裴子鈺 周仕波 馬明杰 楊新安

(1.北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，100037，北京； 2.合肥市軌道交通集團有限公司，230001，合肥；3.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，201804，上海；4.同濟大學交通運輸工程學院，201804，上?！蔚谝蛔髡?，工程師)

由于市區(qū)建筑物眾多且地下管網(wǎng)密集，地鐵隧道建設施工受到日益復雜的周圍環(huán)境條件制約。目前，國內(nèi)外關于地鐵施工對鄰近地下管線的影響問題已有一定的研究，其分析方法大致可分為數(shù)學解析法、模型試驗法及數(shù)值模擬法三類，而數(shù)值模擬法的優(yōu)點是可以建立真實反映工程實際情況的模型。文獻[1]利用FLAC3D有限差分法軟件建立了隧道-土體-地下管線三維數(shù)值模型，發(fā)現(xiàn)土質(zhì)、管道材質(zhì)、管道直徑、管道埋深和管隧水平間距等因素對埋管沉降有較為明顯的影響。文獻[2-3]根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)及有限元分析模型對平行于區(qū)間隧道的地下管線變形受力進行了分析，研究發(fā)現(xiàn)管道沉降趨勢與地面沉降趨勢相吻合，隧道開挖初期土體擾動對上部管線沉降影響較大，開挖速度、施工方法和支護襯砌的封閉則是影響后期開挖過程中管線沉降的重要因素。但目前的研究多針對某一特定工程，缺少對某一特定地區(qū)宏觀范圍的總結。

本文以合肥地鐵2號線淺埋暗挖隧道工程為例，采用Abaqus有限元軟件分析地鐵隧道施工對鄰近管線受力變形的影響，并根據(jù)合肥地區(qū)管線沉降控制標準及2號線現(xiàn)場實測結果，總結合肥地區(qū)各因素影響下的管線變形超限工況。

1 合肥地區(qū)典型地層及管線情況

合肥地區(qū)地質(zhì)條件較為復雜，區(qū)內(nèi)地面大都為第四系地層所覆蓋。第四系地層厚度一般為10～20 m，第四系沉積物厚度、分布受地貌和基底控制。南淝河河漫灘與一級階地為全新統(tǒng)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土及粉細砂層，二級階地上廣泛出露上更新統(tǒng)黏土，中、下更新統(tǒng)粉土夾砂層位于全新統(tǒng)與上更新統(tǒng)之下?；子傻谌?、侏羅系泥巖、砂巖組成。其中，上更新統(tǒng)黏土分布最廣，全新統(tǒng)黏土次之。根據(jù)文獻[4-6]及多份地鐵工程地質(zhì)勘查報告，合肥地區(qū)典型地層特征如表1所示。

表1 合肥地區(qū)典型地層特征Tab.1 Typical stratigraphic characteristics of Hefei area

城市地下管線結構復雜、種類繁多，按照其用途不同一般可以分為給水管道、排水管道、燃氣管道、熱力管道、電力管線、電信管線、工業(yè)管道和油氣管道八大類；按照材質(zhì)不同則可以分為鋼管、混凝土管、鑄鐵管、PVC(聚氯乙烯)/PE(聚乙烯)管等。合肥地區(qū)采用的管線沉降控制標準規(guī)定：有壓管線或重要管線的沉降需控制在10 mm以內(nèi)，無壓雨水、污水管沉降控制在20 mm以內(nèi)，無壓其他管線沉降控制在30 mm以內(nèi)。合肥地區(qū)地下管線性質(zhì)如表2所示。

表2 合肥地區(qū)地下管線性質(zhì)Tab.2 Underground pipeline properties of Hefei area

2 隧道開挖對鄰近管線的影響因素分析

2.1 工況分析

隧道開挖對管線受力變形的主要影響因素為管線自身因素(管材、管徑)、地層因素(管線所處地層、隧道所處地層)、管線與隧道相對位置因素(相交角度、相對距離)和隧道施工因素(開挖工法)，詳見表3。

表3 影響管線受力變形的主要因素及其細分類別

由于管線埋深較淺，隧道基本都是下穿既有管線，因此，為建立與實際更為接近的分層地基有限元模型，將土層分為管線所處土層、隧道所處土層和隧道下臥土層。地層斷面分布示意圖如圖1所示。為簡化計算且不失一般性，本文選取的模型參數(shù)為：隧道埋深為6 m，斷面型式為直墻拱形，隧道跨度為6 m，隧道凈高為3.5 m，隧道開挖進尺為2 m。采用控制變量法定性定量地分析相關主要因素對管線受力變形的影響規(guī)律。

圖1 地層斷面分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of stratum section distribution

2.2 建立計算模型

考慮計算效率及計算邊界的影響，模型橫向長度(x方向)取為60 m，模型縱向長度(y方向)取為30 m，模型豎向高度(z方向)取為35 m。為了提高管線和隧道附近區(qū)域的計算精度，對管線及隧道部分的網(wǎng)格進行局部加密，有限元網(wǎng)格的單元總數(shù)為48 635。在模型的x向邊界面與y向邊界面施加水平約束，在模型底部邊界面施加豎向約束，頂部邊界面為自由面。三維計算模型如圖2所示。隧道襯砌及周圍巖土體采用實體單元模擬，單元類型選擇C3D8R單元，采用減縮積分計算。襯砌本構模型采用線彈性模型，巖土體本構模型采用摩爾-庫倫模型。地層及相關結構參數(shù)取值如表4所示。

