史超凡,馬石城

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隧道開挖對既有管線沉降的影響

史超凡,馬石城

(湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院, 湖南湘潭, 411105)

隧道施工使周邊管線的附加應(yīng)力及變形加大, 嚴(yán)重影響管線安全, 而管線監(jiān)測通常落后于施工, 只有正確地預(yù)估管線沉降和沉降規(guī)律才能保證施工安全。針對這一問題, 采用ANSYS分析軟件, 考慮管土之間的相互作用, 模擬隧道臺階法施工的實際過程, 探討隧道淺埋暗挖施工對管線的影響, 分析其沉降規(guī)律, 并與實測值對比, 研究管線直徑、埋深、材質(zhì)、埋置年代等對其沉降的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明: 模擬值略小于實測值, 但沉降規(guī)律一致, 地下水的損失以及地面荷載都將加大管線沉降; 管線的最大沉降與管線直徑大致成正比關(guān)系; 埋深對管線變形的影響較大, 近地面處隨埋深的加大管線沉降加大, 靠近管線處隨埋深的加大沉降減小; 不同材質(zhì)管線的沉降從大到小依次是PVC管、混凝土管、鑄鐵管、鋼管; 壁厚對管線的影響不大。

隧道施工; 地下管線; 沉降; 有限元

統(tǒng)計資料表明38%的地下管線破壞由市政工程施工引起[1], 為了避免施工造成的管線破壞, 國內(nèi)外諸多學(xué)者對這一問題做了大量研究。主要研究方法有經(jīng)驗法[2–3]、解析法[4–6]和數(shù)值法[7–10]。但以往的研究多集中在盾構(gòu)法施工, 對于淺埋暗挖法施工的研究較少。此類研究大多未考慮施工過程對管線沉降的影響, 只注重研究管線的最終沉降, 討論施工完成后管線的沉降規(guī)律, 且在數(shù)值建模時不考慮管線與周圍土體的接觸問題, 通常認(rèn)為土體與管線始終保持接觸, 但實際上管線與土體的剛度相差較大, 很難完全協(xié)調(diào)變形, 在沉降過程中會發(fā)生一定的分離。

綜上, 本文采用ANSYS有限元分析軟件建立三維模型, 考慮管線與土體的分離建立管土接觸面, 并對隧道實際開挖過程進行模擬, 采用單一變量法分析各管線參數(shù)(直徑、埋深、材質(zhì)、埋置年代等)對管線沉降的影響規(guī)律。

1 三維有限元模型的建立

1.1 基本假設(shè)

為了便于ANSYS對問題進行有針對性的分析, 提高計算效率, 本文假設(shè): (1) 土體為理想的彈塑性體, 符合Drucker-Prager模型, 土層呈水平均勻?qū)訝罘植? (2) 地下水對沉降的影響很小, 不考慮地下水的作用; (3) 管線為理想的勻質(zhì)彈性材料, 不考慮其接頭的影響; (4) 在文獻[11]中, 吳為義通過分析指出, 管線內(nèi)壓對管線的變形及軸向應(yīng)力的影響很小, 只影響其環(huán)向應(yīng)力, 因此本文忽略管線的內(nèi)壓; (5) 不考慮地面荷載的作用。

1.2 模型

本文采用單一變量法研究不同因素對管線沉降的影響規(guī)律, 所做分析均建立在基本模型上?；灸Ｐ统叽鐬?0 m × 50 m × 40 m (××), 其中:方向為管線方向,方向為隧道掘進方向,方向為隧道埋深方向; 隧道拱頂埋深12 m, 跨度7 m, 管線管底埋深3 m; 模型邊界條件為上表面為自由面, 其他5個面約束法向自由度。有限元模型見圖1。

圖1 有限元模型

(1) 土層。土層分4層, 最上層為填土層, 厚度9 m, 中間為強風(fēng)化巖層, 厚度6 m, 第3層為中風(fēng)化巖層, 厚度9 m, 最下面一層為微風(fēng)化巖層, 土層及材料參數(shù)見表1。土體采用solid45實體單元模擬, 按理想彈塑性材料考慮, 符合Drucker-Prager強度屈服準(zhǔn)則。

表1 各材料主要物理力學(xué)參數(shù)

