地下综合管廊穿越活动地裂缝变形与内力的响应分析*

徐 强 白超宇 李文阳 张 勇 张子阳

(①长安大学， 地质工程与测绘学院， 西安 710054， 中国)

(②长安大学， 岩土与地下工程研究所， 西安 710054， 中国)

(③西安建筑科技大学， 土木工程学院， 西安 710055， 中国)

(④中建三局集团有限公司西北公司， 西安 710075， 中国)

0 引 言

地下综合管廊又称综合管道、共同沟等，是一种收容给水、排水、电力、电信、燃气、热力等市政管线的公共隧道。地下综合管廊是城市地下空间开发利用的重要形式之一，有利于减少“马路拉链”(Chen et al.，2012； Canto et al.，2013； Wang et al.，2013； Hunt et al.，2014)。1833年法国巴黎就诞生了世界上第1条地下管线综合管廊系统，日比谷地下综合管廊的现代化程度非常高，承担了该地区几乎所有的市政公共服务功能。

当前地下综合管廊研究主要集中在防水与管廊力学性能。施有志等(2018)建立双仓的三维动力有限元数值模型研究综合管廊动力响应特征； 戴轩等(2019)分析了综合管廊下穿在建基坑引发的围护结构位移、水平支撑变形和基坑内既有结构变形。刁钰等(2019)对比不同工况下管廊接头渗漏的临界转角规律。孙书伟等(2019)对不同开挖方案的基坑稳定性进行对比研究。王鹏宇等(2019)对比3种不同腋脚高度对单仓管廊力学性能影响。易伟建等(2019)通过多舱无腋角综合管廊节段足尺模型在集中荷载下的静载试验，研究无腋角综合管廊结构的破坏机制、承载能力以及裂缝状况。冯立等(2020)基于振动台模型试验并考虑接缝的影响，开展了不同波形、不同峰值加速度地震波激励下的综合管廊地震响应特征研究。

西安城市地裂缝灾害是全世界最为严重的地区之一。西安地裂缝为一种正断型蠕滑变形，分布范围广，西安市区共有14条地裂缝，呈近平行带状分布，总长度超过100km，已对城市建设与市政运行造成巨大经济损失，仅1976～1996年，西安地裂缝错断供水、供气管道多达45次。目前的活动性较过去有所减缓，但仍保持在1～5mm·a-1，其累计位错量仍可能对当前管廊建设产生不利影响(中华人民共和国行业标准编写组，2006)。

地裂缝活动对线性工程必将产生不利影响(许晨等， 2018； 何国辉等， 2020； 杨招等， 2020)。目前地裂缝活动对地下综合管廊影响作用的研究较少。闫钰丰等(2018)对分段管廊结构与地裂缝正交环境下的受力变形特征进行了数值分析。朱琳(2018)对比了综合管廊穿越活动地裂缝时的受力特性与变形特征，并对比两种设缝方式的优缺点。胡志平等(2019)开展了西安科创路缆线管廊45°斜交地裂缝的物理模型试验，得出结构处于扭转、弯曲、剪切的复杂应力状态的结论。

地下综合管廊为城市地下线型工程，建设与运维时无法彻底避开地裂缝，而在穿越地裂缝时不可避免受地裂缝活动影响，根据西安市最新城市地下综合管廊规划，绝大部分城市地下综合管廊均与地裂缝相交，如图1所示(闫钰丰等， 2018)。可见，地下综合管廊与地裂缝的交角变化范围较大，有必要对地下综合管廊以不同角度穿越地裂缝的受力性能与变形特征进行分析。

图1 西安地下综合管廊规划网与地裂缝交汇示意图

1 数值模型

本文旨在分析地下综合管廊以不同角度穿越活动地裂缝时的变形特征与受力性能。西安地裂缝的倾角为80°左右。西安地下综合管廊多采用明挖施工，管廊顶面埋置深度多在4～10m。将地下综合管廊与地裂缝交角概化为90°、60°和30° 3种工况。考虑到地下综合管廊穿越地裂缝时，分段设缝其实是以牺牲结构变形为代价，换取内力减小，而变形缝宽度较小，防水工艺复杂，且变形过大对内部管道线路存在安全隐患。本文管廊拟采用不设缝整体式穿越地裂缝，为充分考虑地裂缝活动对管廊的影响作用，管廊长度为160m，上下盘各设置80m。

概化管廊的截面尺寸为4m×4m，壁厚0.3m，混凝土强度取C40，为消除边界效应，模型断面取40m×40m。混凝土材料本构选用弹性模型，土体本构选用莫尔-库仑模型。混凝土的弹性模量为30000MPa，混凝土的密度为2400kg·m-3，泊松比为0.2。土层土性参数如表1所示。

