陳江林

(北京禹冰水利勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，北京 100161)

隨著城市建設(shè)發(fā)展，下墊面的不透水面積增大，近年來(lái)極端天氣越發(fā)頻繁：例如2012年北京“7.21”特大暴雨，2015年7.23武漢特大暴雨、2021年河南鄭州“7·20”特大暴雨等。水利部部長(zhǎng)李國(guó)英在發(fā)布會(huì)上介紹，近十年我國(guó)洪澇災(zāi)害年均損失占GDP的比例由上一個(gè)十年的0.57%降至0.31%。因此水利工程建設(shè)對(duì)保障居民財(cái)產(chǎn)、人身安全有非常重要的意義。在城市水利工程建設(shè)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到河道或者排水管需要穿越現(xiàn)狀道路的情況，但因道路無(wú)導(dǎo)行條件或者交通導(dǎo)行困難不能斷路、地下管線改移困難等因素導(dǎo)致不能明挖，只能暗挖施工或者頂管施工。暗挖施工會(huì)導(dǎo)致穿越段的雨水暗涵涵底高程下降，低于上下游高程，形成豎井式倒虹吸。

隧道施工、盾構(gòu)施工引起地下管線沉降在鐵路施工中研究較多，段光杰[1]在2003年就提出了地鐵隧道施工擾動(dòng)對(duì)管線變形影響的理論和研究方法；賈瑞華[2]在2009年分析了既有管線下盾構(gòu)施工地層沉降監(jiān)測(cè)和位移；周雪蓮[3]分析了超大管徑盾構(gòu)施工對(duì)高危管線的影響；催程虹[4]研究了不同斷面型式盾構(gòu)施工對(duì)地下管線的沉降影響；佘格格[5]曾在2019年分析了深基坑對(duì)臨近地鐵線路的影響；但水利工程中開(kāi)挖對(duì)管線沉降影響的研究較少，筆者[6]曾在2020年分析過(guò)倒虹吸暗挖施工對(duì)地表沉降的影響，但因設(shè)備原因未能考慮對(duì)地下管線沉降的影響。本次通過(guò)分析門頭溝區(qū)已完建工程案例，建立倒虹吸穿越地下管線的數(shù)值模型，分析開(kāi)挖對(duì)地下管線的沉降影響，為類似工程提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 工程簡(jiǎn)介

工程案例采用文獻(xiàn)中[10]的同一案例：項(xiàng)目是為解決門頭溝新城地區(qū)區(qū)域防洪問(wèn)題而修建的山洪溝，山洪溝路由需穿越高家園路，因道路交通通行車輛多，附近無(wú)便于導(dǎo)行的場(chǎng)地條件，且需穿越有熱力管線(Φ0.4m)、污水管線(Φ0.4m)、雨水管線(Φ1m)、電力管線、通信管線、燃?xì)夤芫€(Φ0.35m)等地下管線，若改移投資較大，因此該段暗涵設(shè)計(jì)為豎井式倒虹吸。

根據(jù)工程勘察報(bào)告，倒虹吸穿越范圍內(nèi)土層為中等風(fēng)化玄武巖、碎石土、粉質(zhì)黏土；設(shè)計(jì)地層內(nèi)無(wú)地下水。因穿越土層硬度較大，且無(wú)地下水，故倒虹吸采用暗挖法施工。

倒虹吸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及管線位置關(guān)系如圖1—2所示。

圖1 倒虹吸平面圖

圖2 倒虹吸1—1剖面圖

新建倒虹吸豎井均采用復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，側(cè)壁初次襯砌均為格柵噴射混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)厚度0.3m；因1#豎井底部為中等風(fēng)化巖，為節(jié)約投資，底部初次襯砌僅噴0.1m混凝土；2#豎井底部為碎石土，為保證施工安全，初次襯砌亦采用厚0.3m格柵噴射混凝土結(jié)構(gòu)。施工過(guò)程中采用分步開(kāi)挖，粉質(zhì)黏土及碎石層步長(zhǎng)為0.5m，開(kāi)挖前進(jìn)行超前注漿加固土體，中等風(fēng)化巖步長(zhǎng)為1m。開(kāi)挖完成后立即架設(shè)格柵、掛網(wǎng)、噴射混凝土，以保證基坑安全。二次襯砌均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)：1#豎井凈尺寸為4.0m×4.0m×7.77m，底板厚0.5m、側(cè)壁厚0.3m、頂板厚0.25m；2#豎井凈尺寸為4.0m×5.0m×7.5m，底板厚0.5m、側(cè)壁厚0.3m、頂板厚0.25m；

