中小河道擬建涵洞對現狀河底管線的影響性分析

劉晶莉，張 勇，劉棟梁

(1.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務中心，濟南 250100；2.山東省國土空間生態修復中心，濟南 250014)

1 概 述

隨著城市建設的不斷發展，越來越多的基建設施開始由地表向地下拓展，很多的供水、供電、燃氣、排污管線布置在地表以下，這些基建設施錯綜復雜，往往由多部門管理、多單位設計施工、多個時期建設實施。然而，后期基建設施的建設勢必對前期現存設施存在一定程度的影響[1-2]。河道作為一個城市的靈魂，其在城市建設歷程中所充當的角色越來越重要，河道因其流域范圍大、走向不規則、寬窄不一、沿線建筑物多樣，對現存燃氣管道等設施的影響亦不可忽視[3-8]。因此，在后續工程建設實施前，很有必要就類似問題開展深入的研究論證。

2 工程概況

本研究項目位于某城市河道中部位置，由于頂部城市規劃建設的需要，在河道中部需要“截彎取直”，設置涵洞對現狀河道進行聯通。本工程中暗涵為3孔3 m×6 m的涵洞，涵洞采用現澆混凝土結構，壁厚0.5 m，頂板及底板厚0.6 m，涵洞底部位于現狀地面以下約2.62 m，涵洞順水流方向每隔25 m設置結構縫，并設置止水設施，涵洞混凝土結構施工完成后，予以回填。同時，根據規劃方案，涵洞頂部覆土，覆蓋土層厚度約2～2.59 m。在設計涵洞右邊墻外部約3～4 m范圍內，沿線有一現狀燃氣管道，為了保證現狀燃氣管道在工程施工及后期運行過程中免受擾動，需對暗涵的施工及運行方案進行分析。

工程設計方案見圖1。涵洞基礎開挖前，首先在涵洞右邊墻0.6 m的位置垂直設置鋼板樁，樁長5 m，打入現狀地面以下，對右側現狀燃氣管道進行保護；然后進行涵洞基礎的開挖，待涵洞施工混凝土結構施工完成后，利用開挖土對涵洞兩側開挖區域以及頂部的覆土進行回填。為了不影響現狀燃氣管道正常運行，燃氣管道管理單位對涵洞實施提出以下要求：現狀燃氣管道在施工及運行階段的豎向位移沉降值應小于經驗允許值15 mm，豎向位移的隆起值應小于經驗允許值10 mm，燃氣管道水平位移應小于經驗允許值10 mm，并且燃氣管道自身的差異沉降應小于經驗允許值3 mm/m，燃氣管道應力小于管材自身的應力要求。

圖1 河道典型設計斷面圖

3 計算模型及邊界條件

3.1 計算模型

根據設計方案，按照結構順水流方向的分縫設置情況，涵洞每25 m設置一分縫。工程所在部位地勢平坦，地層分布均勻，因此為了計算方便，本文選擇兩個結構縫之間的長25 m典型涵洞結構開展研究。

采用有限元軟件建立該段三維計算模型，見圖2。模型底部選取地基厚度為12.9 m，順水流模型長度為25 m，垂直水流向模型寬度為55 m。該模型中，地基、填土、涵洞、鋼板樁、燃氣管道等均采用3D實體四面體及六面體單元。

圖2 有限元三維模型圖

3.2 材料參數

結合地質情況，該部分計算模型按照由上到下的順序簡化為4層，按照埋深遞增順序依次是回填土、粉砂、細砂、粉土，以上土體材料均采用摩爾庫倫模型；涵洞結構為C30鋼筋混凝土，采用線彈性模型；燃氣管道為焊接鋼管，采用線彈性模型。各種材料的參數選取見表1。

表1 計算主要材料參數表

3.3 邊界條件

為了計算準確，需要結合建筑物的實際受力情況，對模型設置約束及荷載。約束設置時，以豎直方向為Z軸，在模型的四周XZ、YZ對稱面設置垂直于對稱面的滾軸約束，在模型底部XY對稱面設置Z向的固定約束。荷載設置時，按照結構的實施時序，在施工期首先考慮結構的自重荷載；然后在運行期，按照河道水面線，在涵洞底板、側壁臨水側均設置1.55 m靜水壓力荷載。邊界條件設置見圖3。

