装配式地下管廊穿越活动地裂缝的适宜性分析_徐强.pdf

第 19 卷第 2 期地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol192023 年 4 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringApr2023装配式地下管廊穿越活动地裂缝的适宜性分析徐强1，2，白超宇1，彭建兵1，卢全中1，3，李文阳1(1 长安大学 地质工程与测绘学院，西安 710054;2 西部绿色建筑国家重点实验室 西安建筑科技大学西安 710055;3 自然资源部地裂缝与地面沉降野外科学观测研究站，西安 710054)摘要:在地裂缝分布广泛的地区，装配式地下综合管廊穿越活动地裂缝的适宜性尚不明确。为了研究装配式地下管廊在地裂缝活动作用下的受力与变形特性，通过建立装配式地下综合管廊穿越地裂缝的三维有限元模型，设置了 10 cm、15 cm，20 cm 和 25 cm 4 种不同沉降量工况以及 45、60、75和 90 4 种不同的地裂缝与管廊相交角度，分别进行了数值模拟计算分析。结果表明:随着地裂缝活动量的增加，管廊的变形与纵向应力均呈增大的趋势，且当沉降量接近 20 cm 时，管廊底板最大纵向拉应力达到混凝土抗拉极限，位置在下盘接触且靠近地裂缝处;地裂缝与管廊交角越小，管廊最大纵向拉应力越小，但扭转效应明显;在地裂缝活动性较弱的场地，装配式管廊穿越地裂缝表现出对不均匀变形更优越的适宜性。研究成果对地裂缝活动作用下装配式管廊的破坏机理的研究以及灾害防治具有重要意义。关键词:装配式;地下管廊;活动地裂缝;变形响应;内力分析中图分类号:U4522文献标识码:A文章编号:1673-0836(2023)02-0670-10Suitability Analysis of Assembly Underground Utility Tunnel throughActive Ground FissuresXu Qiang1，2，Bai Chaoyu1，Peng Jianbing1，Lu Quanzhong1，3，Li Wenyang1(1 College of Geological Engineering and Geomatics，Changan University，Xian 710054，P China;2 State Key Laboratoryof Green Building in Western China，Xian University of Architecture Technology，Xian 710055，P China;3 Field ScientificObservation and esearch Station of Ground Fissures and Land Subsidence，Ministry of Natural esources，Xian 710054，P China)Abstract:In the area where ground fissures are widely distributed，the suitability of the assembly undergroundutility tunnel to pass through the active ground fissures is not clear In order to study the stress anddeformation characteristics of assembly underground utility tunnels under the action of ground fissures，three-dimensional finite element models of assembly underground utility tunnels crossing the ground fissures wereestablished Four different settlement conditions of 10cm，15cm，20cm，and 25cm and four different intersectionangles of 45，60，75，and 90 were set The numerical simulation and analysis are carried out，respectivelyThe calculation results show that with the increase of ground fissure activity，the deformation and longitudinal stressof the utility tunnel increase When the settlement is close to 20cm，the maximum longitudinal tensile stress of thebottom plate of the utility tunnel reaches the tensile limit of