【摘要】以某市域軌道交通線路高架段樁基承臺近距離跨越10 MPa成品油管道為例，通過數(shù)值分析，建立模型，對樁基承臺施工的鋼板樁、鉆孔樁成孔開挖、內(nèi)支撐、圈梁及土方開挖工況進(jìn)行分析，得出在最不利情況下對高壓管道的影響與分析，確保設(shè)計(jì)安全性及明確施工過程中重點(diǎn)安全關(guān)注工序。

【關(guān)鍵詞】輸油管道； 高后果區(qū)； 市域軌道； 沉降位移； 有限元分析

【中圖分類號】U213.1+52.1【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2022-12-19

［作者簡介］周海東（1987—），男，高級工程師，主要從事橋隧與地下工程管理工作。

0 引言

隨著市域軌道交通的不斷發(fā)展，越來越多的城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)從城市中心擴(kuò)展到市郊及周邊，連接城區(qū)與另一個(gè)城區(qū)，使之成為區(qū)域化協(xié)同發(fā)展區(qū)域，加快區(qū)域經(jīng)濟(jì)觸動。同時(shí)，隨著土地資源稀缺性不斷擴(kuò)展、地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展改變環(huán)境，類似于西氣東輸?shù)染€性管道的影響后果也隨之而改變，與鐵路、公路或其他建構(gòu)筑物形成交叉和并行，形成不同類型高后果區(qū)［1-3］?！豆艿辣Ｗo(hù)法》中管道線路中心線兩側(cè)各5 m禁止機(jī)械工具進(jìn)行挖掘施工，單側(cè)5～1 000 m范圍施工活動均需按該法相關(guān)要求執(zhí)行［4］。在長三角區(qū)域，成品油管道周邊作業(yè)控制較為嚴(yán)格，基本需要控制在50 m范圍外，但由于土地資源緊缺、老管線遷移涉及新選址、拆遷及停運(yùn)損失費(fèi)等成本高等因素下，對于管線高后果區(qū)域內(nèi)的新建工程的設(shè)計(jì)、施工審批，管道管理單位、地方發(fā)改委及建設(shè)各方顯得尤為謹(jǐn)慎，本文在結(jié)合市域軌道高架區(qū)間橋梁樁基承臺近距離跨越10 MPa成品油管道［5］，采用Midas-GTS軟件建立模型，分析各工序最不利狀態(tài)下管線位移與沉降變化極值，為類似工程研究提供參考。

1 工程概況

某市域軌道S1號線江南區(qū)間JN027#～JN028#墩之間以41.91 m簡支梁跨越成品油管道，斜交角度為97°，該處交叉位于花山河岸邊。該管道為高壓L415鋼管、管徑406 mm、壁厚7.1 mm、管道設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力為10 MPa、管道埋深地面下約15.8 m，花山河底面埋設(shè)約8.7 m，采用3PE防腐涂層。管道橫穿霞客大道沿云南路方向定向鉆穿越，交叉點(diǎn)樁號為JXDT11+862.382。高架橋梁JN027#墩承臺處埋深-4.4 m，河底-1.3 m，花山河岸堤處地面標(biāo)高約5.8 m。橋墩為帶圓倒角菱形雙柱式實(shí)體墩，基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基的直徑1.2 m。經(jīng)實(shí)際探測確定JN027號墩距成品油管道（管徑406 mm）最近的鉆孔灌注樁凈間距為5.9 m，距離基礎(chǔ)承臺邊凈間距為5.4 m，永久工程基本貼近規(guī)范5 m的要求；JN027#承臺為8.2 m×14.2 m×3 m帶圓倒角菱形鋼筋混凝土承臺，承臺開挖深度為河床底以下3.1 m，承臺下13根直徑為1.2 m樁長為53 m的灌注樁基礎(chǔ)（圖1、圖2）。

2 數(shù)值分析方法及相關(guān)參數(shù)的確定

2.1 對既有管線沉降的影響因素

該管線埋深較深，且管線位置處于⑥黏土層，自然沉降影響較小。受高架橋梁樁基層臺施工主要影響因素有：臨時(shí)作業(yè)平臺鋼管樁施工、承臺圍堰鋼板樁施工、樁基鉆孔樁施工、承臺基坑開挖施工等因素。

2.2 本構(gòu)模型選擇

目前用于巖土分析的本構(gòu)模型較多，有“摩爾-庫倫模型、修正摩爾-庫倫模型、修正劍橋模型”等，其中硬化類彈塑性模型，較理想彈塑性模型更適合于軟黏土地層基坑開挖的數(shù)值分析，在本項(xiàng)目中主要采用修正摩爾-庫倫土體本構(gòu)模型模擬巖土體在基坑開挖工況下的行為方式。

2.3 土體模型參數(shù)

對于材料參數(shù)有如下選擇原則：

（1）粘聚力、內(nèi)摩擦角、重度參數(shù)，可根據(jù)地質(zhì)報(bào)告給出的物理力學(xué)指標(biāo)，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

