暗挖管廊下穿对河底沉降的影响分析

郭 俊 刘佳杰

(北京市政路桥股份有限公司 北京 100045)

0 引言

地下综合管廊有利于城市各管线统一安放及管理，有利于延长城市各管线的使用寿命[1-2]。由于综合管廊多布设在城市道路之下，周边建筑密布，管廊线路需要穿越交叉既有道路、建筑物及河道等，给管廊施工和设施安全带来了很大挑战[3-4]。在这种情况下，研究暗挖管廊施工过程中管廊对风险源的影响，分析其作用规律，进而提出相应的风险控制措施显得迫切而且十分有意义[5]。

在研究管廊暗挖下穿河流或既有建筑物中，王国富等[6]在地铁双线盾构隧道下穿既有市政管廊的情况下，分析了盾构施工引起管廊变形的机理，结合管廊敏感性特点提出了盾构穿越管廊的几种工况及加固措施。胡平[7]及张志敏[8]分别结合不同的工程实例，对综合管廊下穿城市河道的施工技术进行总结，通过采用河道截流导流、注浆加固、管线保护等一系列技术，可有效解决工程综合管廊过河中面临的难题和风险。程学武[9]以天津地下直径线泥水平衡盾构隧道下穿海河为工程背景，采用有限元软件建立数值计算模型，对河底加固前后盾构隧道下穿海河引起的沉降进行了数值分析，得出了河底采取注浆加固措施可以有效控制上覆土层沉降的结论。孙连勇等[10]以济南轨道交通R3线一期工程某区间隧道为背景，采用Abaqus软件建立数值模型模拟在不主动加固和加固两种工况下，盾构隧道近距离下穿胶济铁路线桥梁与路基引起的变形情况。郭瑞[11]依托成贵铁路大方隧道下穿杭瑞高速工程建立了三维有限元模型，对隧道下穿松散高填土路堤的沉降规律及其影响范围进行研究。

本文以某综合管廊暗挖下穿某河道项目为依托，通过MIDAS GTS有限元软件建立模型，进行数值模拟分析管廊暗挖对下穿河底沉降的影响，并结合在实际开挖过程中河底沉降监测数据，确定数值模拟分析的可靠性。

1 工程概况

某地下综合管廊工程位于北京市南部，该管廊中下穿某河道段为暗挖段。管廊暗挖断面设计为三舱，左侧洞电力舱净宽2.50m，中洞水信舱净宽3.50m，右侧洞高压电力舱净宽2.00m，主体结构外轮廓尺寸11.30m×5.30m。下穿某河道管廊暗挖段总长60m，管廊拱顶距河道底面约6.60m，管廊开挖位置主要为砂土及黏土。该河道上口宽为54m、下口宽为30m，正常情况下有0.50m常流水位，如图1所示。

图1 下穿某河道管廊暗挖段平面位置及截面图

在实际工程中，该下穿某河道管廊暗挖段设计采用了中洞法进行施工(图2)，即先进行中洞开挖，再同时进行两侧洞开挖。①进行中洞深孔注浆加固地层，一次不少于10m，每次纵向深孔注浆之间搭接2m；②上下台阶法开挖中间导洞断面土体，并预留核心土，架立钢格栅，采用锁脚锚杆加固墙脚，挂网喷射初支混凝土，上下台阶错开不少于4m；③中洞全断面成洞10m后，施做左右侧洞深孔注浆加固，一次不少于10m，每次纵向深孔注浆之间搭接2m；④上下台阶法同时开挖左、右侧洞断面土体，并预留核心土，架立钢格栅，采用锁脚锚杆加固墙脚，挂网喷射初支混凝土，上下台阶错开不少于4m。

图2 下穿某河道管廊暗挖段中洞法主要施工工序

2 数值模型建立

为了研究下穿某河道管廊暗挖段开挖后暗挖管廊对河底沉降的影响，讨论暗挖管廊中洞及两侧洞开挖面均通过某一预先设置的沉降监测线后该沉降监测线的沉降变化，通过MIDAS GTS有限元软件对下穿某河道管廊暗挖段进行数值分析，并对比实际监测值，分析数值模拟结果和实际监测值是否一致。

由于管廊二衬施工与初次支护时间间隔较长，因此模拟中均不考虑二次衬砌在支护中的作用。由勘察资料可知，该工程地下水位位于勘查最大深度外，因此也无须考虑地下水的影响。

通过前期的模拟分析[12]发现，当管廊暗挖开挖面距离某一设置的沉降监测线10m时，随着管廊暗挖开挖面向设置的沉降监测线推进，开挖对沉降监测线的影响开始逐步增大；管廊暗挖开挖面通过设置的沉降监测线后，距设置的沉降监测线超过10m时，对沉降监测线的影响可以忽略不计。因此，为了提高计算效率，截取下穿某河道管廊暗挖段部分长度进行分析。三维有限元模型尺寸为：长为100m，宽为20m，高为29m。该尺寸可保证模型的边界效应足够小，如图3所示。三维有限元模型中的地层自上而下依次简化为等厚的成层土，同一土层中的土体假定为均匀、连续及各向同性，土层厚度依据场地内各土层埋深的变异性、饱和性及起伏性综合考虑确定，共5层，具体参数取值见表1。

