综合管廊施工中钢筋混凝土管片衬砌性能研究

2023-02-10陈就坤

陕西水利 2023年1期

陈就坤

（深圳市水务工程检测有限公司,广东深圳 518000）

1 前言

地下综合管廊成为现代化大型城市市政工程的重要标志,它有利于市政设施的合理高效维护,显著降低了维护成本,极大提高了各项市政设施的可靠性。姚源等[1]研究了多种混凝土掺加剂对地下管廊混凝土耐久性的影响,得出了各掺加剂对关乎耐久性的各关键指标的影响规律,为地下管廊混凝土的配置提供了可靠指导。王亮等[2-3]针对苏州市夏季高温高湿的气候容易造成地下管廊内汇集露水,从而影响混凝土的强度的特点,设计了一套除湿装置用于易出现该类状况的地下管廊的除湿,并进行了原位试验,结果表明,所设计除湿装置能够有效降低地下管廊内的湿度。胡志平等[4-5]针对某市广泛分布的地裂缝,设计了模型试验研究地下管廊在穿越地裂缝时的变形和破坏过程及特征,为类似穿越地裂缝的地下管廊的设计提供了帮助。张军等[6-7]基于BP 神经网络的基本理论建立了多因素量化工程施工质量的方法,为施工质量的前期控制在地下综合管廊施工中的应用提供了帮助。王辉等[8]通过对施工现场相关资料的收集整理,分析了双模掘进机在地下综合管廊预制拼装施工中的缺点,为新型掘进机的设计和改进提供了技术支撑。部分技术人员采用ABAQUS 软件对现浇承插式管廊接头部位的变形和破坏特征进行了分析,并与理论计算结果互相印证,为承插式管廊接头部位可能出现的各类不良问题的治理提供了可靠的理论支撑。

本文结合某地下管廊实际尺寸,在FLAC3D 模拟地下管廊分步开挖施工,同时采用衬砌结构对开挖后的土体进行模拟衬砌施工,设置好相关数值模拟参数后,进行分步开挖施工计算,获得管廊横截面在施做衬砌前和衬砌后的应力云图,得出衬砌的及时施做对控制管廊变形等具有巨大作用。

2 工程地质

地下综合管廊位于广东省深圳市内,将电力、通信,燃气、排水等各种工程管线集于一体,实施统一规划和管理,是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”。管廊剖面示意图见图1,管廊采用圆形截面,管廊直径4m,埋深3 m,管片采用钢筋混凝土预制管片,本次模拟中用到的黄土及混凝土衬砌管片的相关物理力学性质见表1。

图1 城市地下管廊剖面图

表1 岩土体物理力学参数

3 FLAC3D 中壳型结构单元

FLAC3D 软件中提供了三种壳型结构单元,主要包括shell 单元、geogrid 单元和liner 单元,其中,针对不同的壳型结构单元,需要赋值不同的参数,如表2所示,本次隧道开挖衬砌选用设置liner 单元模拟钢筋混凝土衬砌施做。

表2 FLAC3D 中的壳型结构单元

4 模型建立

如图2所示构建的模型,隧道顶部距地表3m,隧道内径4 m,靠近隧道处,网格划分较密,远离隧道逐渐稀疏。模拟时,固定x=-5 面的x 方向节点速度,固定y=0 面的y 方向节点速度,固定z=-5 面的z 方向节点速度,固定x=5,y=5,z=5 面的x、y、z 方向节点速度,采用分不开完,每步开挖1 m。衬砌管片为钢筋混凝土材料,各向同性,厚度0.2 m。

图2 数值模拟模型图

5 模拟结果

下面主要分析未加衬砌支护和加了衬砌支护后,Z 方向、X 方向应力分布规律。

（1）未加衬砌支护时,第一步开挖完成后

Z 方向应力云图见图3。由图3所示Z 方向应力云图,负值表示该部位正在承受压缩变形,正值表示该部位正在承受拉伸变形,可知Z 方向最大张拉应力位于拱顶和拱底处,最大值为2.5×105N,这说明隧道横断面整体呈现下部上拱,上部下落的变形风险特征。这说明,在未加衬砌支护时,第一步开挖完成后,隧道在与重力方向一致方向上呈现出上部向下位移,下部向上位移,隧道竖直方向周围围岩由受力较大位置处向隧道内空洞发生位移变化,隧道周围土体由受力较大处向临空面无受力位置处发生位移变化。

图3 未加支护时Z 方向应力云图

由图4所示X 方向应力云图,同样的,在此图中有,负值表示该部位正在承受压缩变形,正值表示该部位正在承受拉伸变形,可知X 方向最大张拉应力位于两侧拱腰处,最大值为2.5×105N,由X 方向应力云图同样可知,隧道横断面整体呈现两帮向内挤压变形特征。这说明,在未加衬砌支护时,第一步开挖完成后,隧道在与重力方向垂直的水平方向上呈现出左侧向右侧位移变化,右侧向左侧位移变化,隧道水平方向周围围岩由受力较大位置处向隧道内空洞发生位移变化,隧道周围土体由受力较大处向临空面无受力位置处发生位移变化。

图4 未加支护时X 方向应力云图

由以上X、Z 方向应力分析可知,应力集中区主要位于隧道的上部、下部和两侧处,有应力分布云图可知,隧道整体呈现出拱顶下沉、拱底上升,两帮向内收敛缩小的变形特征。

（2）加了衬砌支护后,第一步开挖完成时

及时施做管片衬砌后,Z 方向应力云图见图5。由图5所示Z 方向应力云图,负值表示该部位正在承受压应力,正值表示该部位正在承受拉应力,可知Z 方向最大张拉应力位于拱顶和拱底处,最大值为2.5×105N,说明隧道在横断面上整体呈现出下方上升、上方塌落的变形风险特征。在这种情况下,尽管最大张拉应力值相较于未施做衬砌时相同,但是最大张拉应力范围较未施做衬砌时的分布范围,明显缩小了很多。

图5 加了衬砌后Z 方向应力云图

图6 加了衬砌后X 方向应力云图

衬砌管片施做完成后,由图6所示X 方向应力云图,同样的,在此图中有,负值表示该部位正在承受压应力,正值表示该部位正在承受拉应力,可知X 方向最大张拉应力位于两侧拱腰处,最大值为2.5×105N,由X 方向应力云图可知,在横断面上,隧道整体呈现由两帮向内收敛挤压变形特征。在这种情况下,X 方向应力分布特征也有与Z 方向应力分布相同的特征,即尽管最大张拉应力值相较于未施做衬砌时相同,但是最大张拉应力范围较未施做衬砌时的分布范围,明显缩小了很多。

由以上X 方向、Z 方向应力分析可知,横断面上,隧道最大应力集中分布于顶部、底部和两侧,整体变形特征相较于未施做衬砌时的变形特征相同,同样呈现出四周向内收敛的总体特征,也即上部向下、下部向上,两侧向中间收敛的变形特征。但是,在施做了衬砌的这种情况下,尽管X 方向、Z 方向最大张拉应力值与未施做衬砌时的相同,但是X 方向、Z 方向最大张拉应力范围明显较未施做衬砌时的缩小了很多。