城市地下综合管廊建设中相关岩土工程问题的探讨

张宏建，岑仰润，熊晓亮，刘恒新，赖小勇

（杭州市勘测设计研究院，浙江 杭州 310012）

城市地下综合管廊建设中相关岩土工程问题的探讨

张宏建，岑仰润，熊晓亮，刘恒新，赖小勇

（杭州市勘测设计研究院，浙江 杭州 310012）

城市地下综合管廊对于城市建设具有重要意义，可以有效地缓解城市道路积水、交通拥堵；解决反复开挖路面；防止管线破裂等事故发生。由于管廊深埋地下，同时我国地大物博，南北地层条件差异大，建设过程中不可避免地会遇到各种各样的岩土工程问题。为了给管廊的选址、勘察、设计、施工提供参考，在此针对管廊建设中可能遇到的一些主要问题进行探讨，主要包括以下方面∶区域地质构造运动及地震效应、滑坡导致的管廊变形；软弱地基引起的管廊不均匀沉降；开挖方式问题；地铁长期振动对管廊的影响。

城市；地下综合管廊建设；岩土工程

地下综合管廊是指在城市地下用于集中铺设通信、电力、给排水、热力、燃气、广播电视等市政管线的公共隧道。地下综合管廊可以将各种管线统一规划、设计、施工，为管线的管理、日常维护提供极大便利。避免路面反复开挖，阻碍交通，影响城市形象；防止管线破裂等一些事故危害人民生命财产安全。

目前，我国城市地下综合管廊建设还比较滞后，除了各管线部门沟通不畅的原因外，我国关于地下综合管廊的技术规范还比较欠缺，建设经验不足。中国地大物博，各个城市地质条件、土层性质都不一样，南北差异大，所以综合地下管廊建设难度，需要考虑的涉及到岩土工程方面的问题也不一样。这里，笔者就管廊建设需要考虑的一些主要岩土工程问题进行分析。

1 不良地质条件问题

1.1 区域地质构造及地震效应

常见地质构造中，断层对管廊危害较大。当管廊穿越断层时，在地震效应作用下，管廊将发生破坏［1］。断层可分为走滑断层、正断层、逆断层。走滑断层主要发生在水平面，对管廊产生剪切作用；正断层由重力和张力作用下形成，易使管廊发生拉伸变形；逆断层受到挤压应力作用形成，易使管廊承受压缩变形。

管廊穿越断层时，破坏模式有3种可能性：拉裂、局部屈曲和梁式屈曲［2］。对于跨断层管廊目前并无明确的技术规范进行结构抗震设计，活动断层作用下管廊变形破坏一般发生在断层两侧，所以在管廊选线设计时，应尽量避免穿越断层，不能改线时，应考虑断层和地震综合作用下管廊的变形破坏模式，并提出应对措施。

饱和粉砂土由于孔隙中充满水，在一定强度地震作用下，孔隙水压力上升，导致土体之间骨架受力逐渐变小，即有效应力变小，最后趋于零，土颗粒处于悬浮状态，粉砂土抗剪强度消失，丧失承载力，产生液化现象。管廊地基土液化后承载力消失，将发生液化沉陷，对管廊工程造成极大破坏。对于液化沉陷，现行规范规定了明确的处理措施。综合管廊工程按照乙类建筑物进行抗震设计［3］，规范规定，抗震设防烈度小于等于6度时，可不进行液化辨别，液化判别标准详见规范GB 50011—2011［4］。地基液化等级为轻微时，应部分消除液化沉陷，对基础或上部结构进行处理；地基液化等级为中等时，全部消除液化沉陷或部分消除液化沉陷且对基础和上部结构处理；地基液化等级为严重时，全部消除液化沉陷。

砂土液化过程中，管道变形破坏的过程是极其复杂的。由于超孔隙水压力急剧上升，管道所受浮力增大，同时土骨架之间有效应力减少导致上覆土抗浮作用减弱，因此，管廊抗浮设计应引起充分重视。现场震害和室内模型试验证明，管道由于浮力作用遭受破坏这一问题甚至比由于地基承载力的丧失造成震陷更加突出［5］。管廊抗浮设计并无明确规范规定。设计时在消除液化土层的同时，应考虑抗浮验算，加强场地地基土的排水条件，消散液化时的超孔隙水压力。在液化层和非液化层处管道设置接头，增强管廊的抗变形能力。