3.4 計算過程

在分析中，主要關心涵洞工程從現場施工到后期運行整個全生命周期情況下的燃氣管道影響性大小。基于這一目的，將計算分析的過程重點分為兩個工況。其中，工況一為施工工況，即從基礎打入護壁鋼板樁、涵洞基礎土方開挖、涵洞混凝土結構澆筑、兩側土體回填、涵洞頂部覆土的過程；工況二為運行工況，即涵洞過水的情況。計算按照時序共分為以下4步：①基礎打入鋼板樁，涵洞基礎土方開挖；②涵洞混凝土結構澆筑；③涵洞兩側土體回填及頂部覆土；④涵洞過水運行。

4 結果分析

4.1 位移分析

為了研究工程對現狀管線的位移影響，通過數據提取，可以得到不同階段現狀燃氣管道斷面豎向位移、水平位移及總位移云圖。

4.1.1 豎向位移

見圖4。

圖4 燃氣管道豎向位移云圖(單位：m)

通過燃氣管道的豎向位移分析可知，第一階段燃氣管道有隆起趨勢，隆起值約0.096～0.149 mm；第二階段燃氣管道有隆起趨勢，隆起值約0.005～0.026 mm；第三階段燃氣管道有沉降趨勢，沉降值約1.226～1.318 mm；第四階段燃氣管道有沉降趨勢，沉降值約1.266～1.369 mm。

4.1.2 水平位移

見圖5。

圖5 燃氣管道水平位移云圖(單位：m)

通過燃氣管道的水平位移分析可知，第一階段燃氣管道有左移趨勢，左移值約0.095～0.141 mm；第二階段燃氣管道有左移趨勢，左移值約0.144～0.159 mm；第三階段燃氣管道有左移趨勢，左移值約0.009～0.170 mm；第四階段燃氣管道有左移趨勢，左移值約0.009～0.170 mm。

4.1.3 差異變形

見圖6。

圖6 燃氣管道總位移云圖(單位：m)

通過燃氣管道的總位移分析可知，第一階段燃氣管道總位移最值分別為0.163～0.196 mm，差異沉降值小于0.1 mm/25 m；第二階段燃氣管道總位移最值分別為0.145～0.155 mm，差異沉降值小于0.1 mm/25 m；第三階段燃氣管道總位移最值分別為1.24～1.30 mm，差異沉降值小于0.1 mm/25 m；第四階段燃氣管道總位移最值分別為1.28～1.34 mm，差異沉降值小于0.1 mm/25 m。

4.2 應力分析

就燃氣管道而言，抗拉強度是評價管材力學特性的主要參數。通過數值計算，可以得到不同階段燃氣管道的大主應力(拉應力)云圖，見圖7。通過燃氣管道的大主應力分析可知，第一階段燃氣管道大主應力最值分別為738～1 620 kPa；第二階段燃氣管道大主應力最值分別為754～1 450 kPa；第三階段燃氣管道大主應力最值分別為2 830～4 140 kPa；第四階段燃氣管道大主應力最值分別為2 840～4 290 kPa。由此可知，在新建涵洞施工及運行的4個階段，現狀燃氣管道的拉應力均小于鋼材的抗拉強度極值，涵洞的實施對現存燃氣管道的應力影響較小。

圖7 燃氣管道大主應力云圖(單位：kPa)

5 結 論

河道因其流域范圍大、走向不規則、寬窄不一、沿線建筑物多樣等，對現存燃氣管道等設施的影響不可忽視。本文以新建涵洞右岸的燃氣管道為研究對象，借助有限元計算針對新建涵洞對現存燃氣管道的影響進行了計算分析。結果表明，從工程施工到工程運行過程中，結構整體的變形及應力情況均相對比較均勻；就研究對象現狀燃氣管道而言，現狀燃氣管道在4個階段的豎向位移沉降值小于經驗允許值15 mm，豎向位移的隆起值小于經驗允許值10 mm，燃氣管道水平位移小于經驗允許值10 mm，并且燃氣管道自身的差異沉降小于經驗允許值3 mm/m，燃氣管道應力值遠小于管材抗拉強度極值，涵洞的建設實施對現狀燃氣管道的影響較小。