倒虹吸涵身段設(shè)計(jì)斷面為城門洞型式：初次襯砌根據(jù)穿越地層不同特性采取三種不同的支護(hù)形式：穿越粉質(zhì)粘土層的初次襯砌設(shè)計(jì)為格柵噴射混凝土結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖5；穿越中等風(fēng)化巖層的僅噴0.1m混凝土、拱部設(shè)錨桿支護(hù)，做法見(jiàn)圖3；底部為中等風(fēng)化巖層、拱部穿越碎石或粉質(zhì)粘土層的底部襯砌噴0.1m混凝土，拱部及側(cè)壁設(shè)格柵噴射混凝土結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖4；格柵每榀間距為0.5m，當(dāng)穿越穩(wěn)定巖層時(shí)可根據(jù)監(jiān)測(cè)情況增大。施工亦采用上下臺(tái)階法分步開(kāi)挖法，在開(kāi)挖粉質(zhì)粘土和碎石土?xí)r，宜保留一部分核心土，待側(cè)壁和頂部格柵就位后再挖除，并馬上架設(shè)底部格柵；施工過(guò)程中必須保證每榀格柵封閉后再進(jìn)行下一步工序。

圖3 倒虹吸襯砌布置圖(一)

圖4 倒虹吸襯砌布置圖(二)

圖5 倒虹吸襯砌布置圖(三)

為保證地下管線的安全，施工期間在污水管線(距離涵頂最近)、燃?xì)夤芫€(距離豎井最近)正上方布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置為：交叉位置處管線中心設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、向兩側(cè)每隔5m設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每種管線共計(jì)11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2 數(shù)值求解

2.1 基本假定

根據(jù)工程地質(zhì)條件，應(yīng)遵循以下基本假定和理論：

(1)土體為連續(xù)彈塑性材料、各項(xiàng)同性。

(2)在倒虹吸開(kāi)挖前地表的初始位移為零，不考慮現(xiàn)狀管線埋置對(duì)地表沉降的影響。

(3)管線與周圍土體緊密接觸，在變形過(guò)程中，管線與土不產(chǎn)生相對(duì)脫離或滑動(dòng)。

(4)土體采用摩爾—庫(kù)倫模型[7]，結(jié)構(gòu)構(gòu)件均采用線彈性模型[7]。

2.2 材料屬性

模型數(shù)值計(jì)算采用的巖土及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1—2。

表1 土層的力學(xué)參數(shù)表

表2 結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)表

2.3 數(shù)值模型的建立

本次采用Midas/GTS建立數(shù)值模型，根據(jù)房明等[8]的研究：橫向影響范圍約為4W寬度(W為類矩形盾構(gòu)模型的橫向?qū)挾?，豎向影響范圍約為隧道以下3D(D為類矩形盾構(gòu)模型的豎向高度)?？紤]消除邊界效應(yīng)，本次建立模型尺寸為90m×56m×31m(長(zhǎng)×寬×高)，豎井及涵身兩側(cè)的土體寬均大4W，底部的土體深23m，厚度大于3D。實(shí)體模型成果見(jiàn)圖6。

圖6 實(shí)體模型成果圖

網(wǎng)格采用混合網(wǎng)格進(jìn)行劃分，通過(guò)尺寸控制不同位置采用不同的網(wǎng)格精度：豎井開(kāi)挖網(wǎng)格尺寸為1m，涵身開(kāi)挖網(wǎng)格尺寸為0.5m，地層表面網(wǎng)格控制尺寸為2m，地層底面網(wǎng)格控制尺寸為5m，雨水、污水、燃?xì)?、上水管線網(wǎng)格尺寸為0.1m，電力、電信管線網(wǎng)格尺寸為0.1m。網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量見(jiàn)表3。

表3 網(wǎng)格劃分成果統(tǒng)計(jì)

地層網(wǎng)格劃分成果見(jiàn)圖7；倒虹吸及地下管線網(wǎng)格劃分成果見(jiàn)圖8。

圖7 土層網(wǎng)格劃分成果圖

圖8 倒虹吸網(wǎng)格劃分成果圖

模型采用自動(dòng)約束限制底部及側(cè)向位移；荷載采用荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合[9]，永久作用標(biāo)準(zhǔn)值取土體及管道自重，可變作用準(zhǔn)永久值考慮車輛荷載，準(zhǔn)永久值系數(shù)取0.4。

2.4 施工階段定義

為了模擬不同施工階段開(kāi)挖對(duì)管線的影響，需根據(jù)施工工序定義施工階段。為方便建模，本次簡(jiǎn)化開(kāi)挖步驟，將倒虹吸暗挖劃分為28個(gè)階段：階段0為初始應(yīng)力計(jì)算，消除初始沉降的影響；階段1～8為豎井開(kāi)挖及初次襯砌，豎井1#和2#同時(shí)開(kāi)挖，豎井1#第一步開(kāi)挖深度為1.63m，豎井2#第一步開(kāi)挖深度為2.2m，其余開(kāi)挖深度均為1.5m，開(kāi)挖完一個(gè)步長(zhǎng)、完成初襯后再進(jìn)行下一步開(kāi)挖；階段9～27為涵身段開(kāi)挖及初次襯砌，涵身段開(kāi)挖由豎井1向豎井2#方向進(jìn)行，每次開(kāi)挖長(zhǎng)度為3m，開(kāi)挖為臺(tái)階開(kāi)挖，先開(kāi)挖上部土體、完成上部初襯后再開(kāi)挖下部土體，完成下部初襯后再進(jìn)行下一步開(kāi)挖。