图3 下穿某河道管廊暗挖段数值模拟模型

表1 下穿某河道管廊暗挖段数值模型物理力学参数

土体采用修正摩尔—库伦模型。管廊初支结构为弹性体模型，通过在开挖土体表面设置的板壳单元进行模拟。计算模型上表面为对应河道水位的水压力约束，底部为固定位移约束，各侧面均为对应方向的位移约束。

在模拟过程中，通过网格的激活与钝化来模拟实际动态的施工过程：管廊土体的钝化模拟管廊开挖，板单元的激活模拟初期支护的建立，管廊上部土体的属性改变模拟深孔注浆。开挖每次进尺0.5m，由于开挖后立即进行喷锚支护，因此开挖步骤设置应力释放30%，初次支护步骤设置应力释放70%。

3 河底沉降监测线

下穿某河道管廊暗挖段数值模型中，在管廊拱顶相距6.60m位置设置以暗挖管廊整体的中心线为中线的河底沉降监测线(图4)，用于记录模拟开挖通过该河底沉降监测线时河底的沉降量；在现场对应河底设置沉降监测线，用于记录现场开挖面通过沉降监测线后沉降监测线的沉降量图1及图4。现场布置河底沉降监测线时，应确保河底沉降监测线布置在可靠的土体上，不能布置在河底淤泥层中，影响监测结果。数值模拟及现场布置的沉降监测线总长均为60m。

图4 河底沉降监测线布置

4 对比分析

将数值模拟计算得出的河底沉降监测线和实际施工中监测得到的河底沉降监测线组合绘制如图5，显示在数值模拟及实际开挖中，暗挖管廊中洞及两侧洞开挖面均通过河底沉降监测线后，河底沉降监测线变化趋于稳定时的情况。

由图5可以看出，在数值模拟和实际开挖中，管廊上覆土层竖向位移沿横向近似呈正态分布，沉降最大值出现在暗挖管廊段中心线，两边减小并逐渐趋于平缓。数值模拟河底沉降监测线最大沉降值为4.12mm，小于实际开挖中最大沉降值5.23mm；数值模拟河底沉降监测线左侧边缘沉降值为0.35mm，小于实际开挖河底沉降监测线左侧边缘沉降值0.52mm，但是数值模拟河底沉降曲线右侧边缘沉降值与实际开挖河底沉降监测线右侧边缘沉降值基本一致(0.44mm)。

图5 数值模拟和实际开挖河底沉降监测线对比

在实际开挖河底沉降监测线中，由于管廊左右两侧洞大小不同，左侧洞截面宽度2.5m大于右侧洞截面宽度2.0m，相对应地左侧洞对应上方河底沉降值略大于右侧洞，这是由于开挖截面越大，土体受到的扰动范围越大，容易引起更大的沉降。实际开挖河底沉降监测线的这一特征在数值模拟河底沉降监测线上体现不明显，数值模拟河底沉降监测线两边沉降值基本一致，这是由于左右侧洞大小差异在数值模拟中对计算结果影响不大。

受管廊开挖的影响，周围土体的应力重新分布，当受扰动后的土体二次应力超过其抗压、抗剪强度极限值时，土体将进入塑性状态，形成较为危险的塑性区，图6。塑性区分布结果表明，开挖过程中土体基本无应力集中现象，管廊初衬和深孔注浆形成的支护阻力有效地控制了土体变形，抑制了塑性区的发展，塑性区形成于工作面周边5～10 m 的范围内，主要位于管廊上方地层，对河底整体的扰动影响较小。

图6 下穿某河道管廊暗挖段数值模型塑性分析

5 结论

根据以上分析，可以得出以下结论：数值模拟中河底沉降监测线的最大沉降值小于实际河底沉降监测线的最大沉降值。实际开挖过程中，开挖截面越大，产生的沉降越大，由于管廊截面左右两侧洞左大右小的形态，导致地表沉降也相应呈现左边沉降大、右边沉降小，在施工过程中应注意左右沉降不均造成的差异沉降，有可能导致河底坍塌、突涌、道路开裂，这一特征在数值模拟分析中并不明显。开挖造成的塑性区产生于工作面外围5～10m范围内，整体上对地表、河底的扰动较小。