钢筋砼管片选型与管廊应变关系研究

毛 顿

（陕西恒业建设集团有限公司,陕西 西安 710000）

1 前言

预制拼装法在工程建设的各个领域得到广泛应用,尤其在类似管廊洞室的长线式地下空间工程建设中,钢筋砼管片作为现代综合管廊洞室围岩的支撑,其规格参数与洞室围岩的变形有密切关系。王建波等[1-2]就目前普遍采用的PPP模式的地下管廊项目中的风险分担问题进行了研究,提出了一种可有效使用的风险分担方法。黄剑等[3-4]对深厚软土地层中的地下管廊沉降控制方法进行了探讨,认为在设计时有措施应对软土中管廊沉降,施工中有效实施和合理改进,建成后进行监测预警的方法,可有效保证该类地层中的管廊建设和运营安全。卜令方等[5]对我国当前存在的综合管廊出现的广泛方面的问题进行了总结,认为当前建设综合管廊的技术已臻成熟,应对综合管廊的长期可靠运营进行深入研究。乔柱等[6-7]通过分析综合管廊项目的成本和效益特点,指出应建立适当的综合管廊有偿使用机制,并提出了“使用者付费原则”的定价收费方法。钱喜玲等[8-9]采用Fluent软件进行了天然气泄露的扩展模拟,通过模拟获得的结果对报警器的设计和安装起到了指导作用。韦海民等[10-11]分析了近年来有关地下综合管廊的文献特点,指出了地下管廊的研究热点,并对未来地下管廊的研究方向给出了建议。

以下结合某综合地下管廊工程,在FLAC3D中进行数值分析研究,主要对预制砼管片的规格和参数与管廊洞室围岩变形之间的关系进行了研究,通过对C35和C50两种钢筋砼管片条件下支护围岩体时的围岩位移特点的对比分析,获得相应的规律,为相似地质条件管廊洞室工程施工时不同规格的砼管片的选择提供了借鉴。

2 工程地质

某工程项目管廊洞室长约10.2 km,平面上呈环型网状形式,该管廊建成后预计将收纳包括通信管线、电力电缆管线、给水管、空调供回水管等多种市政设施管线,市政地位十分突出,洞室断面采用圆形断面,见图1。洞室埋深5 m,洞室直径5 m,洞室周边土体为第四纪粉质粘砂土地层,相关物理力学参数见表1,管廊洞室的支护材料预计在C35和C50两种钢筋砼管片之间进行选择,据实验测量两种材料的力学性质和物理参数见表1。

图1 城市地下管廊剖面图

表1 岩土体物理力学参数

3 两种规格管片模拟

专门的衬砌单元为用户应用FLAC3D进行相关支护条件的洞室围岩变化模拟提供了可能和便利,用户可通过对相关参数进行设置,从而实现对不同规格衬砌结构特征的模拟计算,在以下,主要通过Liner单元对两种规格管片进行模拟,需要设置的相关力学性质和物理参数见表2。

表2 两种规格衬砌的设定

4 模型建立

管廊洞室开挖掘进支护模型见图2,自洞室顶部向上围岩厚度为5 m,以模拟实际的5 m埋深,围岩土层（粉质粘砂土层）的力学性质和物理参数见表1。实际模拟时,通过将初始平衡后的位移清零,再进行开挖支护模拟,第一次对C35 类型的钢筋砼管片进行模拟计算,计算完成获得相应的云图后,再采用相同的方法对C50 类型的钢筋砼管片进行数值计算。

图2 综合管廊洞室施工模型

5 模拟结果

以下分述两种规格的钢筋砼管片支护管廊洞室时的围岩土体蠕动变化情况。

（1）规格C35 的钢筋砼管片

采用规格为C35 的钢筋砼管片对管廊洞室进行开挖衬砌支护,经过开挖支护数值模拟计算后,得到如图3 所示围岩土体水平向蠕变云图。洞室在水平方向的最大蠕变值为4.4×10-3m,最大蠕变值分布于洞室围岩体正中间水平线处,向外蠕变值逐渐减小,在洞室周边成环向围绕洞室周长逐渐减小,较小的蠕变值分布区域逐渐增大。

图3 规格C35钢筋砼加固时围岩水平向蠕变云图

采用规格为C35 的钢筋砼管片对管廊洞室进行开挖衬砌支护,经过开挖支护数值模拟计算后,得到如图4所示围岩土体竖向蠕变云图。洞室在竖向方向的最大蠕变值约为4.4×10-3m,最大蠕变值分布于洞室围岩体正中间竖直线处,向外蠕变值逐渐减小,在洞室周边成环向围绕洞室周长逐渐减小,较小的蠕变值分布区域逐渐增大。

图4 规格C35钢筋砼加固时围岩竖向蠕变云图

由以上对水平向、竖直向的蠕变云图的探讨,从中可以知道,最大水平向蠕变值分布区集中在洞室围岩体正中间水平线处所在区域,最大竖向蠕变值分布区集中在洞室围岩体正中间竖直线处所在区域,由洞室周边向外侧逐渐变小,在洞室周边方向呈径向减小趋势扩散,且较小值区域分布面积逐渐变大。

（2）规格C50 的钢筋砼管片

采用规格为C50 的钢筋砼管片对管廊洞室进行开挖衬砌支护,经过开挖支护数值模拟计算后,得到如图5 所示围岩土体水平向蠕变云图。洞室在水平方向的最大蠕变值为1.5×10-3m,与规格C35 的钢筋砼管片获得的最大蠕变值4.4×10-3m相比明显减小,最大蠕变值分布于洞室围岩体正中间水平线处,向外蠕变值逐渐减小,在洞室周边成环向围绕洞室周长方向逐渐减小,较小的蠕变值分布区域逐渐增大。

图5 标号C40支护时水平方向应力图

采用规格为C50 的钢筋砼管片对管廊洞室进行开挖衬砌支护,经过开挖支护数值模拟计算后,得到如图6所示围岩土体竖向蠕变云图。洞室在竖方向的最大蠕变值为2.0×10-3m,与规格C35 的钢筋砼管片获得的最大蠕变值4.4×10-3m相比明显减小,最大蠕变值分布于洞室围岩体正中间竖线处,向外蠕变值逐渐减小,在洞室周边成环向围绕洞室周长方向逐渐减小,较小的蠕变值分布区域逐渐增大。

图6 标号C40支护时竖直方向应力图

由以上对水平向、竖直向的蠕变云图的探讨,从中可以知道,最大水平向蠕变值分布区集中在洞室围岩体正中间水平线处所在区域,最大竖向蠕变值分布区集中在洞室围岩体正中间竖直线处所在区域,由洞室周边向外侧逐渐变小,在洞室周边方向呈径向减小趋势扩散,且较小值区域分布面积逐渐变大。与规格C35 的钢筋砼管片获得的蠕变云图相比,采用规格C50 的钢筋砼管片蠕变值明显减小。

6 结论

（1）由两种规格的钢筋砼管片支护后获得的蠕变云图,最大水平向蠕变值分布区集中在洞室围岩体正中间水平线处所在区域,最大竖向蠕变值分布区集中在洞室围岩体正中间竖直线处所在区域。

（2）水平向、竖向蠕变值由洞室周边向外侧逐渐变小,在洞室周边方向呈径向减小趋势扩散,且较小值区域分布面积逐渐变大。

（3）规格C50的钢筋砼管片蠕变值明显小于规格C35的钢筋砼管片获得的蠕变值,建议在该粉质粘砂土中进行管廊洞室施工时,采用规格C50的钢筋砼管片进行支护。