岩溶地区下综合管廊倒虹吸结构模拟设计与施工技术

毛文忠

（上海建工五建集团有限公司，上海 200063）

0 引言

近年来，综合管廊作为提升城市功能、促进建筑业转型的重大国家导向，在规划、设计、建设方面得到了快速的发展。我国复杂多变的地质条件，对地下管廊建设提出了大量崭新的要求。

本溪地下综合管廊位于北方喀斯特溶岩地貌区，是该地质条件下的首次尝试，也是本溪第一个 EPC 总承包模式下的市政管廊工程。

通过物探、钻探综合勘察确定溶洞的位置和规模，确定可溶岩、溶洞填充物、上覆地层的物理力学指标，从空间和物性上掌握岩溶地基的特征，在此基础上展开理论分析与数值计算确定最不利工况下管廊内力和变形，溶洞的存在对于地下综合管廊的应力和沉降都有影响，对覆盖型岩溶区地下管廊地基处理技术采用增加管廊钢筋混凝土顶、底板厚度来跨越溶洞方法处理技术。

1 工程实例概述

本溪地下综合管廊（见图 1）位于明山区威宁大街沿线，东西走向，南侧依附太子河流域，项目总长度 6.22 km，其中包含三处倒虹吸施工段，倒虹 A1 位于 K0+987～K1+053，长 66 m；A2：K3+504～K3+571，长 67 m；A3：K5+002.5～K5+078.77，长 76.27 m；结构形式均为平行三舱，顶板、外墙厚度为 700 mm，内墙 300 mm，基础底板厚度为 750 mm，总宽 10.3 m，高 5 m；威宁大街沿线无设计保留河道，沿线共设有 3 根雨水箱涵由北向南横穿道路后将雨水引入太子河，根据箱涵设计资料，3 根雨水箱涵均为双孔箱涵；上述 3 根雨水箱涵标高均与威宁大街综合管廊标高冲突。本工程考虑采用综合管廊倒虹的形式下穿雨水箱涵。

图1 倒虹吸段工程平面图

2 倒虹段地下溶洞空间分布勘查及定位技术

2.1 溶洞物探空间分布勘查

为准确定位地下岩溶位置，根据地震映像法基本原理，根据工程地震波在不同岩性、界面、裂隙中的传递反射规律，展开岩溶区岩溶发育程度勘察，采用 SE2404 工程地震仪对溶洞位置展开物探法勘察，通过详勘、补勘多阶段勘察最终确立了溶洞在地基中发布的空间特征。

首先，根据地下管廊结构特征布设综合勘探孔，针对岩溶较发育地段布置 3 条测线；对于岩溶特别发育、顶底跨度较大且成群分布地段加密至 4 条，对于岩溶发育一般地段，仅针对钻孔控制一侧布置 2 条测线，测线间距一般为 5 m，加密段间距为 3.3 m。然后，采用大锤敲打震源，形成地震波在土层地基下介质中传播，采用地震波的强弱、频谱、振幅、波长和反射波的传播时间和空间的寻找来确定溶洞位置［1-3］，如图 2 所示。

图2 SE2404 工程地震仪工作图

2.2 数据处理流程

数据处理流程为：调用反射波采集数据文件→道平衡→滤波→速度分析→动校正→水平叠加→时深转换→数据处理结果。

2.3 溶洞工程勘查与定位技术

根据波形走向，地勘钻探深度除应满足倒虹吸段基坑开挖深度的 1～3 倍，同时应满足基坑开挖、地下水控制、支护设计、基坑抗浮及施工的要求，该部分地段为石灰岩地区，岩溶强发育，为探明岩溶分布情况，钻孔深度达到 30.0 m。当设计深度内揭遇基岩，则钻孔进入中风化岩层后连续 3 m 且深度≥15 m 时可终孔。

3 倒虹段框架结构模拟与计算比选

3.1 倒虹吸段施工概述

1 # 雨水箱涵位于 K1+010 处规划相交道路，箱涵顶面标高 121.70 m，内地面标高 118.00 m，顶板覆土厚度约 3 m；2 # 雨水箱涵位于 K3+540 处规划相交道路，箱涵顶面标高 124.65 m，内地面标高 120.95 m，顶板覆土厚度约 3.1 m；3 # 雨水箱涵位于 K5+043 处规划相交道路，箱涵顶面标高 126.67 m，内地面标高 122.97 m，顶板覆土厚度约 3.8 m，施工剖面图如图 3 所示。

图3 倒虹段布置施工剖面图（单位：mm）

上述 3 根雨水箱涵标高均与威宁大街综合管廊标高冲突。本次考虑采用综合管廊倒虹的形式下穿雨水箱涵。管廊外顶面与箱涵外底面保持约 500 mm 间隔。

3.2 倒虹吸段溶洞数值的模型建立

3.2.1 模型的建立

针对串珠状溶洞分别对倒虹吸段综合管廊的应力与沉降的影响进行研究，且串珠状岩溶工况采用倒虹吸段管廊区域进行模拟。溶洞分布位置为中段管廊正下方，两溶洞间距取物探资料里的实际工况中的距离 0.4 m，溶洞距管廊距离为 2.4 m，两溶洞可简化为两个半径为 4 m 的球体。岩溶工况示意图如图 4 所示。

图4 串珠状溶洞工况图

3.2.2 溶洞岩溶对地下综合管廊的影响

1）底侧溶洞的不同半径对地下综合管廊的影响。针对底测溶洞不同半径的工况进行数值模拟，研究其对地下综合管廊的影响。如图 5 所示可以看出，管廊整体沉降随着底侧溶洞半径增大而增大，当底侧溶洞半径超过顶侧溶洞半径时，管廊的整体沉降增长率将会逐渐扩大。

