盾構下穿地下燃氣管線施工控制的有限元模擬分析

謝皆睿

（中鐵十六局集團軌道公司，北京 通州 101100）

0 引言

盾構法施工不僅安全、可靠、平穩，而且施工速度快，在地鐵隧道的建設中得到了廣泛運用。但是各大城市中，不可遷改的管線一定程度上制約著地鐵建設的施工速度，增大了建設風險[1]。

本文基于具體施工案例，對盾構掘進參數進行詳細的研究分析，通過有限元建模進行仿真模擬，給出合理的施工參數組合，以求盡量減小掘進參數對地層的擾動，限制地層變形的產生并抑制變形的發展，從而保護地下高壓燃氣管線。該研究對類似盾構下穿工程具有一定指導意義。

1 工程概況及水文地質條件

1.1 工程概況

橋頭堡站～盾構轉換井區間，左右線長116.892m，97 環（環寬1.2m，外徑6.2m，內徑5.5m，厚0.35m，錯縫拼裝，環縫接觸面設凹凸榫，彎螺栓連接）；區間最大埋深10.8m，最小埋深9.7m；線路間距10.12～15.7m，曲線半徑為：2500m。兩臺鐵建重工公司生產的ZTE6410土壓平衡盾構機，橋頭堡站始發，盾構轉換井接收。

1.2 杭甬線管道DN813概況

已建天然氣杭甬線管道為西氣東輸重要管線，本段為蕭山段，2007年完成并投入運行。

管線設計壓力：6.3MPa；管徑及材質：D813×11.9mm，L450 螺旋縫埋弧焊鋼管；區間隧道在右33、左3 下穿，管道埋深約1.2～3.6m，距離盾構頂6.35～7.52m，與左線隧道交叉角度為86°，與右線隧道交叉角度為76°，交叉段管線埋深為左線3.44m，右線2.26m。

1.3 水文地質條件

隧道開挖土層中以粉土、砂質土為主，且施工涉及高壓燃氣管線位于第二層，開挖隧道位于第三層，因此以粉砂土層為研究對象。隧道與管線相對位置平面圖如圖1所示。

（1）第二大層：“硬殼層”（al-mQ43）：可分為②31層黏質粉土、②32 層砂質粉土、②42 層砂質粉土夾粉砂3個工程地質亞層。

（2）第三大層：錢塘江沖海積層（al-mQ42）。全新統中段河口相沉積地層，巖性多以粉（黏）性土為主，可分為③5層粉砂、③6層砂質粉土2個工程地質亞層。

地下水類型主要為松散巖類孔隙潛水，主要賦存于淺（中）部填土層、粉（砂）性土中。潛水穩定水位埋深為地面下1.40～2.80m，平均高程為3.41m。

2 基本計算原理和方法

區間粉砂土層是含水量大、壓縮性高、承載力低的一種軟塑到流塑狀態軟土[2]。采用的本構模型有：（1）Mohr-Coulomb 模型，模擬圍巖土體；（2）修正劍橋模型（MCC）。同時，采用依據盾構穿越地層的地質剖面圖，建立能夠反映各土層分布特征的初始地應力分析模型，在模擬時只考慮重力產生的初始地應力場。

2.1 材料與荷載的模擬方法

在模擬盾構施工時，不同位置單元材料示意圖如圖2 所示。通過變換相應位置單元的材料反映盾構向前推進。

圖2 不同位置單元材料示意圖

2.2 施工步模擬方法

采用有限元軟件ABAQUS作為計算工具，應用生死單元法來模擬盾構開挖掘進過程；土體采用Mohr-Coulomb 本構及MCC 模型進行模擬；用線彈性本構模擬混凝土襯砌。盾構隧洞的施工過程可概括為工作面開挖、盾尾襯砌環的拼裝和盾尾空隙注漿充填幾個步驟，工作面開挖和襯砌的拼裝交替進行，直至整條隧洞完成[3]。

3 盾構掘進參數的計算

盾構掘進的土壓力、盾構推進力、刀盤扭矩、刀盤轉速均與盾構推進速度有著密切的關系。而盾構推進速度與施工地段的地層沉降有著密切聯系。本文的仿真模擬即是基于此，通過調整盾構施工中的相關參數來改變盾構推進速度，以不同的盾構推進速度進行隧道開挖的模擬[4]。將盾構施工掘進的理論參數與杭州某地鐵施工實際相結合，通過一系列計算，將盾構施工掘進參數的范圍大致確定下來，如表1所示。

表1 盾構施工掘進參數范圍（理論預算值）

4 盾構開挖對地下高壓燃氣管線沉降影響模擬

研究中涉及襯砌和地下高壓燃氣管線采用線彈性模型，施工段土體采用彈塑性模型即摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）屈服準則[1]。以上本構模型可以較好地反映土體的應力應變特性，且參數相對較少，在實際的巖土工程中應用比較普遍。