concrete，which is located near the ground fissure in thefootwall The smaller the intersection angle between the ground fissure and the utility tunnel，the smaller the maximumlongitudinal tensile stress of the utility tunnel，but the torsional effect is obvious In the site with weak ground fissure收稿日期:2022-09-17(修改稿)作者简介:徐强(1986)，男，陕西榆林人，博士，讲师，从事地下空间开发及工程灾害防治的教学与研究工作。E-mail:538270385 163com通讯作者:彭建兵(1953)，男，湖北麻城人，博士，教授，中国科学院院士，从事工程地质与灾害地质方面的科研与教学工作。E-mail:dicexy_1 chdeducn基金项目:国家自然科学基金(41807243，41877250);西部绿色建筑国家重点实验室开放基金项目(LSKF202213);中央高校基金(300102261102，300102261202)activity，the prefabricated underground utility tunnel crossing the ground fissure shows better suitability foruneven deformation The research results are of great significance to the study of failure mechanism and disasterprevention of assembly utility tunnels under the action of ground fissuresKeywords:prefabricated;underground utility tunnel;active ground fissure;deformation response;internalforce analysis0引言地下综合管廊是城市地下空间开发的主要形式，用于集中布设电力、通信、广播电视、给水等市政管线的公共隧道，便于对各类管线进行抢修、维护、扩容改造等，能够大大缩减管线的抢修时间并减少对交通的围挡。对管廊的研究主要有管廊的力学响应与灾害响应等1-9。目前对于装配式管廊的研究主要包括装配式管廊受力分析、装配式管廊接头容许沉降分析以及密封橡胶防水性能研究等。赵文昊等10 采用数值模拟方法，对现浇式管廊和两种接口类型的预制拼接管廊进行了三维数值建模，得出相对于企口预应力拼装管廊接口，承口端更易发生失效的结论。周玉生11 通过模型试验，对橡胶密封圈的本构关系和极限抗压能力进行研究，得出了密封橡胶条的受力与变形特性，同时对真实的试验工况进行了数值模拟，最终验证了有限元模型在研究橡胶条受力与变形时的可靠性。西安地裂缝是西安城市主要的地质灾害之一，西安规划区已经基本查清 14 条活动地裂缝，每条地裂缝长度达数公里到数十公里，总长已超过200 km，覆盖面积约 250 km2 12。地裂缝活动对线型工程的安全性具有极大的隐患13-18。目前西安地裂缝的活动强度较过去有所减缓，但是仍保持在 15 mm/年，地裂缝活动的长期累积位错必将对管廊的运维产生不利影响。闫钰丰等19 研究了柔性接头管廊与地裂缝正交下的响应特征。胡志平等20 通过模型试验对管廊 45斜穿地裂缝时上下盘相对错动对管廊的变形规律进行了研究。王启耀等21 对双仓管廊 70大角度斜交地裂缝进行了数值研究，得出管廊同时具有纵向弯曲变形、横向剪切变形和扭转变形的结论21。徐强等22 分析了不同斜交角度对管廊穿越地裂缝的影响。已有的研究多集中在研究地裂缝活动对整体管廊的内力与变形破坏分析，对于地裂缝活动对装配式管廊的变形与破坏形式的分析却很少。西安已有城市管廊规划与地裂缝分布如图 1 所示20，可见地下综合管廊由于线性工程特征将不可避免受到地裂缝活动的影响。对于装配式管廊，由于每节管廊之间用承企口连接，与整体现浇式管廊破坏相比，装配式管廊由于管廊之间的柔性接头变形，降低了装配式管廊的受力。为探索地下综合管廊穿越地裂缝的适宜性，本文建立数值模型研究不同地裂缝活动工况对装配式管廊的变形与内力影响机制23-29。1地裂缝对管廊影响作用数值模型西安地裂缝的倾角多在 80左右，地下综合管廊一般采用明挖施工。目前西安地裂缝的活动量为 15 mm/年，地下综合管廊的设计使用年限为100 年，若以最大活动速率 5 mm/年考虑，地下综合管廊需能够适应 500 mm 的地裂缝竖向差异沉降量，整体地下工程通常无法适应如此大的竖向变形。本文仅探讨在地裂缝活动性并不强烈的地区，管廊能够直接穿越地裂缝的可行性。地下综合管廊采用装配式预应力管廊穿越地裂缝，地裂缝的竖向沉降差取 100 mm、150 mm、200 mm 和 250 mm，西安地裂缝表现为上盘相对于下盘向下滑动，是一种正断层的蠕滑运动，所以本次对于地裂缝的模拟应保持下盘不动，上盘沿地裂缝倾角斜向下沉降12-13。