表1 土层土性物理力学参数

本次分析采用Midas GTS NX建立数值模型，地裂缝的倾角取80°，管廊顶面埋置深度取6m。以地裂缝与地下综合管廊60°斜交为例，模型如图2所示。其中X方向为管廊水平轴向，总长度为160m，Y方向为管廊横向水平方向，总长度为40m，Z方向为竖直方向，总长度为40m。

图2 地裂缝与管廊夹角为60°的数值模型

当前地裂缝活动速率为1～5mm·a-1，地下综合管廊的设计年限为100a，应当考虑地裂缝最大沉降差为500mm，考虑到结构对竖向位移较为敏感，不可能承受如此大的竖向位移，本文分析采用6种沉降位移，即5cm、10cm、15cm、20cm、25cm和30cm。沉降时下盘保持不动，上盘整体沿地裂缝倾角下沉。

2 计算结果与分析

2.1 不同地裂缝沉降量对地下综合管廊作用

所有工况下地裂缝倾角均为80°，地下综合管廊与地裂缝正交时，上盘垂直沉降量分为5cm、10cm、15cm、20cm、25cm和30cm，管廊上表面外侧中线处的水平轴向位移、竖向位移、管廊上下表面外侧中线处的纵向应力如图3～图6所示。由图3、图4可见，地裂缝活动下的水平轴向位移与竖向位移变形集中在地裂缝两侧一定范围内，随着沉降量的增加，管廊的位移影响范围逐渐增加，管廊位移与沉降量之间近乎成线性关系。当管廊竖向沉降位移为20cm时，土体最大水平轴向位移为45.12mm。管廊的竖向位移呈“S”型分布，在地裂缝两侧弯曲方向相反，且下盘拱起处与上盘靠近地裂缝处均出现管廊与土体分离现象，形成脱空区。当管廊竖向沉降位移为30cm时，土体最大拱起高度为30.17mm。

图3 管廊上表面中线水平轴向位移对比

图4 管廊上表面中线竖向位移对比

图5 管廊上表面水平轴向应力对比

图6 管廊下表面水平轴向应力对比

由图5、图6可见，管廊上表面的纵向应力有两个峰值，在下盘靠近地裂缝处为拉应力，上盘峰值处为压应力。C40混凝土的极限抗拉强度为3000kN·m-2，当地裂缝沉降量超过20cm时，管廊上表面将出现混凝土受拉破坏，当沉降量为20cm时，管廊上表面的最大拉应力为2921kN·m-2，接近极限状态。当沉降量为20cm时，管廊下表面的最大拉应力为2541kN·m-2，小于混凝土极限拉应力，当沉降量为30cm时，管廊下表面的最大压应力为3114kN·m-2，由于混凝土极限压应力远大于极限拉应力，管廊不发生受压破坏。管廊上下表面应力方向相反，上表面轴力峰值略高于下表面，其原因可能在于地裂缝沿倾角下沉，上盘存在水平轴向位移分量使得管廊产生水平轴力，但其值较小，管廊的轴力大小由弯曲应力控制。对比不同沉降量下管廊的应力图可见，随着沉降量的增大，管廊峰值应力逐渐增大，但其增大趋势逐渐减小，表明管廊的应力与地裂缝沉降量之间并不是线性相关关系。

2.2 不同穿越角度对地下综合管廊作用

为研究地下综合管廊以不同角度穿越地裂缝时对其位移与内力影响，需保持地裂缝沉降量不变，且所有工况下地裂缝倾角均为80°，由上节分析可知，当管廊与地裂缝正交，上盘垂直沉降量为20cm时，管廊的轴向拉力接近混凝土受拉极限状态，因此，可取地裂缝沉降量保持为20cm固定不变，仅考虑交角变化的影响。

上盘竖向沉降量为20cm时，管廊以3种不同交角穿越活动地裂缝时土体位移如图7、图8所示。由图可见，地裂缝活动主要对地裂缝附近的土体产生影响，且上盘的影响范围略大于下盘。同时，管廊与地裂缝交角越小，地裂缝对土体纵向水平与竖向位移的影响范围均有所增大。地裂缝活动对土体竖向位移的影响范围呈倒三角分布，越靠近地表，影响范围越大。