4.1 計算模型

建立地鐵盾構下穿高壓燃氣管線有限元模型，在ABAQUS 中構建數值分析模型時選取隧道開挖經過地下高壓燃氣管線的洞段為研究對象，重點分析盾構施工過程中包括土壓力、盾構推進力、推進速度、刀盤轉速等盾構掘進參數變化在開挖過程中造成的地下高壓燃氣管線沉降量。網格的劃分采用C3D8R八結點線性六面體單元劃分技術，整個模型共劃分137964個單元。賦予不同的材料參數。利用生死單元法分步移除和激活不同的單元，動態模擬工程施工過程。

整個模型共劃分137964個單元，以管線與開挖隧道成90°角的工況為例，所建立模型如圖3所示。

圖3 盾構下穿地下管線有限元模型圖

4.2 盾構掘進模擬步驟

（1）計算盾構開挖前土體的初始應力，得到土體的初始應力應變狀態；

（2）利用ABAQUS生死單元殺死一個襯砌管片寬度的待開挖土體單元，由盾構殼體支承隧洞一周的未開挖土體，在盾構尾部處進行襯砌管片的鋪設；

（3）盾構開挖推進到下一步長，利用ABAQUS 生死單元激活襯砌單元，利用襯砌管片的支承來替代開挖處土體，施加注漿產生的均布壓力于盾尾。

重復以上第2、3步的過程，直至盾構開挖通過高壓燃氣管線一定距離。

4.3 不同盾構掘進參數對管線沉降影響

改變盾構推進過程中土壓力、盾構推進力、刀盤轉速以及刀盤扭矩等掘進參數使盾構機以不同的推進速度向前推進，通過ABAQUS有限元數值模擬仿真，得到沿管線軸線的水平坐標上管線的沉降變形（即管線豎向位移）情況，水平坐標以開挖面在管線正下方為起點，分別觀測兩端50m范圍內管線的變形情況。

4.3.1 土壓力的影響

由圖4分析可知：左線對管線的沉降變形均較右線的沉降變形大。考慮管線的安全性以及盾構施工的效率，如果選取土壓力過小將導致在施工過程中管線的沉降變形超過理論計算的管線安全變形值，且盾構開挖的效率慢，影響施工進度，選取的土壓力過大將會導致施工段地面隆起。故選取1.1～1.25bar作為盾構隧道施工土壓力的參考范圍。

圖4 土壓力對管線沉降的影響

4.3.2 盾構推進力的影響

由圖5分析可知，如選取盾構推進力過小，將導致施工過程中管線的沉降變形超過理論計算的管線安全變形值，且盾構開挖的效率慢，影響施工進度；選取的盾構推進力過大會導致施工段地面隆起。故選取11000～12500kN作為盾構隧道施工時盾構推進力的參考范圍。

圖5 盾構推進力對管線沉降的影響

4.3.3 刀盤扭矩的影響

由圖6分析可知，考慮管線在盾構施工中的安全性以及盾構施工的效率，如果選取盾構刀盤扭矩過小將使施工過程中管線的沉降變形超過理論計算的管線安全變形值；選取的盾構刀盤扭矩過大，將導致盾構開挖過程中的阻力增大，影響施工進度，且扭矩過大還將導致開挖面前方地面隆起。故選取1500～1700kN·m 作為盾構隧道施中盾構刀盤扭矩的參考范圍。

圖6 刀盤扭矩對管線沉降的影響

4.3.4 刀盤轉速的影響

由圖7分析可知，如果選取盾構刀盤轉速過小將使盾構開挖的效率慢，影響施工進度，選取的盾構刀盤轉速過大，將導致在施工過程中管線的沉降變形超過理論計算的管線安全變形值。故選取1.0～1.2r/min 作為盾構隧道施中盾構刀盤轉速的參考范圍。

圖7 刀盤轉速對管線沉降的影響

4.4 盾構施工掘進參數組合范圍的確定

由以上ABAQUS數值模擬的結果分析，結合實際施工經驗最終確定的盾構掘進參數的組合范圍見表2。

表2 盾構施工掘進參數范圍（數值模擬值）

5 盾構下穿高壓燃氣管線沉降結果

2020年1月5日，盾構順利下穿杭甬高壓燃氣管，期間檢測數據顯示，累計最大沉降13.6mm。由于此區間距離短，糾偏困難，始發階段盾構機調整好姿態，參考相關參數，避免在掘進中姿態變化，順利快速完成穿越，未對高壓燃氣管線造成影響。

6 結束語

通過ABAQUS 有限元數值模擬軟件可對盾構隧道穿越高壓燃氣管線的施工全過程進行模擬，并對包括土壓力、盾構推進力、推進速度、刀盤轉速等盾構掘進參數對地下高壓燃氣管線的沉降影響進行安全范圍的確定。通過分析得出結論，高壓燃氣管線與開挖隧道夾角越大，盾構推進過程中對管線的沉降影響越大。實踐證明，有限元數值模擬為該工程盾構施工參數控制提供了科學支撐，為地下管線的沉降控制提供了安全保障。