工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (5): 1203-1210   (4294 KB)    
地下综合管廊穿越地裂缝变形与受力特征研究
闫钰丰, 黄强兵①②, 杨学军, 王平    
① 长安大学地质工程与测绘学院 西安 710054;
② 西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室 西安 710054;
③ 中国市政工程西北设计研究院有限公司 西安 710075
摘要:以西安市昆明路地下综合管廊穿越f3地裂缝为研究对象,基于有限元数值模拟分析了地裂缝错动作用下分段地下综合管廊的变形与受力特征。结果表明:地裂缝错动作用下地下管廊顶板竖向沉降变形整体上呈现反“S”形特征,其变形量随地裂缝错动量的增大而增大;管廊结构纵向变形大致可划分3个变形段即下盘翘曲变形段、不均匀沉降段和上盘整体沉降段;在管廊设计使用寿期100 a内地裂缝错动量为50 cm时,管廊接头部位顶板的水平位移在地裂缝带处达到峰值,为4.1 cm,而底板水平位移为3.2 cm,管廊接头部位易发生张开、错位破坏现象,应予以加固;在地裂缝带附近,上盘管廊底板的接触压力减低至0,存在底板脱空现象,应预留注浆孔便于必要时进行注浆加固处理,而下盘管廊底板的接触压力则有明显增大的趋势;当地裂缝错动量超过20 cm时管廊结构顶、底板的拉应变超过了混凝土的极限拉应变,管廊变形破坏模式主要为拉张破坏。研究结果可以为西安市及其他地裂缝发育区地下综合管廊穿越地裂缝带的结构设计提供科学依据。
关键词地下综合管廊    地裂缝    有限元数值模拟    沉降变形    应变    变形破坏模式    
RESEARCH ON THE DEFORMATION AND FORCE CHARACTERISTICS OF UNDERGROUND UTILITY TUNNEL CROSSING GROUND FISSURE
YAN Yufeng, HUANG Qiangbing①②, YANG Xuejun, WANG Ping    
① College of Geology Engineering and Geomatics, Chang'an University, Xi'an 710054;
② Key Laboratory of China's Western Mineral Resources and Geological Engineering, Ministry of Education, Xi'an 710054;
③ CESCEC AECOM Consultants Co., Ltd., Xi'an 710075
Abstract: This paper takes the Kunming road underground utility tunnel crossing through f3 ground fissure in Xi'an city, China as research object. The deformation and force characteristics of underground segmented utility tunnel is analysed with finite element numerical simulationmethod. The results show that the vertical settlement deformation at the roof of underground utility tunnel exhibits reverse-S shape as a whole, and increases with the settlement of the hanging wall of ground fissure increasing. The longitudinal deformation of underground utility tunnel can be divided into three deformation sections:warping deformation section at the hanging wall of ground fissure, differential settlement section, and integral deformation section at the footwall of ground fissure. Under the action of ground fissure with a vertical dislocation 50 cm in the design life of 100 years, the horizontal displacement peak value of utility tunnel roof appears in the position of ground fissure zone. The maximum values are 4.1 cm on roof and 3.2 cm on the floor of utility tunnel. The joints between utility segmented tunnels is easy to pull apart and be damaged and should be reinforced. Nearby the ground fissure zone, the contact pressure between the utility tunnel floor and soil stratum decreases to 0 at the hanging wall with the increase of vertical dislocation of ground fissure and underground utility tunnel floor appears disengaging phenomenon. Grouting holes should be reserved convenient to grouting treatment, But the contact pressure between underground utility tunnel roof and soil stratum has an increase trend. The strain of the underground utility tunnel roof and floor exceeds the limit of the concrete strain when settlement of the hanging wall of ground fissure reaches 20 cm. Therefore, the deformation and failure mode of the underground utility tunnel is mainly tensile failure under the action of ground fissure. The research can provide a scientific basis for engineering design of underground utility tunnel crossing ground fissure zone in Xi'an city and other developed areas of ground fissure.
Key words: Underground utility tunnel    Ground fissure    Finite element numerical simulation    Settlement deformation    Strain    Deformation and failure mode    