3 模擬結(jié)果及分析

利用Midas/GTS軟件按施工開(kāi)挖工序模擬倒虹吸開(kāi)挖過(guò)程，得到不同開(kāi)挖工序下倒虹吸開(kāi)挖引起的地下管線沉降結(jié)果，。通過(guò)對(duì)每個(gè)工序進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)：熱力管線和電信管線(左)最大沉降量發(fā)生在階段19；污水管線最大沉降量發(fā)生在階段21；雨水管線最大沉降量發(fā)生在階段22；上水管線最大沉降量發(fā)生在階段23；電信管線(右)和電力管線(3組)最大沉降量發(fā)生在階段25；燃?xì)夤芫€最大沉降量發(fā)生在階段26；后續(xù)開(kāi)挖不會(huì)引管線繼續(xù)沉降。模擬結(jié)果見(jiàn)圖9—14。

圖9 階段19沉降位移圖

圖10 階段21沉降位移圖

圖11 階段22沉降位移圖

圖13 階段25沉降位移圖

通過(guò)以上模擬結(jié)果可看出：當(dāng)開(kāi)挖至現(xiàn)狀管線正下方時(shí)，引起的管線沉降量并不是最大的；繼續(xù)開(kāi)挖，當(dāng)后續(xù)開(kāi)挖施工主要影響區(qū)分界線剛好位于管線底部時(shí)，管線的沉降達(dá)到最大值。這是因?yàn)閹r土開(kāi)挖后，地層釋放應(yīng)力形成潛在破裂角，在破裂角范圍內(nèi)的土體會(huì)繼續(xù)沉降，引起管線沉降。施工主要影響區(qū)可參照《穿越既有道路設(shè)施工程技術(shù)要求》[10]和《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[11]進(jìn)行初步估算。

該暗挖倒虹吸于2015年施工，污水和燃?xì)夤芫€監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 管道最大沉降量監(jiān)測(cè)成果表 單位：mm

利用Midas/GTS軟件的結(jié)果標(biāo)記功能，讀取每處管線的最大沉降量，最大沉降量統(tǒng)計(jì)成果見(jiàn)表5。

表5 管道最大沉降量數(shù)值模擬成果表 單位：mm

通過(guò)表4—5可得出：數(shù)值模擬沉降量與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果基本上吻合，數(shù)值模擬沉降量比監(jiān)測(cè)值大，原因是地層參數(shù)取值與實(shí)際情況有差別，地勘成果取值有一定的安全系數(shù)。模擬結(jié)果表明利用Midas/GTS進(jìn)行數(shù)值模擬的結(jié)果能預(yù)估暗挖引起的地下管線沉降量，可為設(shè)計(jì)工作提供計(jì)算依據(jù)。

通過(guò)表5的數(shù)據(jù)可看出：(1)燃?xì)夤芫€沉降量最大，因?yàn)槿細(xì)夤芫€距離豎井2#1.6m、距離涵頂4.4m，同時(shí)受豎井和涵身開(kāi)挖的影響，且豎井2#尺寸較暗涵身尺寸大，引起的沉降也多，其次豎井2#和該段涵身全部位于粉質(zhì)黏土層，土體彈性模型E小，泊松比大，引起的沉降量更大；(2)熱力管線沉降量最小，因?yàn)闊崃芫€距離兩豎井均較遠(yuǎn)，距離暗涵頂3.2m，僅受涵身開(kāi)挖的影響，且該段涵底位于中等風(fēng)化巖層，涵頂位于碎石層，土體彈性模型E大，泊松比小，產(chǎn)生的沉降量較??；(3)電信管線、電力管線沉降較大，因?yàn)槠錇槿嵝怨芫€，自身彈性模型E小，泊松比大，易隨土體沉降。

根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[11]的要求：燃?xì)夤芫€和供水管線沉降累計(jì)值為10～30mm，變化率為2(mm/d)，雨污水管線沉降累計(jì)值為10～20mm，變化率為2(mm/d)。通過(guò)模型計(jì)算的地下管線沉降分析，可看出根據(jù)不同地層設(shè)計(jì)的開(kāi)挖支護(hù)方案能滿足要求。

4 結(jié)論

本文建立數(shù)值模型的方法可為讀者提供借鑒；分析結(jié)果可為類似工程設(shè)計(jì)提供參考：(1)當(dāng)豎井、倒虹吸涵身段位于中等風(fēng)化巖層時(shí)，初次襯砌噴0.1m混凝土+錨桿即可滿足設(shè)計(jì)、施工要求；(2)當(dāng)豎井、倒虹吸涵身段位于粉質(zhì)黏土層時(shí)，初次襯砌采用格柵噴射混凝土結(jié)構(gòu)可滿足設(shè)計(jì)、施工要求。但本文施工地層無(wú)地下水，穿越土層為粉質(zhì)黏土和巖層，工程地質(zhì)條件較好，因此分析結(jié)果不適用于較復(fù)雜的地層，結(jié)果使用范圍有一定的局限性；當(dāng)遇施工地質(zhì)條件較為復(fù)雜時(shí)，可按上述思路另行分析。