我国市政地下管线仍存在各自设计、互不共用的现象 ^[1]。地下综合管廊可将诸多市政管线集中敷设,从而解决市政管线粗放布设引起的问题,对城市发展方式的转变具有重要意义 ^[2]。

　　 目前,国内地下隧道及管廊断面多为矩形或圆形。于丹等 ^[3,4]分别结合实际工程案例介绍矩形综合管廊的断面选型原则及结构设计流程,并提出设计过程中存在的问题。段亚刚 ^[5]研究盾构法在综合管廊建设中的应用,通过对比分析确定最经济合理的盾构内径及盾构管片。石立国等 ^[6]依托实际工程介绍矩形预制管廊的设计方案、结构安装及施工技术。

　　 为更集约地利用地下空间、优化施工工序及提高结构整体性能,本文提出仿蜂巢结构的正六边形管廊断面及组合形式。该结构体系利用若干平行设置的正六边形管体,组合成整体式的结构体系,以有效提升结构稳定性和空间利用率。

　　 本文采用数值计算分析六边形管廊截面的受力变形特性,并对比圆形隧道及矩形管廊,研究其在结构性和经济性方面的优势。在此基础上研究六边形双舱、四舱和七舱管廊断面形式的结构特性。最后依托工程案例,从结构性和经济性上比较新型断面与传统矩形断面。

　　 圆形隧道选用外径6.2m的标准盾构隧道,管片厚0.35m,内径5.5m。参考CJJ 96—2003《地铁限界标准》 ^[7],确定六边形管廊结构的净高(即内切圆直径)为5.2m,矩形管廊净空4.72m(宽)×5.12m(高)。3种结构的断面净面积均约24m²,较接近,具有可比性。3种断面如图1所示。

　　 采用二维平面应变模型进行计算,单舱结构典型净埋深取18m。模型水平及竖向尺寸均为70m,边缘与结构间的净距均超过5倍结构尺寸,可认为边界条件对计算结果无影响。以六边形管廊为例,模型几何尺寸如图2所示。

　　 土体采用修正的剑桥本构模型进行模拟,该本构模型可反映土体在加载与卸荷条件下不同的模量情况。土体选取天津市区典型的粉质黏土参数,忽略土层的成层性影响,采用单一土层进行计算。土体重度γ=19.4kN/m³,λ=0.047 6,κ=0.005,M=1.139,泊松比υ=0.3。

　　 采用等效刚度法模拟隧道及管廊结构,通过适当折减弹性模量以反映施工中引起的结构刚度弱化问题 ^[8],假定结构在分析全过程中处于弹性状态,模型中结构采用梁单元模拟,不同形式的隧道及管廊结构厚度均取350mm,弹性模量取C50混凝土模量值(E_c50=34.5GPa)的80%,即E=0.8×E_c50=27.6GPa,泊松比取0.2。

　　 重点研究隧道及管廊结构在周围土压力作用下的受力变形特性,故不再模拟详细的施工步骤。首先生成初始地应力场,并将位移清零;然后激活结构单元,同时挖除内部土体单元,模拟隧道及管廊结构施工。

　　 六边形管廊变形及内力分布如图3所示。在周围土压力作用下,管廊顶板沉降、底板隆起,竖向呈压缩状态,相对水平方向产生拉伸变形,尤其是左右两侧的拐点处位移最大。由于竖向压缩变形在管廊左右两侧角点处产生明显的挤压效应,导致该处轴力及外侧弯矩均最大,且外侧弯矩最大值大于内侧最大弯矩。此外角点处易发生应力集中,因此六边形管廊各角点处的剪力均较大。

　　 圆形隧道变形及内力分布如图4所示。在周围土压力作用下,圆形隧道发生竖向压缩、水平向拉伸的相对变形,拱顶沉降、拱底隆起,左右两侧拱腰处水平位移最大,且水平直径拉伸量与竖向直径压缩量较接近。围压作用下,圆形结构能较好地发挥混凝土抗压能力,承受较大轴力,有利于结构抗弯及抗剪作用。因此圆形隧道结构的受力相对更加合理。

　　 矩形管廊变形及内力分布如图5所示。受周围土压力的影响,矩形管廊在竖向同样表现为顶板沉降、底板隆起的压缩变形,同时侧墙产生指向结构内侧的变形,结构在水平方向呈相对压缩状态。由于竖向土压力大于侧向土压力,矩形管廊结构侧墙承担较大轴力。受角点处应力集中影响,结构剪力及外侧弯矩均达到最大,是矩形管廊的危险部位。

　　 根据对比可以发现,六边形管廊与圆形隧道的变形模式相似,变形值也较接近,而矩形管廊的变形则相对稍大。可见在相同净面积下,圆形隧道接近于六边形管廊刚度,均优于矩形管廊。内力方面,圆形隧道受力较合理,更能充分发挥混凝土结构的抗压能力;矩形管廊所受弯矩及剪力相对最大,尤其是结构角点处更不利于受力;六边形管廊内力在3种结构形式中居于中间,比圆形隧道大,但明显小于矩形管廊。

　　 虽然圆形隧道在变形及受力方面更好,但实际应用中需在底部一定区域内填充材料进行平整后才可使用,浪费面积、增加施工量、空间利用率较差,同时圆形隧道也不利于多舱组合,因此在功能性方面不及另外2种形式。

　　 通过比较,六边形管廊在结构性及功能性方面具有一定优势,变形及受力均优于矩形管廊,功能性方面比圆形隧道更合理。

　　 1)六边形管廊受力变形特性在六边形管廊计算模型的基础上,研究不同埋深情况下结构的变形及受力特性规律。模型参数及模拟过程均与前文相同,结构净埋深分别取6,12,18,24,30m。变形及受力的最大值随埋深变化曲线如图6所示。