1.2 滑坡

我国一些城市丘陵地带，山体比较多，比如重庆，滑坡灾害多发，在滑体上施工地下管廊需要开挖一条狭长的沟槽，形成临空面，使得原本欠稳定的边坡产生滑坡。管廊除受到垂直的土压力之外，还受到斜向下的滑坡推力（图1），极易发生变形破坏。由于管廊中有给、排水管道，管道破裂之后，造成漏水，使得滑坡地下水位上升，土体容重增加，软化土体导致其抗剪强度降低，将加速滑坡滑动。

图1 滑坡中管廊位置示意图

管廊设计施工应进行详细的工程地质勘察，评价边坡稳定性，避免在滑动带埋设管廊，如确实不能绕开，对于欠稳定边坡，应对其进行加固治理，以提高其稳定性。

1.3 软弱地基

我国沿海地区、内陆平原和山间盆地都广泛分布滨海相沉积软土和内陆河湖沉积软土，这些软土包含饱和软弱黏性土、淤泥［6］。此类土层对埋置于其中的管廊受力变形影响很大。

对埋置于软弱土中的管廊进行三维有限元分析，管廊截面尺寸采用标准断面，见图2。

图2 管廊截面图

有限元模拟主要参数见表1。

表1 有限元模拟主要参数

有限元模型见图3，模型总宽度50 m，软弱土处于中间位置，宽度分别为10、20、30 m。不考虑因固结而产生的沉降，管廊基坑开挖后位移清零，管廊和明挖基坑回填土产生的重力荷载作为上部荷载施加在坑底地基上。

图3 有限元模型示意图

图4 软弱土层不同宽度下管廊沉降量

由图4可知，管廊最大沉降量发生在软弱土中间位置，软弱土宽度越宽，沉降量越大。说明软弱土分布情况对管廊不均匀变形影响很大，管廊最大沉降处结构的变形应满足规范要求［3，7］。实际工程中，应做好前期地质勘察工作，计算地基不均匀沉降带来的影响。

城市中常见不良地基土还有欠固结土、膨润土、湿陷性黄土等，设计时综合考虑土体的特殊性质，采取合理的地基处理措施。同时，一些并不常见的不良地质条件比如岩溶、土洞、地裂缝等，也应在管廊结构设计中引起充分的重视，管廊施工前应评估其影响，必要的话及早整治，防止施工后对管廊造成影响。

2 开挖问题

城市地下综合管廊属于地下空间的开发利用，自然涉及到开挖问题。目前地下管道常用开挖方法有明挖法、暗挖法。

2.1 暗挖法

暗挖法包括盾构法、矿山法、顶管法。盾构法对土层的适应性比较强，在土和软岩中均可掘进，而且施工速度快。成功使用盾构法建设的管廊有天津海河地下综合管廊，由于管廊需要在河道下面施工，常规开挖方法不适用。但是盾构法施工造价很高，成本几乎接近地铁隧道建设，不能大面积推广。矿山法主要适用于粉质黏土和软岩，对于含水量高的土层需要采取多种措施，施工速度慢，地层适应性差。顶管法主要用于软土地区，施工工艺比较复杂，不宜长距离顶进，否则管廊容易偏位，需要设置大量工作井，不适合城市地下管廊的施工。

2.2 明挖法

我国在建及已建成的地下综合管廊建设中，最常用的开挖方法还是明挖法，采用明挖法时，为防止开挖时土体坍塌，必须对基坑采取支护。宁波东部新城地下管廊建设开挖时采用明挖法，基坑支护形式采用搅拌桩加一定深度的放坡开挖，坡面喷射混凝土护面［8］；广州大学城地下综合管廊全长约10 km，开挖时主要采取两种基坑支护形式：1）放坡开挖，坡面50 mm 厚水泥砂浆护面；2）土质较差段采用钢板桩+钢支撑［9］；大连小窑湾综合管廊建设基坑支护形式同样采用放坡、钢板桩+钢支撑基坑支护形式［10］。

对基坑进行支护时，常用支护形式有如下几种：

1）当开挖深度较浅，土质较好，周边有足够的放坡空间时，可采用放坡开挖；

2）土质较差，挖深较深时，采用钢板桩+钢支撑；

3）挖深较浅，对变形要求不严格时，可采用重力式挡墙支护；

4）挖深很深，土质较差，可采用灌注桩+钢支撑，当采用多道支撑时，建议第一道支撑采用钢筋混凝土支撑，防止支撑被拉坏。由于现场情况千差万别，基坑设计方应根据开挖深度、土质情况、周边环境情况选择合理的基坑支护形式。

