刘晶莉，张 勇，刘栋梁

(1.山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心，济南 250100；2.山东省国土空间生态修复中心，济南 250014)

1 概 述

随着城市建设的不断发展，越来越多的基建设施开始由地表向地下拓展，很多的供水、供电、燃气、排污管线布置在地表以下，这些基建设施错综复杂，往往由多部门管理、多单位设计施工、多个时期建设实施。然而，后期基建设施的建设势必对前期现存设施存在一定程度的影响[1-2]。河道作为一个城市的灵魂，其在城市建设历程中所充当的角色越来越重要，河道因其流域范围大、走向不规则、宽窄不一、沿线建筑物多样，对现存燃气管道等设施的影响亦不可忽视[3-8]。因此，在后续工程建设实施前，很有必要就类似问题开展深入的研究论证。

2 工程概况

本研究项目位于某城市河道中部位置，由于顶部城市规划建设的需要，在河道中部需要“截弯取直”，设置涵洞对现状河道进行联通。本工程中暗涵为3孔3 m×6 m的涵洞，涵洞采用现浇混凝土结构，壁厚0.5 m，顶板及底板厚0.6 m，涵洞底部位于现状地面以下约2.62 m，涵洞顺水流方向每隔25 m设置结构缝，并设置止水设施，涵洞混凝土结构施工完成后，予以回填。同时，根据规划方案，涵洞顶部覆土，覆盖土层厚度约2～2.59 m。在设计涵洞右边墙外部约3～4 m范围内，沿线有一现状燃气管道，为了保证现状燃气管道在工程施工及后期运行过程中免受扰动，需对暗涵的施工及运行方案进行分析。

工程设计方案见图1。涵洞基础开挖前，首先在涵洞右边墙0.6 m的位置垂直设置钢板桩，桩长5 m，打入现状地面以下，对右侧现状燃气管道进行保护；然后进行涵洞基础的开挖，待涵洞施工混凝土结构施工完成后，利用开挖土对涵洞两侧开挖区域以及顶部的覆土进行回填。为了不影响现状燃气管道正常运行，燃气管道管理单位对涵洞实施提出以下要求：现状燃气管道在施工及运行阶段的竖向位移沉降值应小于经验允许值15 mm，竖向位移的隆起值应小于经验允许值10 mm，燃气管道水平位移应小于经验允许值10 mm，并且燃气管道自身的差异沉降应小于经验允许值3 mm/m，燃气管道应力小于管材自身的应力要求。

图1 河道典型设计断面图

3 计算模型及边界条件

3.1 计算模型

根据设计方案，按照结构顺水流方向的分缝设置情况，涵洞每25 m设置一分缝。工程所在部位地势平坦，地层分布均匀，因此为了计算方便，本文选择两个结构缝之间的长25 m典型涵洞结构开展研究。

采用有限元软件建立该段三维计算模型，见图2。模型底部选取地基厚度为12.9 m，顺水流模型长度为25 m，垂直水流向模型宽度为55 m。该模型中，地基、填土、涵洞、钢板桩、燃气管道等均采用3D实体四面体及六面体单元。

图2 有限元三维模型图

3.2 材料参数

结合地质情况，该部分计算模型按照由上到下的顺序简化为4层，按照埋深递增顺序依次是回填土、粉砂、细砂、粉土，以上土体材料均采用摩尔库伦模型；涵洞结构为C30钢筋混凝土，采用线弹性模型；燃气管道为焊接钢管，采用线弹性模型。各种材料的参数选取见表1。

表1 计算主要材料参数表

3.3 边界条件

为了计算准确，需要结合建筑物的实际受力情况，对模型设置约束及荷载。约束设置时，以竖直方向为Z轴，在模型的四周XZ、YZ对称面设置垂直于对称面的滚轴约束，在模型底部XY对称面设置Z向的固定约束。荷载设置时，按照结构的实施时序，在施工期首先考虑结构的自重荷载；然后在运行期，按照河道水面线，在涵洞底板、侧壁临水侧均设置1.55 m静水压力荷载。边界条件设置见图3。