0 引言

地下综合管廊又叫“共同沟”,其概念和建设最早起源于法国,历经近两个世纪的研究、建设和探索,已逐渐成为发达城市重要基础设施的一部分。地下综合管廊是一种有较高集约度的线性工程,它的应用与建设解决了管道敷设过程中马路反复开挖和城市上空通讯线路“蜘蛛网式”分布的问题。国外对管廊的建设起步较早,1833年法国巴黎就开始系统性地修建地下综合管廊。此后,英国、德国、瑞典等欧洲国家也开始了综合管廊的建设工作,日本是当今世界上综合管廊应用最广、法律最完善、规划最完整、技术最成熟的国家,并在1963年发布了《共同沟实施法》来解决综合管廊建设过程中的一些关键性问题,同时成立相关部门来推动管廊的建设。我国对管廊的建设起步较晚,1958年在北京天安门广场下建设了第一条地下综合管廊;1994年底上海浦东新区建设了我国第一条大规模的现代化地下综合管廊。随着我国推动“海绵城市”的建设,广州、深圳、连云港等城市也先后展开了地下综合管廊的建设工作。地下综合管廊作为一种特殊的地下生命线工程,其变形与破坏可能会导致较为严重的城市地质灾害和其他次生灾害,如1964年日本新潟7.5级地震导致综合管廊因砂土液化出现上浮现象,砂土流入管廊内部造成结构破坏;1971年日本宫城地震导致综合管廊之间接头发生拉张破坏,泥沙和地下水涌入管廊造成管廊功能失效;1994年Northridge地震直接导致综合管廊发生爆炸,造成了严重的人员和财产损失。

众所周知,地裂缝是西安最典型的城市地质灾害,西安市地下综合管廊的建设面临最大问题就是地裂缝问题。西安地裂缝呈带状横贯整个市区,严重制约了西安市地铁隧道和综合管廊的建设工作。国内学者通过开展大型物理模型试验,研究了地铁隧道跨越地裂缝带的变形和受力特征,并提出相关工程对策(范文,2008黄强兵,2009彭建兵等, 2012, 2017)。同时,有学者通过开展数值模拟计算研究地铁隧道穿越地裂缝带的破坏区域和破坏特征(吴明,2015孟振江等,2017),对地裂缝环境下地层与结构相互作用的力学机理也有了深入的研究(黄强兵等,2016刘洋等,2017)。而针对管廊的研究目前国内外主要集中在管廊的抗震性能上,国外学者首先开展了砂土液化导致管廊破坏机理研究(高田至郎等,1991),然后分析了地震中管廊的受力特点,并研究了导致管廊破坏的原因(NCEER,1999),最后研究了管土之间相互作用的机理,同时提出了管廊的加固方案(Shamsabadi et al., 2001, 2002)。国内学者通过振动台模型试验研究地下综合管廊的动力响应以及管-土接触面的地震响应规律(史晓军等,2008);基于模型试验研究了Rayleigh波作用下管廊的震动响应特征,发现管廊结构以整体弯曲变形为主,顶面应变约为底面应变的两倍,与Rayleigh波沿深度衰减的规律相类似(岳庆霞等,2008);以非一致地震激励地下综合管廊振动台模型试验结果为基础应用有限元软件建立三维模型进行数值模拟,发现模拟结果与试验结果几乎一致,这为采用数值模拟的方法研究地下综合管廊奠定了基础(蒋录珍等, 2010, 2015);还有学者以实际工程为依托开展了地下综合管廊的足尺试验来研究其变形与受力特征(胡翔等,2010)。但从总体上来看,目前国内外对于地下综合管廊的研究主要集中在管廊的抗震性能及优化施工方法等方面,对于大跨度、大空间的城市综合地下空间、综合管廊等复杂地下空间系统穿越地裂缝带的防治技术及变形受力规律的研究依然较少。地裂缝错动时可能造成综合管廊的错动变形,进而影响管廊内部管线的正常运行,甚至引起天然气的泄露或爆炸等次生灾害,从而引发难以预估的城市灾害。在以往的工程实践中,往往采用避让的方式来避开地裂缝的影响区,但是对于地下综合管廊、地铁隧道等线性工程却无法避让,因此研究地下综合管廊穿越地裂缝的变形及受力特征显得尤为重要。

本文以西安市昆明路地下综合管廊穿越f3地裂缝为研究对象,基于有限元数值模拟开展地裂缝错动作用下分段地下综合管廊的变形与受力特征研究,为西安市及其他地裂缝发育地区地下综合管廊的设计和施工提供重要的科学依据和参考。

