新建管道施工對近距離既有隧道的影響及安全風(fēng)險評估

覃 維 王 星

(1.中交鐵道設(shè)計研究總院有限公司 北京 100088； 2.長安大學(xué)公路學(xué)院 西安 710064)

隨著城市建設(shè)發(fā)展需求的逐步擴(kuò)大，工程建設(shè)“涉鐵”情況日漸增多，新建地下管道工程近距離穿越既有隧道或建(構(gòu))筑物的情況也日益增多。通常與既有隧道相距較近時，管道基坑的開挖與回填施工會對既有隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。如何準(zhǔn)確且定量預(yù)測和評價基坑開挖對臨近既有隧道的影響已成為當(dāng)下工程界研究的熱點(diǎn)問題[1]。黃宏偉等[2]通過三維有限元軟件PLAXIS-GiD進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)值模擬，主要針對基坑開挖對周邊土體中的影響范圍進(jìn)行研究，并提出了2種可應(yīng)用于實(shí)際施工中的隧道保護(hù)措施。林航等[3]則采用FLAC3D有限差分方法，在充分考慮基坑開挖對鄰近任意空間位置隧道的影響的基礎(chǔ)上建立了基坑開挖對鄰近隧道變形影響范圍的臨界線函數(shù)。徐長節(jié)等[4]采用ABAQUS有限元數(shù)值模擬分析法和簡化的規(guī)范角點(diǎn)法進(jìn)行了相關(guān)的對比分析研究與評價。

本研究以商洛至商南輸氣管道(東龍山段)改線工程為依托，以MIDAS GTS有限元分析軟件為手段，以“地層-結(jié)構(gòu)”模型及JGJ 120-2012 《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)規(guī)范[5-6]為理論基礎(chǔ)，結(jié)合前學(xué)者的研究成果與經(jīng)驗(yàn)，分析了隧道頂部山體開挖、管道與防護(hù)涵施工及土體回填施工工序?qū)|龍山隧道、新東龍山隧道結(jié)構(gòu)的安全性影響；并對隧道運(yùn)營階段存在的安全風(fēng)險進(jìn)行分級評估，綜合驗(yàn)證現(xiàn)場施工方案的可行性。

1 工程概況

1.1 位置概況

根據(jù)商洛至商南輸氣管道(東龍山段)改線工程線路走向，輸氣管道跨越鐵路段的設(shè)計范圍為DK0+463.5-DK0+580.1，與寧西上行線東龍山隧道交匯處鐵路里程為K139+162.12，管道線路里程為DK0+541.7；與寧西下行線新東龍山隧道交匯處鐵路里程為DyK139+154.00，管道線路里程為DK0+514.40。交叉位置關(guān)系示意見圖1。

圖1 管道與鐵路交叉處位置關(guān)系示意(單位：尺寸，m；高程，m)

1.2 地質(zhì)情況

天然氣管道與鐵路交叉處隧道洞身穿越第三系泥巖夾礫巖(NMs+Cg)，第三系泥巖夾礫巖(NMs+Cg)呈棕紅色、紫紅色，層理發(fā)育，風(fēng)化嚴(yán)重，成巖性差。礫巖層顆粒以大理巖、石英巖為主，顆粒一般在20～30 mm之間，產(chǎn)狀N70°W/28°～45°S，節(jié)理不發(fā)育，為IV級軟石，σo=600 kPa，風(fēng)化層厚度為1～8 m，泥巖具有弱膨脹性，上覆夾卵石粉質(zhì)黏土與擬建道路回填土。

1.3 既有隧道結(jié)構(gòu)及支護(hù)形式

該段隧道襯砌穿越第三系泥巖夾礫巖。圍巖類別為II類(V級)。隧道采用復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，初支為20 cm厚格柵拱架+鋼筋網(wǎng)網(wǎng)錨噴混凝土，二襯采用C20混凝土。隧道結(jié)構(gòu)及支護(hù)斷面設(shè)計示意見圖2。

圖2 隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)示意(單位：cm)

1.4 新建管道施工方案

跨越段管道擬沿規(guī)劃道路人行道敷設(shè)，管道埋深2.2 m，并增加蓋板涵保護(hù)。蓋板涵基礎(chǔ)選定為鋼筋混凝土分離式基礎(chǔ)，基底設(shè)計壓應(yīng)力為120 kPa。根據(jù)勘察成果，項(xiàng)目蓋板涵地基為修建道路人工填土。