　　 通过比较可以发现,六边形管廊结构的竖向位移最大值变化不大,而最大水平位移及水平、竖向相对变形均随埋深近似呈线性增加趋势。内力方面各指标也随埋深增加而线性增大。

　　 2)不同埋深下,六边形管廊与圆形隧道和矩形管廊的对比圆形隧道和矩形管廊的结构尺寸与前文相同,净埋深同样取6,12,18,24,30m。以最大竖向位移及最大内侧弯矩变化为典型特性,3种类型结构的计算结果随埋深变化的柱状对比如图7所示。

　　 在结构变形方面,圆形隧道与六边形管廊的刚度相似,不同埋深情况下变形值比较接近,均小于矩形管廊,尤其在深埋条件下,最大变形值的差异更加明显。在结构内力方面,圆形隧道受力特性最好,矩形管廊受力情况最差,六边形管廊受力居中,优于矩形管廊。尤其是内侧最大弯矩显著小于矩形管廊。3种结构形式的变形和受力规律并不随埋深变化而改变。

　　 参考圆形双线隧道及矩形双舱管廊上下布置的情况,并结合六边形断面特点,提出六边形双舱管廊的上下布置形式。

　　 对比六边形双舱管廊与圆形双线隧道和矩形双舱管廊结构的受力变形特性。双舱结构均由尺寸相同的2个单舱单元组合而成,单舱结构尺寸及相关模型参数均与上节相同。因圆形隧道无法贴建,故取2个圆形隧道间的净间距为3m。

　　 在周围土压力作用下,六边形上下双舱管廊变形及内力分布如图8所示。双舱结构的变形与单舱结构相似,上下2个单舱单元在水平方向均发生指向外侧的变形,水平向呈拉伸状,竖向呈压缩状态。在内力方面,双舱结构总体上与单舱相似,但由于双舱断面在中部向内侧凹进,当结构变形时更易受挤压作用,导致该处轴力最大,此外中板附近侧墙的内侧弯矩也较大。

　　 1)六边形管廊与圆形隧道和矩形管廊对比圆形双线隧道及矩形双舱管廊的变形特性与单线及单舱情况相似,弯矩分布如图9所示。矩形双舱管廊的最大轴力发生在结构中板,且中板与侧墙交点处外侧弯矩较大,与六边形双舱管廊的内力特性相同。

　　 2)不同埋深下,六边形管廊与圆形隧道和矩形管廊的对比与单舱的对比结果相同,六边形双舱管廊在变形和内力方面均居中,略差于圆形双线隧道,但优于矩形双舱管廊,尤其在深埋情况下,该优势更明显。

　　 圆形双线隧道虽受力较好,但施工时相互影响较大,施工难度大,同时由于无法贴建,不利于管线布置及维护,功能性较差。因此六边形双舱管廊的功能性优于圆形双线隧道。

　　 六边形结构可灵活组合,在多舱管廊布置方面具有实用价值。因此初步分析四舱及七舱的六边形管廊受力变形特性。多舱结构均由尺寸相同的单舱结构单元组合而成,各单舱单元尺寸及相关模型参数均与前文相同。

　　 在周围土压力作用下六边形四舱、七舱管廊的变形及内力分布分别如图10,11所示。多舱管廊断面存在若干向内的凹角,通过内部隔墙作为支顶构件防止变形过大。但由于隔墙倾斜设置,与水平和竖向荷载均存在夹角,不能有效发挥支顶作用,故该位置刚度较差,需承担较大的轴力和弯矩,属于设计薄弱部位,需加强处理。

　　 通过分析单舱及多舱的受力特点发现,每个舱体在左右两侧角点处均存在应力集中现象,承担较大的外侧弯矩,但影响范围不大。因此设计时可在每个舱体的左右两侧角点处进行加腋处理。此方法可有效提高该部位的刚度、减小弯矩、同时不影响结构的空间利用率。

　　 北京某矩形四舱管廊断面及尺寸如图12所示。管廊侧壁壁厚300～350mm,顶板平均覆土约3.5m。若采用相同埋深的六边形四舱管廊代替,保证单舱净面积相等,六边形内切圆直径约3.25m,壁厚均300m。2种形式结构计算最大内力如表1所示。

　　 对比计算结果发现,六边形管廊的结构受力比矩形管廊更加合理。同时,矩形断面各边长总和为39.6m,而六边形断面各边长总和约35.7m,混凝土材料用量每延米可减小9.8%。在结构性和经济性方面,六边形管廊较矩形形式均具优势。

　　 1)单舱及双舱结构的六边形管廊,在变形和内力方面均居中,略差于圆形隧道,但优于矩形管廊,尤其在深埋情况下,优势更加明显;从结构功能性角度考虑,六边形管廊比圆形隧道的空间利用率高,且便于多舱组合。因此,六边形管廊相比圆形和矩形结构形式均具有一定的优势。

　　 2)六边形结构可灵活组合,在四舱及七舱舱管廊布置方面具有实用价值。六边形多舱结构中隔墙位置刚度较差,且需承担较大的轴力和弯矩,属于设计薄弱部位,设计中需进行加强处理。

　　 3)六边形单舱及多舱管廊结构中,每个舱体在左右两侧角点处均存在应力集中现象,因此设计时可在舱体两侧角点位置加腋处理,以有效提高该部位的刚度,同时也不影响结构的空间利用率。

　　 4)工程对比发现,六边形管廊结构不仅比矩形结构受力更加合理,且每延米可减小混凝土用量9.8%,在结构性和经济性方面均具有优势。