为充分研究地裂缝对地下综合管廊的受力与变形响应范围，并依据西安管廊与地裂缝交角在 45 90之间，设置 4 种管廊与地裂缝交角45、60、75和 90。装配式管廊模型采用西安某实际工程设计方案，管廊截面尺寸及管廊配筋图如图 23 所示，每段管廊尺寸为 3 m33 m35 m(长宽高)(含接口)，管廊配筋率 05%，如表 2 所示，共取 20 段管廊共计 58 m 长，本文所述内容均按照上盘首节管廊为第 1 节管廊，地裂缝位于第 11 节管廊上。由于本文主要研究装配式管廊的受力与变形特性，故不考虑防水橡胶的作用。混凝土强度等级为C45，为消除边界影响，模型横截面尺寸取 58 m40 m40 m(长宽高)，混凝土材料本构采用弹1762023 年第 2 期徐强，等:装配式地下管廊穿越活动地裂缝的适宜性分析图 1西安地下综合管廊规划与地裂缝分布Fig1Xian underground utility tunnel planning and distribution of ground fissure性模型，土体本构采用莫尔 库伦模型。混凝土的弹性 模 量 为 33 500 MPa，混 凝 土 的 密 度 为 2500 kg/m3，泊松比为 024，预应力钢筋弹模为 200000 MPa，泊松比为 02。地层土性参数取西安实际地层参数如表 1 所示。表 1土层土性物理力学参数Table 1Physico-mechanical parameters of soil地层名称重度/(kNm3)弹性模量E/MPa泊松比 粘聚力c/kPa内摩擦角/()土层厚度/m杂填土17312003516517黄土1751370302010153粉质黏土 19219803030723地下综合管廊埋深较浅，通常在 14 m，考虑到车辆等路面荷载，本次管廊顶面覆土厚度取6 m。装配式管廊穿越地裂缝模型如图 4 所示，管廊采用有一定斜角的承企口连接，腋角开孔内径50 mm。为消除由于预应力钢筋拉伸造成的腋角处压应力集中分布，预应力钢筋两端截面取为与腋角相同的形状尺寸。模型计算采用导入 ODB 平衡地应力的方法，法向接触采用硬接触，目前摩擦系数取值多集中在图 2管廊断面及配筋Fig2Utility tunnel section and reinforcement02 07 之间，本次切向接触摩擦系数设为 03。钢筋网与管廊的约束采用内置区域。为消除地应力平衡阶段由于上下盘土重力差所导致的上下盘错动，地应力平衡时将上下盘设置为绑定约束，在地裂缝滑动分析步解除绑定，并且将上下盘土体间276地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷设置为面面接触。按照规范中所给出的橡胶最小防水压力 15 MPa 计算得到施加的预应力大小为85 MPa。预应力施加阶段和地应力平衡阶段给土体除顶面之外其余各面施加法向约束。通过上盘底部施加竖直与水平轴向的位移，上盘端部施加水平轴向的位移模拟地裂缝活动的过程。地裂缝活动是一个缓慢活动的过程，本应分级加载，由于分级加载与单次加载对计算结果影响差异较小，故 4种不同的竖向沉降量均采用单次施加的方式，仅考虑最终的地裂缝活动变形。图 3钢筋网模型Fig3Bar-mat reinforcement model表 2管廊横断面配筋Table 2einforcement for the cross-section ofutility tunnel编号钢筋简图规格16 15014 15012 15016 15016 15014 300图 4装配式管廊穿越地裂缝数值模型Fig4Numerical model of assembly utility tunnelcrossing ground fissure2计算结果与分析21地裂缝累积沉降量对地下综合管廊影响分析本节模型地裂缝全部取为第 11 节管廊底面中心处，地裂缝倾角 80，设置 100 mm、150 mm、200 mm 和 250 mm 4 种不同的上盘沉降量工况，研究不同地裂缝活动量下地下综合管廊的受力与变形特性。在后续的云图分析中，所涉及位移单位均为 m，应力单位均为 Pa。不同沉降量下的整体结构水平与竖向位移如图 56 所示。在地裂缝活图 5管廊水平轴向位移对比Fig5Comparison of horizontal axial displacementof utility tunnel3762023 年第 2 期徐强，等:装配式地下管廊穿越活动地裂缝的适宜性分析动量分别为 100 mm、150 mm、200 mm 以及 250 mm时管廊的最大水平位移分别为 18 mm、275 mm、37 mm 和 46 mm，几乎呈等间距变化，表明管廊最大水平位移大小与地裂缝活动量成正比。图 6管廊竖向位移对比Fig6Comparison of vertical displacement of utility tunnel不同沉降量下管廊纵向应力云图以及管廊底板中线的纵向应力变化规律如图 710 所示。