注: 材料尺寸欄, 土層為土層厚度, 管線為直徑, 加固區(qū)和初支為厚度。

(2) 管線。為便于模型分析又不失準(zhǔn)確性, 本文管線采用等剛度理論將圓形管等效為實體正方形管, 其邊長為原管線外徑。管線按線彈性材料考慮, 采用實體單元solid45, 其彈性模量變換公式為11=22, 式中:1為管線初始彈性模量;1為管線初始慣性矩,1= π(4–4)/64, 其中為管線外徑,為管線內(nèi)徑;2為等效后管線的彈性模量;2為等效后管線的慣性矩,2=4/12,=,為等效方形管邊長。

(3) 支護。由于本文研究的是淺埋暗挖法隧道施工過程對既有管線沉降的影響, 不用考慮管線在長期荷載作用下的變形, 而“淺埋暗挖法”采用的是新奧法的基本原理, 即“初支承擔(dān)全部基本荷載。二次襯砌只作強度安全儲備”, 所以在建模的時候不需要考慮二次襯砌對圍巖的支撐作用, 只模擬初期支護及注漿預(yù)加固。超前小導(dǎo)管加固措施可按改變土層的力學(xué)性能考慮, 采用實體單元, 為彈塑性材料, 厚度1.5 m。初期支護采用shell 181單元模擬, 按彈性材料考慮, 厚度為250 mm。

(4) 開挖。隧道開挖采用三臺階法施工, 先對開挖區(qū)域土體進行注漿預(yù)加固, 接著開挖上臺階, 上臺階初期支護; 然后開挖中臺階, 中臺階初期支護; 最后開挖下臺階, 下臺階支護。然后進行下一個循環(huán), 預(yù)加固用改變加固區(qū)土體力學(xué)參數(shù)來模擬。開挖及支護使用“生、死單元”模擬, 開挖土體即鎖死單元, 建立初期支護即激活該部分單元。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

本文將分別對管線自身參數(shù)(直徑、埋深、材質(zhì))和管線所處土層參數(shù)進行研究, 以探討各參數(shù)對管線沉降的影響規(guī)律。

2.1 管線直徑對其沉降的影響

對不同直徑的混凝土管在隧道施工影響下管線的變形情況進行模擬, 分別取管線直徑為400, 800, 1 200, 1 600 mm, 模擬結(jié)果見圖2和圖3。

圖2 不同直徑管線的豎向位移

圖3 不同直徑管線的最大位移

圖1給出了隧道施工影響下不同直徑管線的位移曲線, 從圖1可以發(fā)現(xiàn)管線直徑對其沉降有一定影響, 當(dāng)管線直徑分別為400, 800, 1 200和1 600 mm時, 其最大沉降值分別為24.4, 23.3, 22.24和21.13 mm。沉降曲線的最大斜率分別為2.34, 2.17, 1.98和1.78 mm/m。隨著直徑的增大, 其最終沉降值逐漸減小, 沉降曲線的斜率也越來越小, 不同直徑的管線沉降范圍基本接近。

從圖2可以看出隧道開挖所引起的地下管線的沉降與管線的直徑大致成線性關(guān)系, 可用公式= 0.002 7– 25.46進行擬合, 式中的常數(shù)值應(yīng)根據(jù)隧道的施工工況、隧道斷面、土層參數(shù)、管線參數(shù)等來確定。

2.2 管線埋深對其沉降的影響

對不同埋置深度的管線在隧道施工影響下的變形情況進行模擬時, 分別取埋深為2, 3, 4, 5 m。為研究管線與隧道近接時的情況, 另取管線埋深為11 m進行模擬。模擬結(jié)果見圖4, 圖5。

圖4 不同埋深下管線的豎向位移

圖5 不同埋深管線的最大位移

從圖4可以看出, 管線埋深對沉降的影響較大。在管線埋深不大, 管隧間相對距離還較遠時, 隨著管線埋深的增加即管隧相對距離的減小, 管線的最大沉降量逐漸增加, 而沉降槽寬度卻逐漸減小, 埋深較淺的管線沉降槽淺且寬, 埋深較大的管線沉降槽深且窄, 埋深為2, 3, 4, 5 m管線沉降曲線的最大斜率分別為1.81, 1.98, 2.24, 2.49 mm/m。隨著埋深繼續(xù)增加, 當(dāng)管隧非常接近時(本文取管隧間距為1 m), 最大沉降值反而有所減小, 且沉降槽寬度也有明顯減小。隨著埋深增加, 隧道施工對管線的影響越來越大, 管線的沉降逐漸增大, 而在距隧道很近的位置沉降反而減小, 這看似反常的現(xiàn)象其實是合理的。因為當(dāng)無管線存在時, 隧道上方的土層距隧道越近其沉降越大, 而橫向沉降槽寬度越小。因此, 管線離隧道很近時, 雖然管線周圍土體的沉降很大, 但是沉降段的范圍卻在減小。由于管線本身的變形協(xié)調(diào), 表現(xiàn)為相較于距隧道稍遠一點的管線, 其最大沉降和沉降槽寬度都有所減小, 導(dǎo)致管線的內(nèi)力必然有所增大[11]。在對近接隧道管線進行監(jiān)測時, 除關(guān)注其沉降值及沉降速率外, 也應(yīng)重點監(jiān)測其內(nèi)力的變化以保證隧道的安全施工。