圖2 三維計算模型Fig.2 Three-dimensional calculation model

表4 地層、結構及材料相關參數(shù)取值

Abaqus軟件雖提供了PSI(管-土相互作用單元)，但該單元將管-土位移視為連續(xù)，不能真實反映隧道開挖過程中埋地管道與管周土體的相對變形關系。因此，本文引入接觸面功能來解決管-土接觸問題，通過定義主從接觸面和接觸面上的相互作用來模擬不同材質(zhì)的接觸面，法向接觸采用硬接觸，切向接觸采用罰函數(shù)摩擦類型。

分析管材因素影響時，需分析不同剛度的管線接頭。將管線分為剛性和柔性接頭兩種。對于剛性接頭管線，將其看作是剛度一致的連續(xù)管線，一般較為簡單。而對于柔性接頭管線則將其看作需要模擬接頭性質(zhì)的非連續(xù)管線。Abaqus軟件中，可以通過定義連接單元模擬柔性接頭，即：將管線分為若干管節(jié)，使用2節(jié)點連接單元在管節(jié)之間建立連接，并采用耦合約束將各節(jié)點和對應管節(jié)橫截面的運動約束在一起，再通過定義連接屬性描述接頭間的相互作用和約束關系。

對不同隧道開挖工法的模擬，則是按照實際施工過程，采用軟化模量法，在相互作用模塊對開挖分析步下的模型改變類型進行設置，移除預先劃分好的隧道開挖部分的實體單元。

2.3 管線受力變形影響因素分析

2.3.1 管線自身因素

控制地層組合為①1+④2+⑧1，管底埋深為3 m。在與隧道垂直的情況下，不同材質(zhì)及管徑的管線沉降和管線軸向拉應力計算結果如圖3所示。由圖3可知：4種材質(zhì)管線的沉降排序為鋼管沉降<球磨鑄鐵管沉降<混凝土管沉降球磨鑄鐵管軸向拉應力>混凝土管軸向拉應力>PVC管軸向拉應力。隨著管線自身彈性模量的增大，受隧道開挖影響產(chǎn)生的管線沉降逐漸減小，但軸向拉應力逐漸增大。對于管徑為600～1 200 mm的管線而言，隨著管徑的增大，管線沉降和管線軸向拉應力都表現(xiàn)為逐漸減小的趨勢，且減小的速率也在逐漸降低。主要原因是隨著管徑的增大，管線抗彎剛度也隨之增大，導致管線抵抗地層變形的能力有所增強。對于彈性模量差異最大的鋼管和PVC管，沉降差都約為9.67 mm，軸向拉應力差都約為20.19 MPa。由此可以看出，不同材質(zhì)管線的沉降值差異相對較小，而軸向拉應力值差異較大。當管徑從600 mm增大到1 200 mm時，4種材質(zhì)管線的沉降量都約減小了6.50 mm，軸向拉應力都約減小了8.02 MPa。

圖3 不同材質(zhì)及管徑的管線沉降和軸向拉應力計算結果

2.3.2 地層因素

控制管線的管徑為1 000 mm的鋼管，管底埋深為3 m，管線與隧道垂直的情況下，計算不同管線及隧道所處地層的管線沉降和軸向拉應力。根據(jù)計算結果：管線所處地層對管線受力變形的影響較為顯著；隧道所處地層為④2的管線沉降和軸向拉應力非序為①1地層管線沉降和軸向拉應力>②3地層管線沉降和軸向拉應力>④2地層管線沉降和軸向拉應力；管線沉降為8.23～11.24 mm，軸向拉應力為17.42～22.26 MPa。隧道所處地層對管線受力變形的影響相對較小，控制管線所處地層為①1，則兩種地層的管線沉降和軸向拉應力排序為④2地層管線沉降和軸向拉應力>⑥2地層管線沉降和軸向拉應力；管線沉降為10.68～11.24 mm，軸向拉應力為20.78～22.26 MPa。

2.3.3 管線與隧道相對位置因素

控制地層組合為①1+④2+⑧1，管線為管徑為1 000 mm的鋼管。不同管隧垂直距離、水平距離和相交角度情況下的管線沉降和管線軸向拉應力計算結果如圖4—圖6所示。隨著管線埋深的增加，管線沉降和軸向拉應力值也隨之增大。管底埋深從2 m增大到5 m時，管隧垂直距離從4 m減小到1 m，管線沉降增加了10.31 mm，管線軸向拉應力增加了24.66 MPa。管隧水平距離在0～12 m(2倍隧道跨度)范圍內(nèi)變化時，管線沉降和軸向拉應力隨水平距離的增加而減小，其中管線沉降減小了8.24 mm，軸向拉應力減小了13.45 MPa；超過1.5倍隧道跨度后，曲線趨于平緩，管線響應幾乎不再發(fā)生變化。

