覃 维 王 星

(1.中交铁道设计研究总院有限公司 北京 100088； 2.长安大学公路学院 西安 710064)

随着城市建设发展需求的逐步扩大，工程建设“涉铁”情况日渐增多，新建地下管道工程近距离穿越既有隧道或建(构)筑物的情况也日益增多。通常与既有隧道相距较近时，管道基坑的开挖与回填施工会对既有隧道结构的稳定性产生影响。如何准确且定量预测和评价基坑开挖对临近既有隧道的影响已成为当下工程界研究的热点问题[1]。黄宏伟等[2]通过三维有限元软件PLAXIS-GiD进行了相关的数值模拟，主要针对基坑开挖对周边土体中的影响范围进行研究，并提出了2种可应用于实际施工中的隧道保护措施。林航等[3]则采用FLAC3D有限差分方法，在充分考虑基坑开挖对邻近任意空间位置隧道的影响的基础上建立了基坑开挖对邻近隧道变形影响范围的临界线函数。徐长节等[4]采用ABAQUS有限元数值模拟分析法和简化的规范角点法进行了相关的对比分析研究与评价。

本研究以商洛至商南输气管道(东龙山段)改线工程为依托，以MIDAS GTS有限元分析软件为手段，以“地层-结构”模型及JGJ 120-2012 《建筑基坑支护技术规程》等相关规范[5-6]为理论基础，结合前学者的研究成果与经验，分析了隧道顶部山体开挖、管道与防护涵施工及土体回填施工工序对东龙山隧道、新东龙山隧道结构的安全性影响；并对隧道运营阶段存在的安全风险进行分级评估，综合验证现场施工方案的可行性。

1 工程概况

1.1 位置概况

根据商洛至商南输气管道(东龙山段)改线工程线路走向，输气管道跨越铁路段的设计范围为DK0+463.5-DK0+580.1，与宁西上行线东龙山隧道交汇处铁路里程为K139+162.12，管道线路里程为DK0+541.7；与宁西下行线新东龙山隧道交汇处铁路里程为DyK139+154.00，管道线路里程为DK0+514.40。交叉位置关系示意见图1。

图1 管道与铁路交叉处位置关系示意(单位：尺寸，m；高程，m)

1.2 地质情况

天然气管道与铁路交叉处隧道洞身穿越第三系泥岩夹砾岩(NMs+Cg)，第三系泥岩夹砾岩(NMs+Cg)呈棕红色、紫红色，层理发育，风化严重，成岩性差。砾岩层颗粒以大理岩、石英岩为主，颗粒一般在20～30 mm之间，产状N70°W/28°～45°S，节理不发育，为IV级软石，σo=600 kPa，风化层厚度为1～8 m，泥岩具有弱膨胀性，上覆夹卵石粉质黏土与拟建道路回填土。

1.3 既有隧道结构及支护形式

该段隧道衬砌穿越第三系泥岩夹砾岩。围岩类别为II类(V级)。隧道采用复合衬砌结构，初支为20 cm厚格栅拱架+钢筋网网锚喷混凝土，二衬采用C20混凝土。隧道结构及支护断面设计示意见图2。

图2 隧道复合式衬砌结构示意(单位：cm)

1.4 新建管道施工方案

跨越段管道拟沿规划道路人行道敷设，管道埋深2.2 m，并增加盖板涵保护。盖板涵基础选定为钢筋混凝土分离式基础，基底设计压应力为120 kPa。根据勘察成果，项目盖板涵地基为修建道路人工填土。

2 分析内容

本次评估主要对隧道顶部山体开挖、管道及防护涵施工及回填至评估地面线对东龙山、新东龙山隧道结构的安全性影响进行分析。

由于东龙山隧道建成时间久远，建设于2000年左右，受当时建设条件的制约，隧道衬砌采用200号混凝土(参数指标详见TJ 10-74)，约为C20混凝土，建设标准较低，且埋深较浅受施工干扰更大。故本次计算以东龙山隧道为标准进行结构安全性评价，其位置关系见图3。

图3 天然气管道、盖板防护涵与隧道位置关系(单位：m)

3 模型的建立

3.1 物理力学参数

各构件物理力学设计参数见表1、表2。

表1 隧道支护衬砌设计参数表

表2 模型物理力学参数表

1) 荷载确定。主要荷载，即围岩压力和结构自重；管道及防护涵施工时地面荷载；施工车辆荷载及管道与防护涵自重。

2) 地质条件及衬砌材料的物理力学指标参考业主提供的地质勘察报告、东龙山隧道竣工图。

3) 计算中考虑复合衬砌背后完全回填密实，考虑仰拱与衬砌共同作用；计算均假定衬砌背后围岩能提供径向弹性反力。

4) 荷载组合：根据隧道结构设计荷载类型，此次模拟计算中考虑结构自重、围岩压力、施工荷载。现场地下水位较低，本次计算不考虑地下水作用。

3.2 计算模型

根据天然气管道设计图纸，天然气管道施工需开挖山体，修建盖板防护涵并回填至原地面线，为了分析天然气管道施工对东龙山隧道的影响，运用MIDAS GTS有限元软件建立1∶1比例二维“地层-结构”模型进行分析。