2 分析內(nèi)容

本次評估主要對隧道頂部山體開挖、管道及防護(hù)涵施工及回填至評估地面線對東龍山、新東龍山隧道結(jié)構(gòu)的安全性影響進(jìn)行分析。

由于東龍山隧道建成時間久遠(yuǎn)，建設(shè)于2000年左右，受當(dāng)時建設(shè)條件的制約，隧道襯砌采用200號混凝土(參數(shù)指標(biāo)詳見TJ 10-74)，約為C20混凝土，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，且埋深較淺受施工干擾更大。故本次計算以東龍山隧道為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性評價，其位置關(guān)系見圖3。

圖3 天然氣管道、蓋板防護(hù)涵與隧道位置關(guān)系(單位：m)

3 模型的建立

3.1 物理力學(xué)參數(shù)

各構(gòu)件物理力學(xué)設(shè)計參數(shù)見表1、表2。

表1 隧道支護(hù)襯砌設(shè)計參數(shù)表

表2 模型物理力學(xué)參數(shù)表

1) 荷載確定。主要荷載，即圍巖壓力和結(jié)構(gòu)自重；管道及防護(hù)涵施工時地面荷載；施工車輛荷載及管道與防護(hù)涵自重。

2) 地質(zhì)條件及襯砌材料的物理力學(xué)指標(biāo)參考業(yè)主提供的地質(zhì)勘察報告、東龍山隧道竣工圖。

3) 計算中考慮復(fù)合襯砌背后完全回填密實(shí)，考慮仰拱與襯砌共同作用；計算均假定襯砌背后圍巖能提供徑向彈性反力。

4) 荷載組合：根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載類型，此次模擬計算中考慮結(jié)構(gòu)自重、圍巖壓力、施工荷載。現(xiàn)場地下水位較低，本次計算不考慮地下水作用。

3.2 計算模型

根據(jù)天然氣管道設(shè)計圖紙，天然氣管道施工需開挖山體，修建蓋板防護(hù)涵并回填至原地面線，為了分析天然氣管道施工對東龍山隧道的影響，運(yùn)用MIDAS GTS有限元軟件建立1∶1比例二維“地層-結(jié)構(gòu)”模型進(jìn)行分析。

建模時模型頂部取至山體開挖前的地面，下部取隧道底下方5倍的洞徑范圍，左右側(cè)分別取至隧道外側(cè)5倍的洞徑，模型左右受X方向的約束，下部邊界受Z方向的約束，上部為自由面，模擬分為4個工況，第一工況，山體開挖前地層的初始狀態(tài)；第二工況，山體開挖后地層的狀態(tài)；第三工況，施工天然氣管道與蓋板防護(hù)涵后的地層的狀態(tài)；第四工況，回填至評估地面線后的地層狀態(tài)。數(shù)值計算模型見圖4。模擬過程采用GTS有限元分析軟件“鈍化”土體單元以實(shí)現(xiàn)管道基坑開挖，然后 “激活”蓋板涵及支護(hù)結(jié)構(gòu)、回填土體單元以實(shí)現(xiàn)管道結(jié)構(gòu)施工與覆土回填等工序。

圖4 計算模型圖

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 各工況位移分析

通過對初始狀態(tài)、山體開挖后、管道與蓋板防護(hù)涵修建后、回填土至地面4種工況進(jìn)行分析計算，得出土體頂部、左側(cè)、右側(cè)、底部的x和z方向位移云圖(見圖5、圖6)，提取后進(jìn)行對比，各工況下隧道周圍土體位移見表3。

圖5 各工況下X方向位移云圖

圖6 各工況下Z方向位移云圖

表3 各工況下土體的位移對比表 10-4m

注：X向位移‘-’代表左向， ‘+’代表右向；Z向位移‘-’代表沉降，‘+’代表隆起。

3.3.2 各種工況應(yīng)力分析

為了進(jìn)一步分析天然氣管道及蓋板防護(hù)涵施工對既有隧道的影響，對4種工況下隧道周圍土體頂部、左側(cè)、右側(cè)、底部的應(yīng)力分布進(jìn)行分析，得出最大主應(yīng)力云圖(見圖7)，同時對最大主應(yīng)力進(jìn)行對比分析結(jié)果見表4。

圖7 各工況下最大主應(yīng)力云圖

表4 各工況下土體的最大主應(yīng)力對比表 kPa

注：‘-’代表壓應(yīng)力。

經(jīng)計算分析，天然氣管道與蓋板防護(hù)涵施工，X方向隧道周圍最大位移為0.27 mm，小于水平允許位移20 mm，Z方向隧道周圍最大位移為0.46 mm，小于豎向允許位移5 mm；隧道周圍土體最大主應(yīng)力為-391.7 kPa，小于開挖前土體應(yīng)力。且各項(xiàng)參數(shù)均滿足相關(guān)規(guī)范，因此，東龍山隧道與天然氣管道及防護(hù)涵之間有足夠的安全距離，天然氣管道及防護(hù)涵的施工對隧道基本無影響。這一結(jié)論在后期的現(xiàn)場安全施工中得到了進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 既有隧道運(yùn)營階段安全風(fēng)險評估

