周雪蓮，王曉鋒，魏林春，顧沉穎

(1．上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093;2．國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海 200002;3．上海隧道工程股份有限公司，上海 200062;4．上海市地下空間設(shè)計(jì)研究總院有限公司，上海 200032)

超大直徑盾構(gòu)下穿高危管線施工數(shù)值模擬分析

周雪蓮1，王曉鋒2，魏林春3，顧沉穎4

(1．上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093;2．國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海 200002;3．上海隧道工程股份有限公司，上海 200062;4．上海市地下空間設(shè)計(jì)研究總院有限公司，上海 200032)

結(jié)合上海虹梅南路盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近乙烯管線影響的工程實(shí)例，采用三維彈塑性有限元精細(xì)化模擬盾構(gòu)施工過(guò)程中管線的響應(yīng)。研究超大直徑泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中二次擾動(dòng)及復(fù)雜穿越對(duì)乙烯管線的影響，并依據(jù)燃?xì)夤芫€安全性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(容許差異沉降率和容許最大應(yīng)力雙控指標(biāo))對(duì)乙烯管線的安全性進(jìn)行判定，為該工程后期第二次穿越乙烯管線的順利施工提供依據(jù)。

超大直徑 乙烯管 數(shù)值模擬 施工參數(shù)

盾構(gòu)機(jī)在穿越一些高危燃?xì)夤芫€時(shí)，由于燃?xì)饩哂幸兹肌⒁妆雀呶Ｌ匦?，高壓燃?xì)夤芫€對(duì)隧道施工中的地層沉降控制要求非常高，管線的劈裂對(duì)周邊環(huán)境安全將造成極其惡劣的影響［1］。所以設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵是盡量減少由于隧道掘進(jìn)引起的地層位移及對(duì)隧道沿線管線的影響。

盾構(gòu)施工過(guò)程中土層與暗埋剛性管道的變形并非協(xié)調(diào)變形，土層破壞模式相當(dāng)復(fù)雜，使通過(guò)理論方法研究管線受力形式及破壞模式以判別管線的安全性適用范圍受限。借助于有限元數(shù)值分析軟件，將復(fù)雜的施工過(guò)程適當(dāng)簡(jiǎn)化以預(yù)測(cè)管線的安全性可以得到較好的效果［2］。

吳波等［3］結(jié)合深圳地鐵大劇院—科學(xué)館區(qū)間隧道工程，通過(guò)ANSYS有限元軟件建立三維彈塑性模型模擬了隧道開(kāi)挖對(duì)管線的影響，并給出管線安全性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。畢繼紅等［4］運(yùn)用 ABAQUS有限元分析軟件模擬了雙線隧道開(kāi)挖對(duì)地下管線的影響，認(rèn)為在其它條件不變的情況下，管線的剛度越大，管線的變形越小，但產(chǎn)生的附加應(yīng)力越大。魏綱等［5］采用三維有限元方法分析過(guò)街隧道施工引起的相鄰地下管線變形和受力，總結(jié)出管線的水平位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于豎向位移，管線與隧道間距和管線埋深比值＜10時(shí)，應(yīng)采取措施以保障管線的正常運(yùn)營(yíng)。

目前，數(shù)值模擬大多建立在對(duì)不同的管線埋深、管線材質(zhì)、管線與隧道間距和圍巖條件等的對(duì)比分析上，模型簡(jiǎn)單且尚未考慮施工參數(shù)如切口泥水壓力、同步注漿量、同步注漿壓力以及推進(jìn)速度等的影響。因此，需對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行精細(xì)化模擬。本文結(jié)合虹梅南路隧道工程采用超大直徑泥水平衡盾構(gòu)施工，通過(guò)建立精細(xì)化的數(shù)值仿真模型分析乙烯燃?xì)夤芫€的變形及受力情況。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)

虹梅南路隧道工程位于閔行區(qū)和奉賢區(qū)，北起虹梅南路、永德路交叉口，沿現(xiàn)狀虹梅南路向南延伸，先后穿越劍川路、東川路、滬閔支線、江川東路、黃浦江，終點(diǎn)至西閘路以南約500 m，全長(zhǎng)約5 260 m。

