隧道开挖对既有管线沉降的影响

史超凡,马石城



隧道开挖对既有管线沉降的影响

史超凡,马石城

(湘潭大学土木工程与力学学院, 湖南湘潭, 411105)

隧道施工使周边管线的附加应力及变形加大, 严重影响管线安全, 而管线监测通常落后于施工, 只有正确地预估管线沉降和沉降规律才能保证施工安全。针对这一问题, 采用ANSYS分析软件, 考虑管土之间的相互作用, 模拟隧道台阶法施工的实际过程, 探讨隧道浅埋暗挖施工对管线的影响, 分析其沉降规律, 并与实测值对比, 研究管线直径、埋深、材质、埋置年代等对其沉降的影响规律。研究结果表明: 模拟值略小于实测值, 但沉降规律一致, 地下水的损失以及地面荷载都将加大管线沉降; 管线的最大沉降与管线直径大致成正比关系; 埋深对管线变形的影响较大, 近地面处随埋深的加大管线沉降加大, 靠近管线处随埋深的加大沉降减小; 不同材质管线的沉降从大到小依次是PVC管、混凝土管、铸铁管、钢管; 壁厚对管线的影响不大。

隧道施工; 地下管线; 沉降; 有限元

统计资料表明38%的地下管线破坏由市政工程施工引起[1], 为了避免施工造成的管线破坏, 国内外诸多学者对这一问题做了大量研究。主要研究方法有经验法[2–3]、解析法[4–6]和数值法[7–10]。但以往的研究多集中在盾构法施工, 对于浅埋暗挖法施工的研究较少。此类研究大多未考虑施工过程对管线沉降的影响, 只注重研究管线的最终沉降, 讨论施工完成后管线的沉降规律, 且在数值建模时不考虑管线与周围土体的接触问题, 通常认为土体与管线始终保持接触, 但实际上管线与土体的刚度相差较大, 很难完全协调变形, 在沉降过程中会发生一定的分离。

综上, 本文采用ANSYS有限元分析软件建立三维模型, 考虑管线与土体的分离建立管土接触面, 并对隧道实际开挖过程进行模拟, 采用单一变量法分析各管线参数(直径、埋深、材质、埋置年代等)对管线沉降的影响规律。

1 三维有限元模型的建立

1.1 基本假设

为了便于ANSYS对问题进行有针对性的分析, 提高计算效率, 本文假设: (1) 土体为理想的弹塑性体, 符合Drucker-Prager模型, 土层呈水平均匀层状分布; (2) 地下水对沉降的影响很小, 不考虑地下水的作用; (3) 管线为理想的匀质弹性材料, 不考虑其接头的影响; (4) 在文献[11]中, 吴为义通过分析指出, 管线内压对管线的变形及轴向应力的影响很小, 只影响其环向应力, 因此本文忽略管线的内压; (5) 不考虑地面荷载的作用。

1.2 模型

本文采用单一变量法研究不同因素对管线沉降的影响规律, 所做分析均建立在基本模型上。基本模型尺寸为60 m × 50 m × 40 m (××), 其中:方向为管线方向,方向为隧道掘进方向,方向为隧道埋深方向; 隧道拱顶埋深12 m, 跨度7 m, 管线管底埋深3 m; 模型边界条件为上表面为自由面, 其他5个面约束法向自由度。有限元模型见图1。

图1 有限元模型

(1) 土层。土层分4层, 最上层为填土层, 厚度9 m, 中间为强风化岩层, 厚度6 m, 第3层为中风化岩层, 厚度9 m, 最下面一层为微风化岩层, 土层及材料参数见表1。土体采用solid45实体单元模拟, 按理想弹塑性材料考虑, 符合Drucker-Prager强度屈服准则。

表1 各材料主要物理力学参数

注: 材料尺寸栏, 土层为土层厚度, 管线为直径, 加固区和初支为厚度。

(2) 管线。为便于模型分析又不失准确性, 本文管线采用等刚度理论将圆形管等效为实体正方形管, 其边长为原管线外径。管线按线弹性材料考虑, 采用实体单元solid45, 其弹性模量变换公式为11=22, 式中:1为管线初始弹性模量;1为管线初始惯性矩,1= π(4–4)/64, 其中为管线外径,为管线内径;2为等效后管线的弹性模量;2为等效后管线的惯性矩,2=4/12,=,为等效方形管边长。

(3) 支护。由于本文研究的是浅埋暗挖法隧道施工过程对既有管线沉降的影响, 不用考虑管线在长期荷载作用下的变形, 而“浅埋暗挖法”采用的是新奥法的基本原理, 即“初支承担全部基本荷载。二次衬砌只作强度安全储备”, 所以在建模的时候不需要考虑二次衬砌对围岩的支撑作用, 只模拟初期支护及注浆预加固。超前小导管加固措施可按改变土层的力学性能考虑, 采用实体单元, 为弹塑性材料, 厚度1.5 m。初期支护采用shell 181单元模拟, 按弹性材料考虑, 厚度为250 mm。

