探討有限元分析在臨近工程施工風險評估中的應用

林 權

（廣州市交通設計研究院有限公司,廣東 廣州 511430）

0 前言

隨著國內基礎設施建設的不斷完善，出現越來越多新舊工程相互影響的項目，其中，承載著城市化、工業化重要保障功能的各類管道、管線，與作為地下管線重要通道的道路橋梁的關聯項目也越來越多、越來越復雜。由于地下設施具有隱蔽性的特征，施工質量會直接影響道路橋梁的質量和運營安全。因此，道路管理部門對管道敷設的施工風險管理的力度也逐年增加，尤其是新建管道下穿現狀橋梁的項目，成為了施工風險管理的重點對象。

目前，相關管理部門主要以施工風險評估的方式作為前期風險管理，且自2011年頒布《公路安全保護條例》以來，對涉公路項目均需提供《保障公路、公路附屬設施質量和安全技術評價報告》。但目前的施工風險評估主要還是以專家調查法、層次分析法、模糊綜合評價為主線的方法為主，這些方法大部分是以定性或定量與定性相結合的評估方法，以施工工序為對象，通過工序分解，分析評估單元中可能發生的典型風險事故類型，形成風險辨識清單，構建安全專項風險評估指標體系，確定各個風險源的風險等級。但目前上述評估方法中所用的定量分析，仍極易受個人主觀因素所影響。

20世紀60年代初，國際上開始投入大量的人力和物力開發有限元分析程序，1965年，“有限元”這個名詞第一次出現。近年來，隨著計算機技術的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析在工程設計和分析中得到了越來越廣泛的重視。根據當前的發展現狀，有限元分析方法有以下幾個優勢：與CAD軟件的無縫集成；更為強大的網格處理能力；由求解線性問題發展到求解非線性問題；程序面向用戶的開放性程度高。通過有限元分析，可以增加產品和工程的可靠性，并且在產品或項目的設計階段發現潛在的問題，經過分析計算，采用優化設計方案，減少試驗次數，從而減少試驗經費[1]。

1 工程實例

1.1 研究方法

該文以工程實例為依托，以Midas GTS NX有限元分析軟件作為分析工具，建立有限元模型，研究新建管道頂管施工對臨近結構物（橋梁）穩定性的影響，以此探討有限元分析在臨近工程施工風險評估中的應用性。

1.2 工程概況

XX項目新建污水管道WZ17-WZ18采用頂管施工，施工長度108 m，管頂覆土4.30～5.65 m，管材采用Ⅲ級鋼筋混凝土頂管，管徑為DN1000，頂進采用泥水平衡法施工。該頂管段需要穿越XX立交現狀高架橋，施工前需要論證該次污水管道頂管施工對現狀橋梁運營安全的影響程度，判斷管道路由是否需要變更或是否需要對橋梁基礎增加相應的防護措施。

頂管與高架橋的位置關系如圖1所示。

圖1 頂管與橋梁基礎的位置關系

1.3 有限元建模分析

1.3.1 模型建立

計算簡圖：根據項目施工圖設計文件中頂管與橋梁基礎的相對位置關系，綜合確定了平面計算簡圖。

地層劃分：根據項目巖土工程勘察報告中的地層資料，充分考慮頂管施工的不利情況將地層自上而下簡化為填土、淤泥、粉質黏土、中砂、強風化泥質粉砂巖巖、中風化泥質粉砂巖六層。

該次模型計算范圍為橋梁基礎前后各10 m范圍內的頂管施工，模型邊界水平方向取至橋梁基礎兩側各15 m，水平方向取至樁底10 m，充分消除模型的邊界效應；模擬計算過程中約束模型底面豎向位移，約束模型側面的法向位移。

最終建立模型尺寸為67 m*55 m*35 m，采用混合網格生成器劃分網格，共包含個57 042個單元和39 254個節點，具體如圖2、圖3所示。

圖2 整體模型

圖3 頂管與橋梁基礎位置關系俯視圖

1.3.2 工況劃分

根據項目頂管施工專項方案中的相關要求，結合該次建模分析的實際需要，該次計算共劃分59個施工階段，具體內容如下：

工況1：初始地應力平衡。模擬場地初始地應力情況，并清空位移場。

工況2：既有橋梁施工。頂管在施工前，場地存在初始應力場，該初始應力場應考慮既有橋梁施工時導致的土體自重應力場的變化，故需要在土體自重應力場的基礎上模擬橋梁施工過程。

工況3：位移清零。頂管掘進作為后續施工，在頂管掘進之前它們之間無變形的相互影響，所以在上述工況2應力場基礎上，初始化所有位移為零，僅保存其變化的應力場作為頂管施工模擬的初始應力場。

工況4～工況59：頂管施工。每個頂管掘進步長為2 m，共分28個掘進步。每個掘進步分兩個階段，第一個階段鈍化開挖范圍內的土體，在掌子面添加正面推進力；第二個階段激活管片單元，實現管節頂進，并激活注漿部分土體和改變屬性邊界條件，以實現同步注漿效果。

1.3.3 計算結果

為了方便結果的表達，將坐標系及橋梁基礎編號規定如圖4～圖7所示。

圖4 橋梁基礎編號及坐標系規定

圖7 頂管施工結束后橋梁基礎Z方向變形云圖

圖5 頂管施工結束后橋梁基礎X方向變形云圖

1.4 結果分析

（1）根據結果云圖來看，頂管頂進施工對周圍土體產生了一定的擾動，并且頂管隧道開挖過程中產生的地層變形傳遞到了既有樁基上，樁基周圍土體的力學性質與應力場相應的發生了變化，橋梁基礎也產生了一定程度的變形。水平方向主要表現為朝向頂管隧道變形，豎直方向主要表現為沉降。將各工況橋梁基礎變形最大值整理如表1所示。

表1 頂管下穿立交高架橋計算結果 /mm

對比相關規范，橋梁基礎變形滿足安全要求。

（2）該次數值模擬分析計算結果表明該項目WZ17-WZ18污水頂管頂進施工引起鄰近立交高架橋橋梁基礎的變形符合規范限制，其安全風險程度在可接受范圍內。

（3）該次數值模擬結果可為施工安全風險評估提供參考，也可用于指導設計和施工。

（4）該次新建污水管道頂管施工對既有橋梁的運營安全影響可控，不需變更管道路由，可進一步探討就地保護措施。

2 總結

隨著科技的不斷進步，有限元分析軟件在功能、易用性等方面有了長足的進步，并且與建筑行業的技術融合趨勢也越來越明顯。有限元分析是一個有很大潛力的行業實踐，尤其是在城市建設進入更新改造階段，有大量的新舊相鄰的項目，通過有限元的建模分析，可以減少繁重的試驗工作，降低項目投資。

該文結合工程實例，利用有限元軟件分析了新建工程施工對臨近結構物穩定性的影響程度，實現了施工前的項目風險控制，為項目建設節約了資金投入。希望通過該文的研究為將來該類型的項目提供安全管理思路和研究借鑒。