1 研究工程背景
1.1 西安市地下综合管廊概况

西安作为“西部大开发”政策的桥头堡,“一带一路”战略的起点,在国际化大都市建设的过程中,对城市基础设施建设也提出了更高的标准和要求,建设地下综合管廊是实现西安基础设施弹性化、集约化和可持续发展的重要措施。西安市于2016年确定建设“一环、六放射、多组团”的干支线地下综合管廊体系。然而,西安市特殊的地裂缝环境地质条件对地下空间的建设埋下了安全隐患。已探明西安市共分布有14条地裂缝,并仍在以每年2~16 mm·a-1的速率活动着,同时还不断出现新的地裂缝带,这导致地下综合管廊穿越地裂缝带不可避免(图 1)。拟建西安市昆明路地下综合管廊全长3.74 km,与f3地裂缝相交。

图 1 西安市地下综合管廊与地裂缝平面分布图 Fig. 1 Plane distribution of underground utility tunnel and ground fissures in Xi'an city

图 2 3-3'地层剖面图(单位:m) Fig. 2 Stratum section of 3-3'(unit: m)

1.2 f3地裂缝概况

f3地裂缝西段西起北石桥污水处理厂,向东穿越昆明路、经西安焦化厂、西安高压开关厂、劳动村、至西部木材厂。f3地裂缝在昆明路上活动强烈,南盘相对北盘下降2~5 cm。整体走向NE-SW展布,倾向SE,地裂缝倾角为80°。本次模拟计算选取昆明路3-3'剖面为依托工点,地层剖面如图 2所示,模拟计算时将每层土体简化为均质体。

2 有限元数值模拟
2.1 模型的建立

本次数值模拟以昆明路地下综合管廊穿越f3地裂缝带为研究对象,管廊分上下两层,5个舱室的非对称结构,顶板宽度12.0 m,底板宽13.2 m,管廊高度11.0 m,标准断面如图 3所示。采用Midas GTS大型有限元分析软件建立计算模型,模型尺寸:长×宽×高=180 m×40 m×30 m,即x轴方向是40 m,y轴方向是180 m,z轴方向是30 m,地裂缝倾角取80°。管廊采用浅埋明挖法施工,现场浇筑混凝土结构,每30 m浇筑一段,共分6段,管廊埋深约3 m,分段管廊正交穿越地裂缝带(图 4),计算模型(图 5)。

图 3 地下综合管廊设计示意图 Fig. 3 Design diagram of underground utility

图 4 管廊与地裂缝正交示意图 Fig. 4 Schematic diagram of underground utility tunnel or thogonally crossing ground fissure zone

图 5 有限元计算模型 Fig. 5 Schematic diagram of FE numerical calculation model

2.2 接触面及计算参数

地裂缝属于软弱结构面,经探查西安地裂缝带常常被粉土、细砂等填充,GTS软件提供的interface接触单元可以模拟单元间的相对滑动或滑移,能够较好地反映错动过程的力学特征。计算时需为interface接触面单元赋KnKtcφ这4个参数,其中KnKt是接触面的法向刚度和切向刚度,cφ分别是接触面的黏聚力和内摩擦角,其计算取值如下:

$ \begin{array}{l} {K_n} = {E_{omd, i}}/{t_v}\\ \;\;\;{K_t} = {G_i}/{t_v}\\ \;\;{c_i} = R \times {c_{soil}} \end{array} $

式中,$ {E_{omd, i}} = \frac{{2{G_i}\left({1 - {v_i}} \right)}}{{1 - 2{v_i}}} $νi为界面的泊松比,一般取0.45;tv为虚拟厚度系数(取值范围为0.01~0.1,围岩和结构性质相差越大,取值越小);$ {G_i} = R \times {G_{soil}}\left({{G_{soil}} = \frac{E}{{2\left({1 + {v_{soil}}} \right)}}} \right) $R为强度折减系数。地层土体与接触面的参数如表 1表 2所示。

表 1 数值模拟计算参数 Table 1 Parameters of numerical simulation calculation

表 2 接触面计算参数 Table 2 Computing parameters of interface

2.3 边界条件与计算工况

地裂缝的活动类似正断层错动的情况,即下盘保持稳定,上盘发生沉降变形。计算时给模型的x方向和y方向施加水平约束,模型的底部则施加z方向垂直约束,顶部设置为自由面。通过在上盘底部施加强制位移来模拟地裂缝的错动情况。地下综合管廊的设计年限为100 a(《城市综合管廊工程技术规范》(GB50838-2015)),而西安地裂缝在100 a内的最大垂直位错量建议值为500 mm,分5种工况进行模拟计算,即上盘累计沉降10 cm,20 cm,30 cm,40 cm,50 cm。