(4) 开挖。隧道开挖采用三台阶法施工, 先对开挖区域土体进行注浆预加固, 接着开挖上台阶, 上台阶初期支护; 然后开挖中台阶, 中台阶初期支护; 最后开挖下台阶, 下台阶支护。然后进行下一个循环, 预加固用改变加固区土体力学参数来模拟。开挖及支护使用“生、死单元”模拟, 开挖土体即锁死单元, 建立初期支护即激活该部分单元。

2 数值模拟结果分析

本文将分别对管线自身参数(直径、埋深、材质)和管线所处土层参数进行研究, 以探讨各参数对管线沉降的影响规律。

2.1 管线直径对其沉降的影响

对不同直径的混凝土管在隧道施工影响下管线的变形情况进行模拟, 分别取管线直径为400, 800, 1 200, 1 600 mm, 模拟结果见图2和图3。

图2 不同直径管线的竖向位移

图3 不同直径管线的最大位移

图1给出了隧道施工影响下不同直径管线的位移曲线, 从图1可以发现管线直径对其沉降有一定影响, 当管线直径分别为400, 800, 1 200和1 600 mm时, 其最大沉降值分别为24.4, 23.3, 22.24和21.13 mm。沉降曲线的最大斜率分别为2.34, 2.17, 1.98和1.78 mm/m。随着直径的增大, 其最终沉降值逐渐减小, 沉降曲线的斜率也越来越小, 不同直径的管线沉降范围基本接近。

从图2可以看出隧道开挖所引起的地下管线的沉降与管线的直径大致成线性关系, 可用公式= 0.002 7– 25.46进行拟合, 式中的常数值应根据隧道的施工工况、隧道断面、土层参数、管线参数等来确定。

2.2 管线埋深对其沉降的影响

对不同埋置深度的管线在隧道施工影响下的变形情况进行模拟时, 分别取埋深为2, 3, 4, 5 m。为研究管线与隧道近接时的情况, 另取管线埋深为11 m进行模拟。模拟结果见图4, 图5。

图4 不同埋深下管线的竖向位移

图5 不同埋深管线的最大位移

从图4可以看出, 管线埋深对沉降的影响较大。在管线埋深不大, 管隧间相对距离还较远时, 随着管线埋深的增加即管隧相对距离的减小, 管线的最大沉降量逐渐增加, 而沉降槽宽度却逐渐减小, 埋深较浅的管线沉降槽浅且宽, 埋深较大的管线沉降槽深且窄, 埋深为2, 3, 4, 5 m管线沉降曲线的最大斜率分别为1.81, 1.98, 2.24, 2.49 mm/m。随着埋深继续增加, 当管隧非常接近时(本文取管隧间距为1 m), 最大沉降值反而有所减小, 且沉降槽宽度也有明显减小。随着埋深增加, 隧道施工对管线的影响越来越大, 管线的沉降逐渐增大, 而在距隧道很近的位置沉降反而减小, 这看似反常的现象其实是合理的。因为当无管线存在时, 隧道上方的土层距隧道越近其沉降越大, 而横向沉降槽宽度越小。因此, 管线离隧道很近时, 虽然管线周围土体的沉降很大, 但是沉降段的范围却在减小。由于管线本身的变形协调, 表现为相较于距隧道稍远一点的管线, 其最大沉降和沉降槽宽度都有所减小, 导致管线的内力必然有所增大[11]。在对近接隧道管线进行监测时, 除关注其沉降值及沉降速率外, 也应重点监测其内力的变化以保证隧道的安全施工。

图5给出了管线的最大沉降随管线埋深的变化关系, 从中可见, 在近地面处管线的最大沉降随埋深的变化较缓慢, 随着埋深的加大, 最大沉降值的变化速率也在增加, 埋深越大管线变形对埋深的变化越敏感, 隧道施工对管线的影响越大, 因此对深埋近接管线应加强监测及采取相应保护措施。

2.3 管线材质对其沉降的影响

城市中常用的给排水管、通信管线等常用的材质有混凝土、PVC、钢、铸铁。本节取此4种材料模拟, 其参数[12]见表2, 埋深均取3 m。

表2 管线材质的物理力学参数

图6给出了不同材质管线的沉降曲线, 可以看到PVC管和混凝土管的沉降曲线比较接近, 而钢管线与铸铁管线的沉降曲线比较接近。结合表2可看出, 管线的刚度对其变形有一定影响, 其最大沉降量随刚度的增大而减小。管线刚度不是很大时(PVC管与混凝土管), 其变形与土体变形具有较好的协调性; 当管线刚度较大时(钢管、铸铁管), 管线抵抗土体变形的能力增大, 虽然此时管线的最大沉降值会有所减小, 但是其内力会增加。PVC管、混凝土管、铸铁管、钢管沉降曲线的最大斜率分别为2.32, 2.17, 1.91, 1.86 mm/m。在-7 m≤≤7 m范围内, 管线沉降与管线的弹性模量成反相关, 在这段范围之外管线沉降与其弹性模量成正相关。

