泥水盾構隧道施工對地下管線的影響實例分析

宋秋雨 趙卉子 杜 曦

(上海理工大學環境與建筑學院，上海 200093)

·橋梁·隧道·

泥水盾構隧道施工對地下管線的影響實例分析

宋秋雨 趙卉子 杜 曦

(上海理工大學環境與建筑學院，上海 200093)

針對泥水盾構隧道開挖會對鄰近地下管線造成影響，而這種影響又會因為各種其他因素而有所變化的現象作了研究，利用有限元分析軟件ABAQUS在分別考慮某一參數的影響時，假定其他施工條件不變，對各主要影響因素進行了分析，最后將數值模擬結果與實測數據進行了對比，得出了相應的影響規律。

泥水盾構，地下管線，ABAQUS，參數

0 引言

在城市地下隧道施工中，泥水盾構開挖往往會對鄰近地下管線造成影響，而這些施工的影響問題就現今城市建設的發展趨勢來看，不僅不可避免，而且在數量上會不斷增加[1]。受到地下隧道施工影響，地下管線可能會因變形過大造成泄漏、停電或通訊中斷等事故，這些都將造成很大經濟損失以及社會糾紛，嚴重危害城市的生產建設和人民生命財產的安全[2]。及時地對管線做好相應的保護措施，以保證地下管線的安全正常運行，顯得尤為重要。

利用數值模擬法研究土體開挖影響下的地下管線問題，在近年來越來越普遍。李大勇等(2000)[3，4]利用有限元三維模型，分析了地下管線的管材、埋深等諸多因素對地下管線的位移影響。吳波(2003)[5，6]基于ANSYS軟件平臺，建立CRD四步工法三維有限元分析模型，計算與隧道方向正交的地下煤氣管線的沉降。畢繼紅(2006)[7]基于ABAQUS有限元軟件平臺模擬了雙線隧道開挖過程，充分考慮了各種不同的影響因素對鄰近地下管線的影響。

本文將根據管線與隧道不同的空間位置關系進行研究：

1)管—隧正交情況，主要研究管線埋深的變化影響；

2)管—隧平行情況，主要研究管—隧偏移距離與管線的埋深變化的影響；

3)管—隧斜交情況，主要研究對象為管—隧夾角的變化影響。

本文在假定其他施工條件不變的情況下，分別對各影響因素進行分析，同時針對上海虹梅南路隧道的現場實測結果進行對比分析，得出結論。

1 有限元模型建立說明

1.1 基本假定

土體采用摩爾—庫侖彈塑性本構關系，管線及隧道襯砌材料采用線彈性本構關系；假定各土層均呈水平層狀分布，且考慮土體自重應力場。

襯砌管片采用整體結構，采用整體剛度的折減作用，根據相關經驗，折減系數取值0.8。

管線采用梁單元以嵌入(Embedded Region)形式埋入土體模型中，管線與土體產生協調變形。

1.2 建模以及參數選擇

1)模擬中，對虹梅南路—金海路通道越江段實際工況各土層參數進行一定簡化后按表1進行設置。

表1 土體模型各土層參數

2)模型尺寸：模型中隧道中心埋深25 m，外徑15 m，隧道開挖影響深度為隧道直徑的2倍～4倍，影響寬度為隧道直徑的3倍～4倍，計算域為130 m×130 m×80 m。

3)單元選取：土體采用單元C3D8PR，管片采用單元S4R，厚0.6 m。埋入土體的管線采用單元B31H，截面外徑273 mm，管壁7.1 mm。

4)邊界條件：模型側面限制法向位移，底面限制三方向位移，上表面無限制。

5)隧道開挖過程模擬的實現：主要步驟分為初始地應力場平衡、開挖前土體的剛度折減、土體的開挖。根據已有的數值模擬分析經驗[8]，折減系數取值25%。

模型的可行性驗證在此不做贅述。

2 有限元模擬結果分析

2.1 管線與隧道軸線正交

為分析隧道開挖對管線的作用受到管線埋深的影響，采用埋入不同埋深的同種管線展開研究，具體各工況所需參數按表2設置。

表2 管線埋深變化影響分析計算項目表

1)由圖1，圖2看出，隨著管線埋深增加，管線豎向沉降也不斷增大，且增大趨勢不斷明顯。

2)由圖3，圖4看出，隨著管線埋深的增加，管線水平位移不斷減小，減小趨勢不斷減弱，且管線水平位移的峰值在不斷向隧道軸線方向靠近。

3)由圖5，圖6看出，管線位于隧道正上方位置出現較大的正彎矩，兩側則出現相對較小的負彎矩，而隨著埋深的增大，管線埋深的增加，管線彎矩受隧道施工的影響也在增大，正負彎矩都有所增加，且與水平位移類似，管線負彎矩的最大值也在不斷向隧道軸線方向靠攏。