3.4 计算过程

在分析中，主要关心涵洞工程从现场施工到后期运行整个全生命周期情况下的燃气管道影响性大小。基于这一目的，将计算分析的过程重点分为两个工况。其中，工况一为施工工况，即从基础打入护壁钢板桩、涵洞基础土方开挖、涵洞混凝土结构浇筑、两侧土体回填、涵洞顶部覆土的过程；工况二为运行工况，即涵洞过水的情况。计算按照时序共分为以下4步：①基础打入钢板桩，涵洞基础土方开挖；②涵洞混凝土结构浇筑；③涵洞两侧土体回填及顶部覆土；④涵洞过水运行。

4 结果分析

4.1 位移分析

为了研究工程对现状管线的位移影响，通过数据提取，可以得到不同阶段现状燃气管道断面竖向位移、水平位移及总位移云图。

4.1.1 竖向位移

见图4。

图4 燃气管道竖向位移云图(单位：m)

通过燃气管道的竖向位移分析可知，第一阶段燃气管道有隆起趋势，隆起值约0.096～0.149 mm；第二阶段燃气管道有隆起趋势，隆起值约0.005～0.026 mm；第三阶段燃气管道有沉降趋势，沉降值约1.226～1.318 mm；第四阶段燃气管道有沉降趋势，沉降值约1.266～1.369 mm。

4.1.2 水平位移

见图5。

图5 燃气管道水平位移云图(单位：m)

通过燃气管道的水平位移分析可知，第一阶段燃气管道有左移趋势，左移值约0.095～0.141 mm；第二阶段燃气管道有左移趋势，左移值约0.144～0.159 mm；第三阶段燃气管道有左移趋势，左移值约0.009～0.170 mm；第四阶段燃气管道有左移趋势，左移值约0.009～0.170 mm。

4.1.3 差异变形

见图6。

图6 燃气管道总位移云图(单位：m)

通过燃气管道的总位移分析可知，第一阶段燃气管道总位移最值分别为0.163～0.196 mm，差异沉降值小于0.1 mm/25 m；第二阶段燃气管道总位移最值分别为0.145～0.155 mm，差异沉降值小于0.1 mm/25 m；第三阶段燃气管道总位移最值分别为1.24～1.30 mm，差异沉降值小于0.1 mm/25 m；第四阶段燃气管道总位移最值分别为1.28～1.34 mm，差异沉降值小于0.1 mm/25 m。

4.2 应力分析

就燃气管道而言，抗拉强度是评价管材力学特性的主要参数。通过数值计算，可以得到不同阶段燃气管道的大主应力(拉应力)云图，见图7。通过燃气管道的大主应力分析可知，第一阶段燃气管道大主应力最值分别为738～1 620 kPa；第二阶段燃气管道大主应力最值分别为754～1 450 kPa；第三阶段燃气管道大主应力最值分别为2 830～4 140 kPa；第四阶段燃气管道大主应力最值分别为2 840～4 290 kPa。由此可知，在新建涵洞施工及运行的4个阶段，现状燃气管道的拉应力均小于钢材的抗拉强度极值，涵洞的实施对现存燃气管道的应力影响较小。

图7 燃气管道大主应力云图(单位：kPa)

5 结 论

河道因其流域范围大、走向不规则、宽窄不一、沿线建筑物多样等，对现存燃气管道等设施的影响不可忽视。本文以新建涵洞右岸的燃气管道为研究对象，借助有限元计算针对新建涵洞对现存燃气管道的影响进行了计算分析。结果表明，从工程施工到工程运行过程中，结构整体的变形及应力情况均相对比较均匀；就研究对象现状燃气管道而言，现状燃气管道在4个阶段的竖向位移沉降值小于经验允许值15 mm，竖向位移的隆起值小于经验允许值10 mm，燃气管道水平位移小于经验允许值10 mm，并且燃气管道自身的差异沉降小于经验允许值3 mm/m，燃气管道应力值远小于管材抗拉强度极值，涵洞的建设实施对现状燃气管道的影响较小。