圖4 不同管隧垂直距離下管線沉降和軸向拉應力計算結果

圖5 不同管隧水平距離下管線沉降和軸向拉應力計算結果

圖6 不同管隧相交角度下管線沉降和軸向拉應力計算結果

2.3.4 隧道施工因素

控制地層組合為①1+④2+⑧1，管線為管徑為1 000 mm的鋼管，管底埋深為3 m。管線與隧道垂直的情況下，不同隧道施工工法的管線沉降和軸向拉應力計算結果如表5所示。由表5可知，隧道施工工法對管線受力變形的影響較為明顯，其中臺階法產(chǎn)生的沉降和軸向拉應力最大，分別為13.33 mm和27.35 MPa。

表5 不同隧道施工工法的管線沉降和軸向拉應力計算結果

相比于管線自身條件、地層條件及管隧相對位置，隧道施工工法屬于可控因素，可根據(jù)實際管線與隧道情況進行相應調(diào)整。即當其他三類因素處于對管線受力變形不利的情況時，可以對施工方案進行相應調(diào)整，以達到保護管線的目的。

3 基于現(xiàn)場實測的管線變形分析

以合肥地鐵2號線的6個暗挖通道及其上部管線為研究對象。選取種類多樣且受隧道施工影響較大的管線，并剔除監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差較大的管線，共確定15條監(jiān)測管線。繪制管線材質(zhì)、管隧垂直距離、管隧相交角度和管線所處地層4個因素影響下的管線沉降時程曲線。

不同管線材質(zhì)的管線沉降時程曲線如圖7所示。由圖7可知，管線沉降的現(xiàn)場實測結果與計算結果較為接近。圖7僅針對管線材質(zhì)進行了分析，其他因素導致的管線沉降差距較大，所以管線沉降變化范圍較大。鋼管、混凝土管、PVC管、鑄鐵管的最終沉降值變化區(qū)間依次為7.59～17.95 mm、10.75～16.70 mm、13.31～22.50 mm、10.73～18.62 mm。

圖7 不同管線材質(zhì)的管線沉降時程曲線Fig.7 Time-history curve of pipeline settlement for different pipeline materials

選取3條管徑、地層因素差別不大的PVC管，對管隧垂直距離分別為1.76 m、2.67 m、3.41 m的管線進行比較，其管線沉降時程曲線如圖8所示。由圖8可知：管隧間距為1.76 m、2.67 m、3.41 m的管線最終沉降值分別為-22.50 mm、-16.29 mm、-13.31 mm；與隧道距離越近的管線，受隧道施工影響越嚴重，必須采取適當?shù)墓芫€保護措施以防止管線變形超限。

圖8 不同管隧垂直距離的管線沉降時程曲線

選取與隧道分別處于斜交和垂直狀態(tài)的4條PVC管和鋼管進行比較。不同管隧相交角度的管線沉降時程曲線如圖9所示。由圖9可知：鋼管和PVC管在斜交和垂直兩種位置下的管線最終沉降值分別為-7.59 mm和-8.02 mm，-19.14 mm和-22.50 mm；不同管隧相交角度對管線變形有一定影響，但其影響有限，且在管隧垂直狀態(tài)下，管線沉降最大。

圖9 不同管隧相交角度的管線沉降時程曲線

選取分別位于①1、②3和④2這3種土層且其他因素差別不大的3條混凝土管進行比較。不同管線所處地層的管線沉降時程曲線如圖10所示。由圖10可知：管線最終沉降值分別為-16.40 mm、-14.90 mm和-10.75 mm；埋置于土性越好土層中的管線，其沉降越小。

圖10 不同管線所處地層的管線沉降時程曲線

4 結論

1) 將隧道開挖對管線受力變形的主要影響因素總結為四類：管線自身因素(管材、管徑)、地層因素(管線所處地層、隧道所處地層)、管線與隧道相對位置(管隧相交角度、管隧間距)和隧道施工因素(隧道開挖工法)。

2) 4種材質(zhì)管線的沉降排序為：鋼管沉降<球磨鑄鐵管沉降<混凝土管沉降球磨鑄鐵管軸向拉應力>混凝土管軸向拉應力>PVC管軸向拉應力。管線所處地層對管線受力變形的影響較為顯著，隧道所處地層對管線受力變形的影響相對較小。隨著管徑的增大，或是管隧相對距離的增大，管線沉降和管線軸向拉應力均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

3) 結合合肥地區(qū)的管線沉降控制標準，需重點關注4種可能出現(xiàn)的典型工況及其組合：管徑小于800 mm的PVC管和混凝土管和管徑小于600 mm的鋼管和鑄鐵管；管隧垂直間距在2 m以內(nèi)且管隧水平間距在1.5倍隧道跨度內(nèi)的管線；跨度大于8 m但未采用六部CRD法開挖的隧道的鄰近管線；處于①1、②3地層中的管線。對此應引起格外重視，施工中應加強監(jiān)測，必要時可采取管線保護措施。