3 计算结果及分析
3.1 地层变形规律

图 6图 7是地裂缝错动50 cm时模型的竖向及水平位移云图。由图可见,地裂缝作用下上盘地层发生了明显的沉降变形,沉降变形区在地层埋深方向以“倒三角”的方式向地裂缝带两侧及地层深处扩展。同时,地表土体的水平位移明显,在地裂缝带处达到最大值,约为14.4 cm,因此判断在地裂缝带及附近靠近地表的地层容易出现拉破坏而产生地表破裂或裂缝。

图 6 模型竖向位移云图(sz=50 cm) Fig. 6 Vertical displacement nephogram(sz=50 cm)

图 7 模型水平位移云图(sz=50 cm) Fig. 7 Horizontal displacement nephogram(sz=50 cm)

图 8图 9为地表土体的竖向和水平位移曲线图。由图 8可知地裂缝作用下地表出现了明显的沉降现象,在下盘距地裂缝45 m、上盘距地裂缝55 m的范围内沉降现象尤为明显,而在此范围外地表土体的沉降趋势较为平缓,因而可以认为地表的不均匀或差异沉降主要发生在该范围内。水平位移在靠近地裂缝带有增大的趋势,在下盘距地裂缝38 m、上盘距地裂缝49 m的范围内水平位移的增长趋势较为明显,并在地裂缝带处水平位移达到峰值(图 9)。

图 8 地裂缝不同位错量作用下地表竖向位移曲线图 Fig. 8 Vertical displacement curve of ground surface under the action of ground fissure

图 9 地裂缝不同位错量作用下地表水平位移曲线图 Fig. 9 Horizontal displacement curve of ground surface under the action of ground fissure

3.2 分段管廊结构变形规律

图 10为地裂缝错动50 cm时地下综合管廊的竖向位移云图。从图中可以发现,位于上盘的管廊出现明显的沉降变形,而位于下盘的管廊则相对稳定,管廊表现为“弯曲变形”,在地裂缝带处尤为明显。同时,在下盘远离地裂缝的第一、二段管廊位移为正,说明该部分管廊出现了向上翘曲的现象。图 11是管廊顶板竖向位移曲线图,可以看到管廊的变形呈现反“S”的特征,顶板的竖向位移随地裂缝错动量的增加而增大,在下盘距地裂缝24 m,上盘距地裂缝55 m的范围内变形较为明显,而在远离地裂缝带处其变形趋于平缓与土体变形几乎一致。对比两图可以发现,位于下盘的第一段和第二段管廊在0~45 m的范围内位移为正,出现了向上翘曲的现象,但翘曲量较小,最大值为3.12cm,这样的翘曲变形对管廊结构的影响不大,基本可以忽略不计;第三段和第四段管廊是穿越地裂缝带的两段管廊,从图中可以看到这两段管廊出现了明显的沉降,且变形趋势较为明显,几乎呈直线状;第五、六段管廊位于上盘远离地裂缝的一端,其变形趋势基本趋于稳定,变形量也较小。综上所述,地裂缝环境下管廊的变形特征大致分为3段:翘曲隆起段(第一、二段管廊)、差异沉降段(第三、四段管廊)、整体沉降段(第五、六段管廊)。

图 10 管廊竖向沉降变形云图(sz=50 cm) Fig. 10 Vertical settlement deformation nephogram of underground utility tunnel(sz=50 cm)

图 11 管廊顶板竖向沉降变形曲线图 Fig. 11 Vertical settlement deformation curve of underground utility tunnel roof

图 12是管廊的水平位移云图,可以看到在地裂缝错动时管廊的顶板位移为正值,底部位移为负值。图 13图 14是管廊顶、底板的水平位移曲线图。从曲线图中可以发现,管廊顶、底板的水平位移呈现出“∧”和“∨”形,大致对称。由图可知第二至第五段管廊的变形十分明显,当地裂缝位错量为50 cm时在靠近地裂缝带处,管廊顶、底板的水平位移达到峰值,正向最大水平位移为4.1cm,负向最大水平位移为3.2cm(注:正向代表受拉,负向代表受压),在远离地裂缝带的两侧管廊水平位移逐渐减小,说明靠近地裂缝带的管廊更易发生拉张破坏。同时,分段管廊的接头部位即相接处的水平位移亦出现了明显的突变,说明管廊的分段接头处也容易发生张开变形或错位,导致地下水或泥沙涌入管廊内部,应注意加固处理。