基坑支护施工时应保证施工质量，防止事故发生。以下是基坑设计施工中的一些常见事故：

1）砂土中发生坑壁漏水时，容易诱发流砂管涌，造成地面坍塌；

2）坑底存在承压水且上覆土压力厚度不足以承受承压水压力水头时，引起突涌，应降低承压水头或采取其他措施，防止事故发生。

3）当坑底存在有害气体时，应防止气体溢出，否则坑底将形成空洞，造成土体下沉。

4）当支护结构比较弱时，还可能诱发土体的整体破坏。

3 其 他

我国已经修建地铁的城市有北京、上海、杭州、宁波、广州、天津、南京等，正在修建地铁的城市有杭州、苏州、南昌、无锡、成都、重庆等。无论大、中、小城市都在掀起地铁建设的热潮。但是，地铁对工程领域却会造成一定影响。由于地下管廊也是在开发城市地下空间，城市地下管廊和地铁隧道将不可避免地相距很近，笔者就地铁列车的长期震动对管廊造成的影响进行有限元分析。

土层主要参数见表2。

表2 土层主要参数

计算模型见图5。

图5 计算模型

土层基床系数及阻尼系数根据土的性质求得。列车行驶时，存在钢轨几何不平顺性和轨面波形磨耗效应。求解列车动力荷载时，需考虑到上述因素。对钢轨取3个典型波长：

1）考虑到车本身的不平顺性，波长L1= 10 m，正矢a1=5 mm；

2）考虑到附加动力荷载产生的不平顺性，波长L2=1 m，正矢a2= 0.3 mm；

3）考虑到波形损耗的不平顺性，波长L3= 0.5 m，正矢a3=0.1 mm。根据梁波［11］提出的列车动力荷载模型，荷裁随时间变化曲线见图6。取列车正常运行速度v=60 km/h，即列车动力荷载为：

图6 荷载随时间变化曲线

有限元计算进行时程分析时采用直接积分法，计算时间为10 s。计算结果见图7、图8。

图7 列车动荷载作用下模型最大竖向位移云图

图8 列车动荷载作用下管廊沉降随时间变化图

由计算结果可知，管廊底最大沉降约为0.8 mm。

当列车长期运行时，根据Monismith［12］，Li和Selig［13］提出的循环荷载作用下路基的累计塑性变形，计算管廊的竖向沉降，见下式。

式中：εp为土的塑性应变；

a、b、m为土层常数；

N为动荷载循环次数；

qd为动偏应力；

qf为土的静强度；

s为累计沉降值；

hi为第i层土厚度。

对于软土取a=1.2、b=2.1、m=0.2；黏土取a=0.9、b=2.0、m=0.18［13］。根据有限元计算提取的应力结果，软土层中qd=2.4 kPa，qf=195 kPa，黏土层中qd= 5.3 kPa，qf=1 050 kPa。

假设地铁一年运行20万次，通过计算可得地铁长期运行对管廊沉降造成的影响，见图9。

图9 列车动荷载长期作用下管廊沉降变化图

由计算结果可知，一年内管廊沉降达到20 mm左右，长期列车动荷载对管廊沉降影响明显，此后10年内管廊沉降增长速度放缓。为防止不均匀沉降对管廊带来的影响，对距地铁隧道距离较近处管廊地基应加强。同时验算地铁车辆运行引起的震动对综合管廊内各种管线的影响，如有必要，应加设弹性支座等各种减震、隔震设施。

4 结 语

城市地下综合管廊在规划选线、地基条件、开挖深度、施工工艺、涉及到的周边环境、地质条件因地区不同而表现出很大的差异性，涉及到的岩土工程问题也不一样。规划、设计施工前，应做好详细的地质勘察工作，评估不良地质条件对管廊建设造成的影响。加强施工阶段的监测，力求做到信息化施工，及时发现问题，防范于未然，最终实现管廊建设的跨越式发展。

［1］ 朱庆杰，陈艳华，蒋录珍. 场地和断层对埋地管道破坏的影响分析［J］.岩土力学，2008，29（9）∶ 2392-2396.

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Discussion on the Problems of the Relevant Geotechnical Engineering in the Construction of Urban Underground Conprehensive Pipe Gallery

ZHANG Hongjian， CEN Yangrun， XIONG Xiaoliang， LIU Hengxin， LAI Xiaoyong

TU990.3

B

1008-3707（2016）08-0013-05

2016-03-30

张宏建（1982—），男，江苏南通人，工程师，从事岩土工程设计方面的工作。