閔行區(qū)虹梅南路西側(cè)，沿隧道主線方向存在上海氯堿公司的金山至吳涇乙烯管線1根，是輸送乙烯化工原料的重要設(shè)施。乙烯管埋設(shè)覆土深度約1.5～2.0 m，管徑250 mm，材質(zhì)為鋼管，內(nèi)壓力16 MPa。隧道外徑14.5 m，內(nèi)徑13.3 m，管片厚0.6 m，左右線間距約21.0 m。隧道與乙烯管相對(duì)位置如圖1所示。各土層厚度從上至下依次為 1.5，1.7，4.6，11.1，7.4，2.6，4.5及3.1 m。YX-i為乙烯管沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，相鄰測(cè)點(diǎn)間距為20 m;W1020-i為地表沉降槽監(jiān)測(cè)點(diǎn)，W1020-i處相鄰測(cè)點(diǎn)間距為4.5 m，見(jiàn)圖2。根據(jù)工程實(shí)際先開(kāi)挖距離乙烯管較近的西線隧道，然后盾構(gòu)機(jī)掉頭開(kāi)挖東線隧道。

1.2 盾構(gòu)施工參數(shù)

圖3為施工參數(shù)圖，可見(jiàn)1-1斷面處切口泥水壓力控制在0.48 MPa左右，推進(jìn)速度約為30 mm/min，同步注漿量為22.8 m3/環(huán)，同步注漿壓力為0.7 MPa。

圖1 隧道與乙烯管相對(duì)位置

圖2 分析段監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖3 施工參數(shù)

1.3 管線控制標(biāo)準(zhǔn)

管線的破壞可能因差異沉降過(guò)大導(dǎo)致接頭不能保持封閉狀態(tài)而發(fā)生泄漏，或管線附加應(yīng)力過(guò)大而出現(xiàn)裂縫。開(kāi)挖引起周?chē)貙拥牟町惓两凳菍?dǎo)致管線破壞或功能喪失的主要原因［6］。目前，我國(guó)還沒(méi)有一個(gè)相對(duì)統(tǒng)一的關(guān)于管線變形控制的標(biāo)準(zhǔn)。畢繼紅等(2006)總結(jié)了相關(guān)管線的沉降控制指標(biāo)，認(rèn)為差異沉降應(yīng)控制在δ≤L/1 000 m(δ為任意兩點(diǎn)間的差異沉降值，L為兩點(diǎn)間的間距)。由于該工程中乙烯管線是上世紀(jì)90年代敷設(shè)的老舊管線，且乙烯為無(wú)色無(wú)味的有毒氣體并具有易燃易爆等特性，一旦發(fā)生泄漏對(duì)周?chē)h(huán)境危害極大，為保證其安全運(yùn)營(yíng)取其安全系數(shù)為5，即 δ≤L/5 000 m;其次，現(xiàn)行《壓力管道規(guī)范》(GB/T 20801.2—2006)［7］規(guī)定壓力管道的極限受拉限定值為112 MPa，取安全系數(shù)為5，即該乙烯管道極限受拉限定值為22.4 MPa。將通過(guò)以上兩個(gè)指標(biāo)對(duì)乙烯管線的安全性進(jìn)行判定。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算假定

1)地下管線為等直徑、等壁厚，管道材料本構(gòu)關(guān)系按線彈性考慮。

2)管線與周?chē)馏w非協(xié)調(diào)變形。假定管線與周?chē)馏w通過(guò)摩擦接觸，即在變形過(guò)程中，管線與土體可以產(chǎn)生有限的相對(duì)滑動(dòng)。采用ABAQUS中Penalty接觸關(guān)系將管線嵌入土層。

3)用降低彈性模量的方法考慮接頭的影響。

4)同步注漿量簡(jiǎn)化為均一、等厚、彈性的等代層，等代層的厚度完全充填于盾尾間隙。

2.2 參數(shù)選取

根據(jù)已知材料參數(shù)及施工參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。部分材料參數(shù)如表1所示。土體采用三維實(shí)體單元C3D8PR，襯砌和盾構(gòu)機(jī)采用殼體單元C4S，乙烯管采用梁?jiǎn)卧?。土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb彈塑性模型。考慮到襯砌接頭對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)剛度的影響，將襯砌結(jié)構(gòu)的剛度折減0.15［8］，襯砌結(jié)構(gòu)取C55混凝土。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)