管廊最大接口张开位移与最大拉应力均出现在管廊底板，且管廊底面拉应力极限值位于第 12 节管廊底板中心处，其原因可能是上盘管廊下沉对 12 节管廊产生较大向下的竖向力，使得第 12 节管廊下部土体对管廊的向上的反力明显增大，而螺栓连接不会使得管廊顶板产生较大拉力，致使管廊底板内壁受拉。随着地裂缝沉降量的增加，管廊底面最大纵向应力逐渐增加。地裂缝沉降 100 mm 到 150 mm 均未发生破坏，而当地裂缝沉降量达到 200 mm 时，管廊底面最大纵向应力值已经达到3407 MPa，超过 C45 混凝土的抗拉强度335 MPa，管廊已经发生受拉破坏。而此时管廊最大压应力集中在上盘管廊顶板外侧，管廊最大压应力为 1263 MPa，还未达到混凝土抗压强度。由此可见，装配式管廊破坏形式为底板受拉破坏。接口张开最大位移出现在第 8、9 节管廊之间，表明此处管廊的纵向拉力最大，变形主要由螺栓承担。顶底板接口张开位移向管廊两端逐渐减小，底板最大张开量略大于顶板，分布几乎对称于地裂缝两侧。4 种沉降量下管廊承企口最大张开量分别为 73 mm、11 mm、144 mm 和 1756 mm，基本呈现线性增长趋势。图 7不同沉降量下管廊纵向应力云图Fig7Contour of longitudinal stress of utility tunnelunder different settlements地裂缝不同沉降量下管廊底板接触应力变化规律如图 11 所示。由图可知，当地裂缝活动量为100 mm 时，管廊下表面中线接触压力全部为正，当地裂缝活动量超过 100 mm 后，管廊底部出现脱空区，且位于上盘的管廊底部接触压力随着地裂缝活动量的增加逐渐减小，可见地裂缝活动使得管廊下表面出现脱空区且范围不断加大。476地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷图 8不同沉降量下管廊企口张拉位移对比Fig8Comparison of tensioning displacement of utility tunneltongue-and-groove under different settlements图 9不同沉降量下管廊下表面纵向应力对比Fig9Comparison of longitudinal stress on the lowersurface of utility tunnel under different settlements不同沉降量下预应力钢筋纵向应力云图如图12 所示，预应力钢筋选用工程中常用的钢绞线，其抗拉强度为 1 960 MPa，随着沉降量的增加，预应力钢筋纵向应力逐渐增大，整体变形呈 S 形分布，当沉降量增大到 200 mm 时，预应力钢筋局部最大纵向应力达到 1 510 MPa，还未超出预应力钢筋的抗拉强度。忽略预应力钢筋两端的应力集中区，其余区域受力相对均匀，管廊底部预应力钢筋最大拉应力为 1 180 MPa，顶部最大拉应力为 1 090 MPa。图 10不同沉降量下管廊上表面纵向应力对比Fig10Comparison of longitudinal stress on the uppersurface of utility tunnel under different settlements图 11不同沉降量下管廊底面接触应力对比Fig11Comparison of contact stress at the bottom of utilitytunnel under different settlements图 12预应力钢筋纵向应力云图Fig12Longitudinal stress contour of prestressed steel bars5762023 年第 2 期徐强，等:装配式地下管廊穿越活动地裂缝的适宜性分析22不同穿越角度对地下综合管廊作用对比由 21 节分析可知，当地裂缝场地上盘沉降量达到 200 mm 时，管廊底板混凝土材料超过拉应力极限进而破坏。因此，本节取地裂缝场地上盘沉降量保持为 200 mm 不变，分析交角对管廊内力与变形的影响。沉降量为 200 mm 时，不同交角下管廊的纵向应力对比如图 1314 所示。由图可见，地裂缝与管廊正交时，管廊底部地层反力集中于靠近地裂缝的管廊上，致使管廊拉应力集中分布。而图 13不同交角下管廊纵向应力云图Fig13Longitudinal stress contour of utility tunnelat different intersection angles当交角减小时，管廊底部不均匀分布的地层反力由多节管廊共同承担，减缓了管廊的局部应力。由于斜交下管廊所受底板地基反力与侧压力的差异，管廊受到扭转变形的作用，其扭转变形可引起管廊顶板(底板)企口两侧的张拉变形差异。管廊最大扭转变形在管廊底板靠近地裂缝且位于上盘的位置，由地裂缝位置向管廊两端扭转变形程度逐渐减小，当管廊与地裂缝交角 45时，管廊企口最大水平拉张位移差为 075 mm，当管廊与地裂缝交角为 60时，管廊企口最大水平拉张位移差为 038 mm，当管廊与地裂缝交角 75时，管廊企口最大水平拉张位移差为 028 mm，当管廊与地裂缝正交时，管廊纵向同截面顶板(底板)各位置水平张拉位移相同，此时未发生扭转变形。