图 12 管廊水平变形云图(sz=50 cm) Fig. 12 Horizontal deformation nephogram of underground utility tunnel(sz=50 cm)

图 13 管廊顶板水平变形曲线图 Fig. 13 Horizontal deformation curve of underground utility tunnel roof

图 14 管廊底板水平变形曲线图 Fig. 14 Horizontal deformation curve of underground utility tunnel roof

3.3 管廊与围岩土层接触压力变化特征

由于地下综合管廊为浅埋结构,埋深为3.0 m左右,地裂缝错动作用下管廊顶板地层压力均较小且较为均匀,而底板与围岩地层接触压力较明显。图 15给出了管廊底板与围岩地层接触压力的变化曲线。由图可知,管廊底板的接触压力在下盘距地裂缝42 m、上盘距地裂缝55 m的范围内有明显的变化趋势,在地裂缝带处底板接触压力存在突变的现象。地裂缝环境下管廊底板的接触压力主要表现为下盘在靠近地裂缝带处有明显增大的现象,而上盘靠近地裂缝带处有明显减小的现象,同时可以看到,随地裂缝错动,上盘底板接触压力不断减小接近0,说明管廊底板与围岩地层之间出现了脱空现象,设计时应预留灌浆孔,便于必要时进行注浆加固处理。此外,在管廊分段接头处接触压力存在较为明显的小幅波动,这说明在管廊连接处容易发生破坏,这与之前的分析结果一致。

图 15 管廊底板接触压力曲线图 Fig. 15 Contact pressure curve of underground utility tunnel floor

3.4 管廊结构应变变化规律

图 16图 17是管廊结构顶、底板的纵向应变曲线图。由图可知,管廊应变规律大致相反,顶、底板的应变值随地裂缝错动量的增大而增大,地裂缝错动作用下盘顶板处于受拉状态而底板处于受压状态,上盘则刚好相反,顶板受压底板受拉,而顶板采用C40混凝土材料,其极限压应变为εc=0.0033,极限拉应变为εt=0.0001(据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)),从图中可以看到,当地裂缝错动量为10 cm时,管廊就已经接近极限拉应变界限,错动量超过20 cm时拉应变值已经超过混凝土拉应变极限值,而管廊的底板均未超过极限压应变值,因而受拉区破坏要远早于受压区发生,施工时应及早进行加固处理。

图 16 管廊顶板纵向应变变化曲线 Fig. 16 Strain curves of underground utility tunnel roof

图 17 管廊底板纵向应变变化曲线 Fig. 17 Strain curves of underground utility tunnel floor

4 结论

通过地下综合管廊正交穿越地裂缝带的有限元数值模拟,分析了地裂缝错动作用下分段地下综合管廊结构的变形与力学行为,得出如下结论:

(1) 地裂缝错动作用下,分段地下综合管廊竖向变形呈反“S”曲线特征,沿纵向管廊结构变形大致可划分3个变形区段即下盘翘曲隆起段、地裂缝带处的差异沉降段和上盘整体沉降段。同时,管廊顶、底板水平位移在地裂缝处达到峰值,且分段管廊接头部位水平位移存在突变易发生水平错动导致管廊破坏。

(2) 地裂缝错动作用下管廊底板的接触压力,在下盘距地裂缝42 m、上盘距地裂缝55 m的范围内变化明显,在地裂缝带附近上盘底板的接触压力在减小至0,与围岩地层存在脱空现象,而下盘底板的接触压力则具有明显增大趋势。

(3) 地裂缝错动作用下分段管廊结构顶、底板的应变变化规律相反,下盘管廊顶板受拉,上盘受压,而下盘底板则受压,上盘受拉。地裂缝垂直位错量超过20 cm时,地下管廊的拉应变超过混凝土极限拉应变值,而管廊的压应变始终未超过混凝土的极限压应变,管廊结构变形破坏模式为拉破坏,在设计和施工时应及早加固,防止管廊受拉破坏。

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