图5 底侧溶洞半径下的管廊沉降曲线

2）底侧溶洞的高度对地下综合管廊的影响。如图 6 所示可以看出，管廊所受最大应力值与底侧溶洞高度之间的关系曲线斜率未发生显著变化，原因是高度变化未使顶侧溶洞顶板的跨中弯矩增加，土体未出现应力重分布现象，因而对管廊所受应力的影响效果不够明显。如图 7 所示得知底侧溶洞高度变化未对管廊的整体沉降产生显著影响。底侧溶洞的高度并未对顶侧溶洞顶板的挠度造成影响［4］。

图6 底侧溶洞高度对管廊应力值的影响图

图7 底侧溶洞高度下的管廊沉降曲线

综上所述，针对串珠状溶洞分别对地下综合管廊的应力与沉降的影响不大，同时得出结论当孔径小而深的溶洞在岩石的上部更接近管廊时，采用跨越法处理非常适合，不用大规模钻探灌浆施工［5-7］。

3.3 倒虹吸段结构设计计算比选

3.3.1 标准段框架结构计算

模拟分析得出地下综合管廊的结构内力以及变形情况，采用闭合框架结构模型。对于结构底板的基底反力分布应结合地基条件具体确定。

采用弹性地基梁模拟计算，图 8～图 10 所示为采用有限元分析软件对管廊断面进行受力分析。

图8 450 mm 壁厚计算简图

图9 450 mm 壁厚弯矩计算

图10 450 mm 壁厚剪力计算

根据原工程勘察及可研报告资料，威宁大街综合管廊标准段设计壁厚为 450 mm，底板厚 500 mm，顶板厚 450 mm。根据上述数据对原结构进行复算，结果如下。

根据计算，管廊侧墙如取 450 mm（C35），抗剪能力不满足要求（V=498 kN＞0.7βhftbh0=434.11 kN 截面不足），需要在支座范围内增设抗剪钢筋，同时支座配筋须Φ8@100 才能满足 0.2 mm 裂缝要求（配筋率达 1.37 %），因此截面取 450 mm 不合理。

3.3.2 倒虹吸段框架结构计算

本工程设计中对标准段结构尺寸进行优化复算后，确定本工程威宁大街地下综合管廊倒虹吸段设计壁厚按 700 mm、底板厚按 750 mm，顶板厚按 750 mm 考虑。具体计算如图 11 所示。

图11 框架计算模型及结果

综上所述，采用有限元分析软件对管廊断面进行受力分析，倒虹段框架结构顶底板计算是合理的，经过计算倒虹吸段结构设计厚度比普通标准段结构要厚，可以使工程更加安全可靠。

4 倒虹吸段现场施工

4.1 降水

根据倒虹吸段勘察物探溶洞的分部情况，在倒虹吸段采用新型的降水技术来满足现场降水的要求，结合现场实际管线布置，预防溶洞位置出现降水倒流发生。

降水井机械采用 CZ-75 型，冲击凿井机结合钢管直接成井，钻探井孔径 Φ400 mm、Φ273 mm，钻孔孔径＞600 mm，钻孔深度应满足降水井设计深度 12 m 及进入风化岩 0.5 m 以上。过滤管直径 Φ400 外面采用主筋 6Φ18，加强筋采用 Φ14@300，主筋间绑扎竹杆，外包一层尼龙网，过滤器长度按图纸要求。滤料围填完成后，接上空压机进行空压机洗井，压缩空气（压力为 0.8 MPa，排气量为 12 m3/min），吹出管底沉淤，清洗到清水为止，再用污水泵循环抽洗，抽洗时间＞24 h（见图 12）。

图12 空压机洗井原理示意图

4.2 施工难点及措施

1）由于排水管线是沿路边铺设，在铺设过程中有过街或过路区域，所以在过街区域为避免对路面造成破坏和不影响道路使用，威龙路口采用 7 根直径 159 mm 壁厚 5 mm 钢管分流，铺在过街处上下满铺碎石同时共用 16 块 20 mm 厚钢板满铺路面，钢板尺寸 6 m×2 m。同时太子河排水出口处铺设 15 根直径 159 mm 壁厚 5 mm 钢管分流，并明铺在过街处上下满铺碎石同时共用 13 块 20 mm 厚钢板满铺 12.2 m 宽路面，钢板尺寸 12 m×2 m，并横向通长焊接间距 1 m 直径 22 mm 钢筋防滑条，保证路面正常使用（见图 13）。

图13 沿路边铺设排水管线示意图

2）邻近施工场地需过街区域，由于施工场地常有重型机械车辆通过，现需将排水管倒虹处理，所以该区域要求施工迅速不影响其施工，同时焊接质量需要保证避免返工影响其他施工场地施工。

5 结论

结合岩溶地区下综合管廊倒虹吸段结构模拟设计与施工技术，通过物探技术并结合地质勘察手段寻找溶洞，在工程勘测中发现倒虹吸中段底部有串珠状溶洞，现根据实际工程情况进行溶洞模拟建立，采用弹性地基梁模拟计算，采用有限元分析软件对管廊断面进行受力分析。实践证明倒虹段框架结构运行安全，该技术值得推广应用，为类似管廊倒虹吸段工程施工，提供了可靠的施工数据及丰富的管理经验。Q