在此，管—隧正交情況時，管線埋深與下臥加固層的變化影響在此不做贅述。

2.2 管線與隧道軸線平行

為研究管線平行于隧道軸線時各主要影響因素，本節將采用表3中各工況進行計算。

表3 管線偏移隧道距離變化影響分析計算項目表

1)由圖7看出，隨著平行管線偏移隧道軸線距離的增大，管線的豎向位移不斷減小，并且折線斜率即這種減小趨勢先增大后減小，且在遠離隧道一定距離后幾乎沒有明顯的豎向位移，可見隧道開挖對平行管線的影響存在一定作用范圍。另外，在隧道周圍，不同埋深管線豎向位移隨埋深增大而增大。

2)由圖8看出，隨著管線偏移隧道軸線距離的增大，管線水平位移先不斷增大又逐漸減小，還可以看出，在隧道軸線正上方管線無水平位移，各埋深管線水平位移隨著偏移距離的增大逐漸產生差別，且這種差別亦表現為先逐漸增大后逐漸減小。

3)本次計算采用一步開挖的方式對隧道開挖進行模擬，管—隧平行關系時，隧道開挖不會引起管線彎矩，所以此處將管線彎矩圖略去。

3 結語

本文根據管線與隧道不同的空間位置關系，利用三維有限元模型展開計算，對上海軟土地層中盾構施工鄰近地下管線影響參數進行敏感性分析，主要包括管線埋深、管線管材、管線下臥加固體剛度、管—隧相對偏移距離以及管—隧夾角的影響分析。分別得出了相應的影響規律，主要得出以下結論：

1)對于隧道與管線正交的情況：隨管線埋深的增大，管線豎向位移不斷增大，趨勢不斷明顯；水平位移不斷減小，峰值不斷靠近隧道，但整體較小；管線彎矩不斷增大，趨勢不斷明顯。隨管線剛度的增大，管線豎向位移與水平位移不斷減小，但趨勢很不明顯；管線彎矩不斷增大，趨勢較為明顯且不斷增強。隨管線下臥加固體剛度的增大，管線豎向位移不斷減小，且趨勢不斷減弱；水平位移無明顯變化；管線彎矩不斷減小，趨勢不斷減弱。

2)對于隧道與管線平行的情況：相同埋深下，隨著管—隧偏移距離的增加，管線的豎向位移明顯，且此趨勢先逐漸明顯后逐漸減弱；管線水平位移則呈現先增加后減小的趨勢。

3)對于隧道與管線斜交的情況：其他條件相同時，隨著管—隧夾角的增大(從管—隧平行到管—隧正交)，管線沉降槽寬度不斷增大，最大沉降無明顯差別，反彎點處沉降不斷減小；管線水平位移最大值無明顯差別，但峰值位置逐漸靠近隧道軸線；管線最大彎矩隨管—隧夾角的增大而增大，彎矩曲線逐漸趨于陡峭。

[1] 吳為義.盾構隧道周圍地下管線的性狀研究[D].杭州:浙江大學,2008.

[2] 時 靜.淺埋暗挖地鐵車站施工環境土體沉降變形及其對市政管線的影響研究[D].北京:北京交通大學,2006.

[3] 李大勇.軟土地基深基坑工程鄰近地下管線的性狀研究[D].杭州:浙江大學,2001.

[4] 李大勇，龔曉南，張土喬.軟土地基基坑周圍地下管線保護措施的數值模擬[J].巖土工程學報,2001,23(6):736-740.

[5] 吳 波.復雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降研究[D].成都:西南交通大學,2003.

[6] 蔣正華，吳 波，高 波.地鐵區間隧道施工對管線影響的數值模擬[J].現代隧道技術,2003(1):16-20.

[7] 畢繼紅，劉 偉.隧道開挖對地下管線的影響分析[J].巖土力學,2006,27(8):1317-1321.

[8] 李大勇.盾構法施工過程中土體變形特性及其數值分析研究[R].上海：同濟大學博士后研究工作報告,2004.

Example analysis on the impact of slurry shield tunnel construction upon underground pipeline

Song Qiuyu Zhao Huizi Du Xi

(CollegeofEnvironmentandBuilding,ShanghaiUniversityofTechnology,Shanghai200093,China)

In light of impact of slurry shield tunnel excavation upon underground pipeline, the paper studies other phenomena, consider parameters effect with finite element software ABAQUS, analyzes other major influencing factors without changing other construction conditions, and finally obtains responding influencing law by comparing numerical simulation results and actual measuring data.

slurry shield, underground pipeline, ABAQUS, parameter

2015-01-04

宋秋雨(1990- )，女，在讀碩士； 趙卉子(1989- )，女，在讀碩士； 杜 曦(1991- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)08-0166-03

U455

A