各点的水位，可以精确计算出该降水产生的变形效果。

3)顶管顶推产生变形与实测对比。针对顶管推进第30环进行计算值与实测值的对比分析，数值计算结果，顶管和降水叠加后：工况3(30环)沉降最大点为GX41,累计变形值为-21.667 mm，实测值为-20.04 mm，相差1.627 mm；工况2(38环机头出污水管)沉降最大点为GX43，累计变形值为-23.603 mm，实测值为16.93 mm，相差6.673 mm；依据当前数据预测左侧顶推结束累计变形最大点为GX46,累计变形值为37.276 mm。

4)施工注意要点。在顶推施工过程中，特别要关注管廊穿过上部有动荷载或者市政管线的施工段的沉降控制和监测工作，以及及时对监测数据进行分析判断其对市政管线产生的附加弯矩，进而采取有效的防范措施确保施工安全，降低施工影响。

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