图7 土体纵向水平轴向位移云图

图8 土体竖向位移云图

在上盘竖向沉降量均为20cm时，3种不同交角下管廊的水平轴向位移与竖向位移分布如图9、图10所示。由图9可见，不同交角下管廊的水平轴向位移均在地裂缝处达到最大，并向地裂缝两侧不断衰减。正交、斜角60°与斜角30° 3种交角下，最大水平轴向位移分别为28.23mm、20.27mm和14.57mm。管廊水平轴向位移的影响范围接近，均为上盘60m左右，下盘40m左右，上盘影响范围约为下盘的1.5倍。管廊正交穿越地裂缝时的水平轴向位移量最大，宜采用柔性过渡的方法避免管廊发生过大的位移。

图9 不同交角下管廊水平轴向位移对比

由图10可见，管廊正交与60°斜交地裂缝时，在下盘靠近地裂缝处隆起，其中正交时隆起高度最大，约25mm。管廊与地裂缝交角越小，地裂缝对土体竖向位移的影响范围越大，上下盘影响范围接近均在40m左右，分析其原因应是由于地裂缝处下盘土体在管廊作用下产生竖向沉降，导致管廊变形响应范围向下盘移动，从而上盘影响范围减小而下盘影响范围增大。

图10 不同交角下管廊竖向位移对比

在上盘竖向沉降量均为20cm时，3种不同交角下管廊上下表面中线处的水平轴向应力分布如图11、图12所示。由图可见，管廊与地裂缝交角越小，管廊上下表面的水平轴向应力越大。管廊的水平轴向应力在上下盘各出现1个峰值，下盘的峰值在数值上大于上盘。地裂缝沉降量达到20cm时，正交时管廊上表面峰值拉应力接近混凝土极限拉应力，而斜角60°与斜角30°下，管廊峰值拉应力均已超过混凝土极限拉应力，管廊发生受拉破坏。管廊下表面的峰值均小于上表面，管廊不发生受拉破坏。

图11 地下综合管廊上表面中线处的水平轴向应力

图12 地下综合管廊下表面中线处的水平轴向应力

2.3 地下综合管廊穿越地裂缝设防分析

地下综合管廊穿越地裂缝时受其活动性影响，影响参数较多，如管廊结构形式、管廊长度、管廊埋深、土层参数以及管廊与地裂缝交角等，本文重点分析不同交角下管廊受地裂缝活动的水平纵向与竖向位移影响范围以及上下表面外侧中线处水平轴力分布。分析结果显示，管廊的变形与内力均分布在地裂缝两侧的一定范围以之内，管廊穿越地裂缝时，交角越大，管廊的水平轴向位移与竖向位移越大，而水平轴向应力分布规律相反。因此，在管廊穿越活动地裂缝时，应针对不同场地条件选择合适的设防措施：(1)对于地裂缝活动性较弱的场地，可采用管廊整体穿越地裂缝的形式，减小设缝，以缩短施工工期，防止管廊渗水漏水等问题； (2)对于地裂缝活动性较强的场地，不宜采用管廊整体穿越地裂缝的方法，由于管廊刚度越大，在地裂缝沉降作用下将引起较大的内力，结构无法适应较大的地裂缝沉降量，宜采用在地裂缝处设缝或柔性连接形式； (3)应尽可能采用管廊大角度穿越地裂缝，避免管廊小角度穿越地裂缝，减缓管廊由于地裂缝活动产生的内力； (4)采用新材料、新结构体系，提高管廊结构对于地裂缝场地等不均匀变形的适应性。

3 结 论

本文主要研究地下综合管廊以不同角度穿越活动地裂缝的位移与应力变化，采用Midas GTS NX建立数值模型，对比3种不同交角穿越下的计算结果，结论如下：

(1)地下综合管廊与地裂缝正交时，设置上盘垂直沉降量分为5cm、10cm、15cm、20cm、25cm和30cm，管廊的水平轴向位移、竖向位移以及轴向应力峰值均集中在地裂缝两侧30m范围内，其中管廊水平轴向位移影响范围为上盘60m左右，下盘40m左右，上盘影响范围约为下盘的1.5倍。

(2)地下综合管廊与地裂缝正交时，当竖向沉降量超过20cm时，下盘管廊上表面应力接近混凝土极限拉应力。管廊上表面应力大于下表面，其原因可能在于地裂缝活动的水平轴向位移使得管廊产生附加轴向拉应力，与弯矩产生的拉应力叠加，而与弯矩产生的压应力抵消，导致其最终结果大于压应力。

(3)在地下综合管廊与地裂缝正交、斜角60°与斜角30° 3种工况下，管廊位移影响范围接近，交角越小，管廊的水平与竖向位移越小，管廊水平轴向应力越大，斜角60°与斜角30°下，当上盘竖向沉降量超过20cm时，管廊上表面峰值拉应力均已超过混凝土极限拉应力，管廊发生破坏。