（2）基坑開挖是一個(gè)反復(fù)加卸載過程，巖土體的加載及卸載模量往往不相同，卸載下的材料模量值更大于加載模量，且隨著深度增大，巖土體的模量相應(yīng)也有增大，這是由于圍壓的增強(qiáng)，在一定程度上，模量也有所增加，對于基坑工程而言，最常用的摩爾-庫倫本構(gòu)模型并不適用于基坑工程，因而，本次計(jì)算土體材料本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫倫本構(gòu)，這個(gè)材料本構(gòu)模型對于模量有更加詳細(xì)的設(shè)置，可以根據(jù)加載和卸載設(shè)置為不同的值。

本計(jì)算土體采用修正摩爾-庫倫本構(gòu)模型，用三軸實(shí)驗(yàn)割線剛度（E50ref）、主壓密加載試驗(yàn)的切線剛度（Eoedref）、卸載彈性模量（Eurref）等3種相關(guān)彈性模量，依據(jù)巖土勘察報(bào)告中土的壓縮模量Es1-2按過往工程經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

3 有限元數(shù)值分析

3.1 有限元模型

根據(jù)本項(xiàng)目勘察報(bào)告、花山河JN027#墩鋼棧橋?qū)ｍ?xiàng)施工方案、設(shè)計(jì)圖紙相關(guān)設(shè)計(jì)資料，對施工場地內(nèi)土體、鋼板樁、內(nèi)支撐等采用不同的單元模擬，并賦予不同的材料參數(shù)。利用施工階段分析方法和激活/鈍化有限元網(wǎng)格組技術(shù)，分步激活與鈍化各個(gè)施工階段的相應(yīng)單元，動態(tài)模擬工程實(shí)際施工過程。有限元模擬土層開挖時(shí)，對場地內(nèi)土體采用3D實(shí)體單元模擬；鋼板樁（等效為板式結(jié)構(gòu)）等采用2D板單元模擬；圍堰的內(nèi)支撐、圈梁等采用1D梁單元模擬。

根據(jù)實(shí)際工程情況，建模時(shí)綜合考慮計(jì)算時(shí)間與計(jì)算規(guī)模的協(xié)調(diào)，模型區(qū)域選?。篨×Y×Z=120 m×120 m×90 m，其中Y方向?yàn)槠叫杏跇蛄悍较颉ＤＰ凸?1 782個(gè)節(jié)點(diǎn)，86 110個(gè)單元。有限元整體計(jì)算分析模型如圖3所示。

3.2 邊界條件

模型的邊界條件是：模型底部為完全固定，即土體水平向和豎向位移均約束；模型的四周為為法向固定，即土體水平約束，豎向自由。

3.3 工況設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目基坑中，從模型整體出發(fā)，計(jì)算工況為：

工況01：初始應(yīng)力場平衡；

工況02：施工鋼板樁；

工況03：內(nèi)支撐、圈梁施工+抽水及開挖土體至承臺底；

工況04：鉆孔樁成孔開挖。

3.4 計(jì)算結(jié)果與分析

有限元模型考慮鋼板樁施工工況下鋼板樁施工對既有輸油管輸油管的影響，樁基成孔模擬最不利塌孔的情況，采用直接鈍化土體實(shí)體單元，使其自然變形來模擬樁基塌孔情況下的土層變形對既有輸油管的影響。施工效應(yīng)累加的最終橋梁承臺樁基施工即為最不利的施工條件下對輸油管的影響的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

從結(jié)果來看，樁基施工成孔后，周邊土體產(chǎn)生了一定變形，地表面最大沉降量5.4 mm；整個(gè)開挖范圍土體產(chǎn)生了水平變形，最大為Y方向即平行于橋梁方向17.0 mm；在開挖卸載的作用下，輸油管水平和豎向最大變形均出現(xiàn)在中部位置即橋梁樁基成孔開挖卸載位置，主要朝開挖一側(cè)發(fā)生變形，Y方向最大水平位移1.25 mm，豎向最大沉降位移2.82 mm。

4 結(jié)束語

通過對該市域線路中區(qū)間橋梁基礎(chǔ)承臺和樁基成孔開挖對附近既有輸油管的影響進(jìn)行研究，分析計(jì)算結(jié)果可得，承臺開挖和樁基成孔開挖導(dǎo)致的管線變形影響不大，管線最大變形為2.82 mm，管線沉降變形均符合規(guī)范規(guī)定限值要求，管線結(jié)構(gòu)受力應(yīng)處于設(shè)計(jì)安全值內(nèi)；鑒于巖土工程問題的復(fù)雜性和不確性，以及各工序施工過程中的擾動，需嚴(yán)密周邊土體沉降和水平位移監(jiān)測、嚴(yán)格控制圍堰和管線正上方范圍施工荷載。通過該工程實(shí)踐為市域軌道樁基在輸油管道高后果區(qū)施工提供了可靠的數(shù)據(jù)分析和施工技術(shù)積累。

參考文獻(xiàn)

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