圖5給出了管線的最大沉降隨管線埋深的變化關(guān)系, 從中可見, 在近地面處管線的最大沉降隨埋深的變化較緩慢, 隨著埋深的加大, 最大沉降值的變化速率也在增加, 埋深越大管線變形對埋深的變化越敏感, 隧道施工對管線的影響越大, 因此對深埋近接管線應(yīng)加強監(jiān)測及采取相應(yīng)保護措施。

2.3 管線材質(zhì)對其沉降的影響

城市中常用的給排水管、通信管線等常用的材質(zhì)有混凝土、PVC、鋼、鑄鐵。本節(jié)取此4種材料模擬, 其參數(shù)[12]見表2, 埋深均取3 m。

表2 管線材質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)

圖6給出了不同材質(zhì)管線的沉降曲線, 可以看到PVC管和混凝土管的沉降曲線比較接近, 而鋼管線與鑄鐵管線的沉降曲線比較接近。結(jié)合表2可看出, 管線的剛度對其變形有一定影響, 其最大沉降量隨剛度的增大而減小。管線剛度不是很大時(PVC管與混凝土管), 其變形與土體變形具有較好的協(xié)調(diào)性; 當(dāng)管線剛度較大時(鋼管、鑄鐵管), 管線抵抗土體變形的能力增大, 雖然此時管線的最大沉降值會有所減小, 但是其內(nèi)力會增加。PVC管、混凝土管、鑄鐵管、鋼管沉降曲線的最大斜率分別為2.32, 2.17, 1.91, 1.86 mm/m。在-7 m≤≤7 m范圍內(nèi), 管線沉降與管線的彈性模量成反相關(guān), 在這段范圍之外管線沉降與其彈性模量成正相關(guān)。

2.4 埋置年代對管線沉降的影響

管線埋置年代對管線的影響主要表現(xiàn)為隨時間的推移管線周圍土體對它的腐蝕加深, 具體表現(xiàn)為管線壁厚的減小。王霆[13]根據(jù)Rajani兩階段模型和Kucera冪函數(shù)模型總結(jié)出不同埋置時間后管線受腐蝕的厚度(表3)。

從表3可以發(fā)現(xiàn), 埋置時間超過10年后管線的被腐蝕厚度變化不大。為簡化計算取埋置時間為10, 50, 100年3種情況研究。直徑為800 mm鑄鐵管線其壁厚為13 mm, 則在3個埋置時間后的殘余壁厚分別為8.2, 6.3, 5.0 mm。

表3 鑄鐵管線的腐蝕厚度/mm

從圖7可以看出, 對于不同壁厚的管線, 沉降曲線基本重合, 管線的壁厚對沉降的影響不大, 隨壁厚的減小其沉降略有增加, 這是由于直徑相同時, 管線的抗彎剛度由彈性模量與壁厚決定, 對于彈性模量很大的管線, 壁厚對其抗彎剛度的影響非常有限。但是隨著管線使用年限的增加, 其自身強度會有較大減小, 因此, 當(dāng)隧道下穿埋置年代較久遠的管線時, 不能單純憑管線的沉降來判別其安全性, 應(yīng)加強管線周圍的保護措施。

圖7 不同埋置年代管線的豎向位移

3 實際工程分析

嶺清區(qū)間施工橫通道起點位于南京路和哈爾濱路交叉口處綠地中, 長74.347 m, 橫通道凈寬5.5 m, 凈高7.13 m, 初支250 mm, 二次襯砌500 mm, 橫通道處的土體埋深為12.5 m。橫通道處土層從上往下依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、強風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖和微風(fēng)化巖, 土層參數(shù)見表4。橫通道施工需下穿南京路引黃入青DN1200高壓混凝土供水管道, DN1200供水管為鋼筋混凝土管, 80年代修建, 管節(jié)長為5 m, 管壁厚10 cm, 承插式接口, 接口長15 cm。隧道采用三臺階法施工, 橫通道從拱頂下4.5 m, 在拱部及邊墻開挖輪廓線1.5 m以外采用超前小導(dǎo)管加固措施。