图 14不同交角下管廊底面纵向应力对比Fig14Comparison of longitudinal stress at the bottom of utilitytunnel under different intersection angles不同交角下管廊底板边线的最大竖向位移差如图 15 所示。由图可见，管廊底板两边线的最大竖向位移差在交角 45时为 723 mm，在交角 60时为 479 mm，在交角 75时为 14 mm，90时为 0。可见管廊扭转程度随着管廊与地裂缝交角增加而逐渐减小，且最大竖向位移差均位于第 11 节管廊，即位于地裂缝斜穿的位置。23装配式相较于现浇整体式管廊优势分析现浇整体式管廊除无接口外，其余建模细节与装配式完全相同。现浇式整体管廊在 4 种不同地裂缝活动量作用下的纵向应力云图以及管廊顶底板纵向应力对比如图 1618 所示，当地裂缝沉降量为 200 mm 时其最大纵向拉应力为 1355 MPa，远大于 C45 混凝土抗拉强度，也远大于装配式管676地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷廊在相同地裂缝活动量时管廊的最大纵向拉应力。图 15管廊底板竖向位移差对比Fig15Comparison of vertical displacement differenceof utility tunnel floor图 16管廊纵向应力云图Fig16Longitudinal stress contour of utility tunnel图 17不同沉降量下管廊顶板纵向应力对比Fig 17Comparison of longitudinal stress of utility tunnelroof under different settlements图 18不同沉降量下管廊底板纵向应力对比Fig18Comparison of longitudinal stress of utility tunnelfloor under different settlements综上所述，在地裂缝活动性较弱的场地，装配式管廊穿越地裂缝表现出对不均匀变形更优越的适宜性，同时管廊的装配式建造与拼接能够减少对交通的围挡，并降低工程的碳排放。3结论(1)在地裂缝与管廊正交工况下，随着地裂缝活动量的增加，管廊纵向峰值拉应力逐渐增大。当沉降 量 到 达 200 mm 时 管 廊 峰 值 拉 应 力 为3407 MPa，超过混凝土抗拉强度，预应力钢筋还未发生受拉破坏，此时管廊企口最大张拉位移达到144 mm。(2)管廊最大纵向拉应力大小随着地裂缝与管廊交角的增大而增大，且增大速率逐渐增加;管廊扭转变形程度随着管廊与地裂缝交角的增大而减弱。7762023 年第 2 期徐强，等:装配式地下管廊穿越活动地裂缝的适宜性分析(3)对比了装配式管廊与现浇式整体管廊对于地裂缝活动的适应能力，在地裂缝沉降 200 mm时现浇式管廊纵向为装配式管廊的 4 倍，证实了装配式管廊对地裂缝活动具有较好的适应性。参考文献(eferences)1 Canto P J，Curiel E J，Calvo V Criticality and threatanalysis on utility tunnels for planning security policiesofutilitiesinurbanundergroundspace J Expert Systems with Applications，2013，40(11):4707-4714 2 Chen J，Jiang L，Li J，et al Numerical simulation ofshaking table test on utility tunnel under non-uniformearthquakeexcitation J TunnellingandUnderground Space Technology incorporating TrenchlessTechnology esearch，2012，30:205-216 3 施有志，华建兵，阮建凑，等 地下综合管廊地震动力响应三维数值分析J 工程地质学报，2018，26(3):785-793(Shi Youzhi，Hua Jianbing，uanJiancou，et al Three dimensional numerical analysisofdynamicresponseofundergroundutilitytunnelsduringearthquake J JournalofEngineering Geology，2018，26(3):785-793(inChinese)4 戴轩，徐管应，霍海峰，等 管廊隧道开挖对上覆在建深基坑影响的三维有限元分析 J 岩土工程学报，2019，41(增1):21-24(Dai Xuan，Xu Guanying，HuoHaifeng，et al Three-dimensional finite element analysisof impact of utility tunnel 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