為有效控制地表沉降值，適當(dāng)簡(jiǎn)化已有的盾構(gòu)施工過(guò)程地層損失、切口水壓、注漿壓力等施工參數(shù)。盾構(gòu)施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬采用剛度遷移法實(shí)現(xiàn)參數(shù)改變。在盾尾處沿徑向施加同步注漿壓力0.7 MPa，在切削面正面施加均布切口泥水壓力0.48 MPa。為模擬盾構(gòu)動(dòng)態(tài)推進(jìn)過(guò)程，每步掘進(jìn)2 m，盾尾脫出后激活襯砌單元及同步注漿單元。閔行段乙烯管與隧道位置錯(cuò)綜復(fù)雜，數(shù)值模擬時(shí)考慮盾構(gòu)連續(xù)施工時(shí)對(duì)乙烯管的影響。

3 計(jì)算預(yù)測(cè)分析

計(jì)算得出，當(dāng)盾尾脫離監(jiān)測(cè)點(diǎn)20 m時(shí)，地表最大沉降發(fā)生在左線隧道正上方，最大沉降為9.1 mm，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)最大沉降為9.25 mm。隧道在盾尾脫出20 m后，乙烯管已開(kāi)挖段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)最大沉降約為4.0 mm，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果在盾尾脫出20 m后約為4.5 mm，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬值結(jié)果相近。

由差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn) δ≤L/5 000 m，得出 δ≤0.2L mm。由差異沉降定義可知該式等價(jià)于|Δy|≤0.2Δx(如圖4所示)，即乙烯管的沉降曲線斜率 k的絕對(duì)值應(yīng)＜0.2。實(shí)際工程中管線沉降曲線函數(shù)復(fù)雜，不便于通過(guò)求解沉降曲線的函數(shù)表達(dá)式f(x)并對(duì)其求導(dǎo)取斜率。由微分定義可知，當(dāng)Δx足夠小時(shí)曲邊三角形ABC可簡(jiǎn)化為直角三角形ABC。因此，差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)可轉(zhuǎn)化為

圖4 差異沉降率計(jì)算模型

圖5為差異沉降率曲線，僅當(dāng)雙線同時(shí)挖通時(shí)，隧道位置在160～180 m之間的乙烯管區(qū)段超出差異沉降控制范圍，應(yīng)當(dāng)加密布置該區(qū)域的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并結(jié)合施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以滿足乙烯管的正常運(yùn)營(yíng)。

圖5 差異沉降率曲線

乙烯管差異沉降呈現(xiàn)如下規(guī)律:無(wú)論是單線隧道施工還是雙線隧道施工時(shí)，乙烯管的最大差異沉降并非出現(xiàn)在隧道軸線正上方處，而是出現(xiàn)在乙烯管的拐彎點(diǎn)附近，即取決于乙烯管的敷設(shè)形狀。在拐點(diǎn)處附近沉降變化明顯。

根據(jù)乙烯管不同階段應(yīng)力可知，盾構(gòu)機(jī)切口抵達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)處乙烯管應(yīng)力最大為5.0 MPa。盾構(gòu)機(jī)不斷掘進(jìn)過(guò)程中，乙烯管應(yīng)力逐漸減小，盾尾脫出20 m時(shí)最大應(yīng)力為3.9 MPa。先建隧道開(kāi)挖后，應(yīng)力最大值發(fā)生在隧道與乙烯管斜交處，最大應(yīng)力值約為1.6 MPa;右線隧道開(kāi)挖完畢后，最大應(yīng)力值為2.5 MPa。均未超過(guò)限定值22.4 MPa，該項(xiàng)指標(biāo)顯示乙烯管均處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

1)差異沉降控制指標(biāo)可用差異沉降率控制范圍表示，本文給出其計(jì)算公式，差異沉降率曲線較差異沉降指標(biāo)更直觀，便于工程直接使用。

2)乙烯管的最大差異沉降并非出現(xiàn)在隧道軸線正上方處，而是出現(xiàn)在乙烯管的拐彎點(diǎn)附近，即最大差異沉降取決于乙烯管的敷設(shè)形狀。

3)當(dāng)盾構(gòu)機(jī)抵達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)達(dá)到應(yīng)力最大，隨后該處應(yīng)力逐漸減小;單線及雙線挖通時(shí)，其最大應(yīng)力值均位于乙烯管與隧道斜交處。

4)對(duì)乙烯管變形及受力雙控指標(biāo)分析得知，乙烯管的安全性取決于乙烯管的差異沉降率，在乙烯管拐點(diǎn)處需采取措施以保障其安全運(yùn)營(yíng)。

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U455．43

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．02．16

1003-1995(2014)02-0047-03

2013-07-02;

2013-09-30

周雪蓮(1989— )，女，江西上饒人，碩士研究生。

(責(zé)任審編 趙其文)