表4 土層物理力學(xué)參數(shù)

采用本文所述建模方式對以上工程進行三維數(shù)值分析, 并將所得結(jié)果與實際監(jiān)測值進行對比, 結(jié)果如下。

從圖8可以看出, 模擬值與實測值沉降曲線趨勢基本一致, 模擬值略小于實測值, 但沉降規(guī)律基本相同, 都是中間沉降大, 向兩邊越來越小, 且離中心線越遠變化幅度越小, 表明本文所述有限元建模方法是可靠適用的。

圖8 地下管線沉降實測值與模擬值對比

模擬沉降值沿隧道中心線對稱分布, 大致符合Gaussian正態(tài)分布, 而實測值相較于隧道中心線兩側(cè)沉降值略有差異, 隧道中心線左側(cè)沉降略大于右側(cè)沉降, 這是由于實際施工過程中并不能保證加固措施、開挖強度等相對于隧道中心線完全對稱。模擬值最大沉降為27.17 mm, 實測所得的最大沉降為33.08 mm, 造成這兩者差距的主要原因有以下幾點: 第一, 數(shù)值模擬中, 開挖、支護等步距均勻一致, 注漿飽滿, 而實際施工中注漿質(zhì)量很難保證; 第二, 本模型未考慮地下水及路面荷載的影響, 而實際橫通道上方存在地下水, 且測量結(jié)果也表明施工完成后地下水位有所下降, 地下水損失造成的固結(jié)沉降和路面荷載的影響都將造成管線沉降的加大; 第三, 實測結(jié)果為橫通道通過管線數(shù)月以后的最終值, 即在長期荷載作用下的沉降值, 而本模型重在分析隧道施工過程對管線的影響, 未考慮長期荷載的作用。因此, 用本文所述建模方法預(yù)測工程中管線沉降時, 應(yīng)根據(jù)實際地下水的含量、路面交通、施工質(zhì)量等乘以一個1.2～1.4的安全系數(shù)。

4 結(jié)論

本文采用ANSYS分析軟件建立三維有限元模型分析了隧道施工對既有管線變形的影響, 考慮了管土之間接觸面的分離, 得出如下結(jié)論: (1) 管線直徑對管線沉降有一定的影響, 直徑越大沉降越小, 直徑與最大沉降值之間大致符合線性關(guān)系。(2) 管線埋深對沉降的影響較大, 在離隧道較遠處沉降隨埋深的增加而增大, 沉降槽寬度隨埋深的增加而減小, 當(dāng)管線離隧道很近時, 位移隨埋深的增加而減小, 沉降槽寬度隨埋深增加顯著減小。(3) 不同材質(zhì)的管線引起的位移也不一樣, 相同條件下, 管線剛度越大其最大沉降值越小, 沉降曲線最大斜率越小。最大沉降值從大到小依次為PVC管、混凝土管、鑄鐵管、鋼管。(4) 埋置年代影響管線的殘余壁厚, 埋置10年后管線殘余壁厚的變化不大, 壁厚的變化對管線沉降的影響不大。(5) 模擬值比實測值略小, 但沉降規(guī)律基本相同, 能較好地反應(yīng)管線實際沉降。運用本模型對管線實際沉降預(yù)測時應(yīng)根據(jù)施工方法、地下水量、路面情況等乘以一個放大系數(shù)。

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(責(zé)任編校: 江河)

3D finite element analysis of effect on pipeline settlement in tunnel excavation

Shi Chaofan, Ma Shicheng

(College of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

The additional stress and deformation of pipeline will increase due to the construction of the tunnel, which affects the pipeline safety. However, pipeline monitoring generally lags behind the construction, only if correctly estimating pipeline settlement and its rules will enable the construction safety. To solve this problem, by considering the interaction between the pipeline and soil, the pipeline diameter and material and buried depth effects on settlement are studied. The results show that groundwater losses and ground load are increasing the pipeline settlement; the maximum settlement of pipeline and its diameter are almost direct proportion; depth has a great influence on the pipeline deformation, closing to the ground along with the increase of buried depth pipeline settlement, but the depth decrease near the pipeline; the settlement of different material pipeline from big to small in turn is PVC pipe, concrete pipes, cast iron pipe, steel pipe; the influence of wall thickness of pipeline is small.

tunneling; underground pipeline; settlement; finite element

10.3969/j.issn.1672–6146.2015.03.015

TU 472

1672–6146(2015)03–0062–06

史超凡, 232351273@qq.com。

2015–03–23