2.4 埋置年代对管线沉降的影响

管线埋置年代对管线的影响主要表现为随时间的推移管线周围土体对它的腐蚀加深, 具体表现为管线壁厚的减小。王霆[13]根据Rajani两阶段模型和Kucera幂函数模型总结出不同埋置时间后管线受腐蚀的厚度(表3)。

从表3可以发现, 埋置时间超过10年后管线的被腐蚀厚度变化不大。为简化计算取埋置时间为10, 50, 100年3种情况研究。直径为800 mm铸铁管线其壁厚为13 mm, 则在3个埋置时间后的残余壁厚分别为8.2, 6.3, 5.0 mm。

表3 铸铁管线的腐蚀厚度/mm

从图7可以看出, 对于不同壁厚的管线, 沉降曲线基本重合, 管线的壁厚对沉降的影响不大, 随壁厚的减小其沉降略有增加, 这是由于直径相同时, 管线的抗弯刚度由弹性模量与壁厚决定, 对于弹性模量很大的管线, 壁厚对其抗弯刚度的影响非常有限。但是随着管线使用年限的增加, 其自身强度会有较大减小, 因此, 当隧道下穿埋置年代较久远的管线时, 不能单纯凭管线的沉降来判别其安全性, 应加强管线周围的保护措施。

图7 不同埋置年代管线的竖向位移

3 实际工程分析

岭清区间施工横通道起点位于南京路和哈尔滨路交叉口处绿地中, 长74.347 m, 横通道净宽5.5 m, 净高7.13 m, 初支250 mm, 二次衬砌500 mm, 横通道处的土体埋深为12.5 m。横通道处土层从上往下依次为杂填土、粉质黏土、强风化岩、中风化岩和微风化岩, 土层参数见表4。横通道施工需下穿南京路引黄入青DN1200高压混凝土供水管道, DN1200供水管为钢筋混凝土管, 80年代修建, 管节长为5 m, 管壁厚10 cm, 承插式接口, 接口长15 cm。隧道采用三台阶法施工, 横通道从拱顶下4.5 m, 在拱部及边墙开挖轮廓线1.5 m以外采用超前小导管加固措施。

表4 土层物理力学参数

采用本文所述建模方式对以上工程进行三维数值分析, 并将所得结果与实际监测值进行对比, 结果如下。

从图8可以看出, 模拟值与实测值沉降曲线趋势基本一致, 模拟值略小于实测值, 但沉降规律基本相同, 都是中间沉降大, 向两边越来越小, 且离中心线越远变化幅度越小, 表明本文所述有限元建模方法是可靠适用的。

图8 地下管线沉降实测值与模拟值对比

模拟沉降值沿隧道中心线对称分布, 大致符合Gaussian正态分布, 而实测值相较于隧道中心线两侧沉降值略有差异, 隧道中心线左侧沉降略大于右侧沉降, 这是由于实际施工过程中并不能保证加固措施、开挖强度等相对于隧道中心线完全对称。模拟值最大沉降为27.17 mm, 实测所得的最大沉降为33.08 mm, 造成这两者差距的主要原因有以下几点: 第一, 数值模拟中, 开挖、支护等步距均匀一致, 注浆饱满, 而实际施工中注浆质量很难保证; 第二, 本模型未考虑地下水及路面荷载的影响, 而实际横通道上方存在地下水, 且测量结果也表明施工完成后地下水位有所下降, 地下水损失造成的固结沉降和路面荷载的影响都将造成管线沉降的加大; 第三, 实测结果为横通道通过管线数月以后的最终值, 即在长期荷载作用下的沉降值, 而本模型重在分析隧道施工过程对管线的影响, 未考虑长期荷载的作用。因此, 用本文所述建模方法预测工程中管线沉降时, 应根据实际地下水的含量、路面交通、施工质量等乘以一个1.2～1.4的安全系数。

4 结论

本文采用ANSYS分析软件建立三维有限元模型分析了隧道施工对既有管线变形的影响, 考虑了管土之间接触面的分离, 得出如下结论: (1) 管线直径对管线沉降有一定的影响, 直径越大沉降越小, 直径与最大沉降值之间大致符合线性关系。(2) 管线埋深对沉降的影响较大, 在离隧道较远处沉降随埋深的增加而增大, 沉降槽宽度随埋深的增加而减小, 当管线离隧道很近时, 位移随埋深的增加而减小, 沉降槽宽度随埋深增加显著减小。(3) 不同材质的管线引起的位移也不一样, 相同条件下, 管线刚度越大其最大沉降值越小, 沉降曲线最大斜率越小。最大沉降值从大到小依次为PVC管、混凝土管、铸铁管、钢管。(4) 埋置年代影响管线的残余壁厚, 埋置10年后管线残余壁厚的变化不大, 壁厚的变化对管线沉降的影响不大。(5) 模拟值比实测值略小, 但沉降规律基本相同, 能较好地反应管线实际沉降。运用本模型对管线实际沉降预测时应根据施工方法、地下水量、路面情况等乘以一个放大系数。

参考文献：

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[13] 王霆. 地铁浅埋暗挖法施工对邻近管线的影响与控制[D]. 北京: 北京交通大学, 2008.

(责任编校: 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