建模时模型顶部取至山体开挖前的地面，下部取隧道底下方5倍的洞径范围，左右侧分别取至隧道外侧5倍的洞径，模型左右受X方向的约束，下部边界受Z方向的约束，上部为自由面，模拟分为4个工况，第一工况，山体开挖前地层的初始状态；第二工况，山体开挖后地层的状态；第三工况，施工天然气管道与盖板防护涵后的地层的状态；第四工况，回填至评估地面线后的地层状态。数值计算模型见图4。模拟过程采用GTS有限元分析软件“钝化”土体单元以实现管道基坑开挖，然后 “激活”盖板涵及支护结构、回填土体单元以实现管道结构施工与覆土回填等工序。

图4 计算模型图

3.3 结果分析

3.3.1 各工况位移分析

通过对初始状态、山体开挖后、管道与盖板防护涵修建后、回填土至地面4种工况进行分析计算，得出土体顶部、左侧、右侧、底部的x和z方向位移云图(见图5、图6)，提取后进行对比，各工况下隧道周围土体位移见表3。

图5 各工况下X方向位移云图

图6 各工况下Z方向位移云图

表3 各工况下土体的位移对比表 10-4m

注：X向位移‘-’代表左向， ‘+’代表右向；Z向位移‘-’代表沉降，‘+’代表隆起。

3.3.2 各种工况应力分析

为了进一步分析天然气管道及盖板防护涵施工对既有隧道的影响，对4种工况下隧道周围土体顶部、左侧、右侧、底部的应力分布进行分析，得出最大主应力云图(见图7)，同时对最大主应力进行对比分析结果见表4。

图7 各工况下最大主应力云图

表4 各工况下土体的最大主应力对比表 kPa

注：‘-’代表压应力。

经计算分析，天然气管道与盖板防护涵施工，X方向隧道周围最大位移为0.27 mm，小于水平允许位移20 mm，Z方向隧道周围最大位移为0.46 mm，小于竖向允许位移5 mm；隧道周围土体最大主应力为-391.7 kPa，小于开挖前土体应力。且各项参数均满足相关规范，因此，东龙山隧道与天然气管道及防护涵之间有足够的安全距离，天然气管道及防护涵的施工对隧道基本无影响。这一结论在后期的现场安全施工中得到了进一步验证。

4 既有隧道运营阶段安全风险评估

根据项目特点，对新建管道施工对下伏既有铁路隧道运营阶段安全风险进行评估。

4.1 评估方法

本次安全风险评估采用专家调查法[7-8]对项目管道施工阶段既有铁路隧道运营安全进行分类定级，综合评估。

4.2 风险源的识别与筛选

结合项目特点及类似工程建设经验，初步筛选出以环境因素、管理因素为主的风险发生事件。其中管道施工干扰、现场防护条件、铁路运营管理为主要风险源。由此诱发隧道结构开裂变形、隧道洞内涌水、隧道洞口崩塌落石、隧道运营设备故障等风险事件，专家调查分类打分表见表5。

表5 风险等级专家调查分类汇总表

4.3 风险等级判定

通过对各管道施工引起下伏既有铁路隧道安全风险事件发生的影响严重程度与发生概率等级进行列表统计分析，风险等级评估矩阵见图8。

注：隧道运营安全风险等级一共划分为4级：I级(深灰色)，II级(浅灰色)，III级(白色)，IV级(中灰色)，风险等级程度依次递减。图8 隧道运营阶段安全风险等级评估矩阵

采用专家调查法对各风险事件进行分级评定。得出隧道结构开裂变形风险等级为“DIV”，隧道洞内涌水风险等级为“DIV”，隧道洞口崩塌落石风险等级为“DIV”，隧道运营设备故障风险等级为“DIV”。综合得出管道施工阶段既有铁路隧道运营安全风险等级为“IV级”，属于很少发生、后果轻微的可忽略风险。

4.4 风险控制措施

为确保管涵施工不对东山隧道、新东山隧道运营安全造成恶化风险，仍需制定妥善的施工方案和完备的应急预案。

1) 天然气管道及盖板防护涵施工期间应对既有隧道进行安全监控并制定完善的应急预案，以便在出现突发情况以至于影响隧道结构稳定或危及行车安全时能够立即采取有效措施进行应对。

2) 施工期间应严格管控施工用水，以防止施工用水下渗影响隧道结构安全，同时，严禁爆破作业，基坑开挖建议采用人工开挖，尽量避免对铁路隧道造成影响。

3) 管道施工期间，加强东龙山隧道、新东龙山隧道洞内监测，提高设备检修频率，及时排查故障设备并制定有效的处治预案。

5 结语

本文以MIDAS GTS有限元分析软件为手段，充分考虑了每一种围岩与支护结构材料的物理力学特性参数，使之最大限度的与工程实际情况相吻合，并给出了一种跨越段天然气管道盖板保护涵结构的设计形式与参数，同时运用合理的安全风险评估方法对管道施工阶段对既有隧道运营阶段安全风险进行了评估。从而得出东龙隧道与天然气管道防护涵具有足够安全距离，天然气管道防护涵施工对隧道结构基本无影响，安全风险等级为“IV级”的结论。本文的思路与结论综合考虑了结构受力影响与运营阶段安全风险环境，可为其他涉铁工程建设提供参考。