根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，對新建管道施工對下伏既有鐵路隧道運(yùn)營階段安全風(fēng)險進(jìn)行評估。

4.1 評估方法

本次安全風(fēng)險評估采用專家調(diào)查法[7-8]對項(xiàng)目管道施工階段既有鐵路隧道運(yùn)營安全進(jìn)行分類定級，綜合評估。

4.2 風(fēng)險源的識別與篩選

結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)及類似工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，初步篩選出以環(huán)境因素、管理因素為主的風(fēng)險發(fā)生事件。其中管道施工干擾、現(xiàn)場防護(hù)條件、鐵路運(yùn)營管理為主要風(fēng)險源。由此誘發(fā)隧道結(jié)構(gòu)開裂變形、隧道洞內(nèi)涌水、隧道洞口崩塌落石、隧道運(yùn)營設(shè)備故障等風(fēng)險事件，專家調(diào)查分類打分表見表5。

表5 風(fēng)險等級專家調(diào)查分類匯總表

4.3 風(fēng)險等級判定

通過對各管道施工引起下伏既有鐵路隧道安全風(fēng)險事件發(fā)生的影響嚴(yán)重程度與發(fā)生概率等級進(jìn)行列表統(tǒng)計分析，風(fēng)險等級評估矩陣見圖8。

注：隧道運(yùn)營安全風(fēng)險等級一共劃分為4級：I級(深灰色)，II級(淺灰色)，III級(白色)，IV級(中灰色)，風(fēng)險等級程度依次遞減。圖8 隧道運(yùn)營階段安全風(fēng)險等級評估矩陣

采用專家調(diào)查法對各風(fēng)險事件進(jìn)行分級評定。得出隧道結(jié)構(gòu)開裂變形風(fēng)險等級為“DIV”，隧道洞內(nèi)涌水風(fēng)險等級為“DIV”，隧道洞口崩塌落石風(fēng)險等級為“DIV”，隧道運(yùn)營設(shè)備故障風(fēng)險等級為“DIV”。綜合得出管道施工階段既有鐵路隧道運(yùn)營安全風(fēng)險等級為“IV級”，屬于很少發(fā)生、后果輕微的可忽略風(fēng)險。

4.4 風(fēng)險控制措施

為確保管涵施工不對東山隧道、新東山隧道運(yùn)營安全造成惡化風(fēng)險，仍需制定妥善的施工方案和完備的應(yīng)急預(yù)案。

1) 天然氣管道及蓋板防護(hù)涵施工期間應(yīng)對既有隧道進(jìn)行安全監(jiān)控并制定完善的應(yīng)急預(yù)案，以便在出現(xiàn)突發(fā)情況以至于影響隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定或危及行車安全時能夠立即采取有效措施進(jìn)行應(yīng)對。

2) 施工期間應(yīng)嚴(yán)格管控施工用水，以防止施工用水下滲影響隧道結(jié)構(gòu)安全，同時，嚴(yán)禁爆破作業(yè)，基坑開挖建議采用人工開挖，盡量避免對鐵路隧道造成影響。

3) 管道施工期間，加強(qiáng)東龍山隧道、新東龍山隧道洞內(nèi)監(jiān)測，提高設(shè)備檢修頻率，及時排查故障設(shè)備并制定有效的處治預(yù)案。

5 結(jié)語

本文以MIDAS GTS有限元分析軟件為手段，充分考慮了每一種圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)特性參數(shù)，使之最大限度的與工程實(shí)際情況相吻合，并給出了一種跨越段天然氣管道蓋板保護(hù)涵結(jié)構(gòu)的設(shè)計形式與參數(shù)，同時運(yùn)用合理的安全風(fēng)險評估方法對管道施工階段對既有隧道運(yùn)營階段安全風(fēng)險進(jìn)行了評估。從而得出東龍隧道與天然氣管道防護(hù)涵具有足夠安全距離，天然氣管道防護(hù)涵施工對隧道結(jié)構(gòu)基本無影響，安全風(fēng)險等級為“IV級”的結(jié)論。本文的思路與結(jié)論綜合考慮了結(jié)構(gòu)受力影響與運(yùn)營階段安全風(fēng)險環(huán)境，可為其他涉鐵工程建設(shè)提供參考。