地铁隧道开挖对既有管线变形影响分析

2022-03-09李洪江

科学技术创新 2022年5期

李洪江

（中铁十四局集团第五工程有限公司，山东济宁 272117）

地铁隧道、综合管廊等城市地下隧道的修建，虽然促进了城市地下空间的开发利用、缓解了用地紧缺问题，但其相关的建设也不可避免地引起地层损失，从而导致地下管线发生变形，对管线的正常使用和安全具有潜在威胁。为了保证城市隧道建设在满足既有管线正常使用的前提下安全有序地开展，研究隧道近接施工对既有管线的影响显得十分有必要。

目前，国内外许多学者使用理论分析、模型实验、数值模拟等不同方法开展了隧道施工对管线影响的研究。马少坤等[1]开展了三维离心实验研究隧道开挖过程中不同开挖顺序和不同布置形式对管线的影响。黄晓康等[2]以合肥在建地铁为背景设计了室内相似模拟实验，从管线与隧道垂直，斜交和平行这三种不同的开挖条件下研究对管线的影响。刘晓强等[3]使用Loganathan 解析公式做为隧道开挖引起土体的竖向位移，在Winkler 地基模型基础上建立了能量变分法计算管线的竖向位移，并将结果与离心实验及工程案例对比，验证了其方法的合理性。姜玲等[4]运用Peck 经验公式计算管线平面处土体竖向位移，在Winkler 弹性地基梁基础上建立了管线-土体作用模型，并使用初参数求解法求得隧道开挖引起邻近管线竖向位移。林存刚等[5]研究了隧道开挖对非连续地下管线（即管线由标准段经接头连接而成）的位移影响，通过在Pasternak 地基模型上运用有限差分法得出管线挠曲理论解，发现接头的数量和刚度都会对管线挠曲产生影响。王震等[6]使用ABAQUS 有限元软件建立了三维模型模拟地铁车站施工时对周围管线的影响，将模拟数据与现场数据对比，并通过对管线的安全性进行了验算。魏纲等[7]运用有限元模拟研究不同管线材质、埋深及管线与隧道轴线间距等因素对地下管线位移的影响，并将杭州某过街隧道的模拟值与实测值比较，验证了模拟的可靠性。吴波等[8]运用ANSYS 有限元软件建立了隧道支护结构-土体-管线耦合作用的三维模型研究深圳地铁大剧院科学馆施工对管线的影响，从管线的受力、变形入手，预测了地下管线的安全性以指导设计与施工。王正兴等[9]通过PFC2D 软件研究地层损失率及管线与隧道间距对地下管线的影响，地层损失率的增加会使下拉效应和上拱效应更加明显，管线与土体的变形与地层损失率有直接关系。

本文以重庆轨道交通某车站区间隧道施工项目中隧道开挖对下穿现有电力管线的影响为研究背景，使用ABAQUS建立隧道施工引起管线变形的三维数值模型。研究了管线与隧道的垂直净距、管线覆土深度、管线与隧道夹角及分步开挖对管线沉降和轴向变形的影响。

1 有限元模型

1.1 计算模型的基本假设

有限元数值计算模型的基本假设如下：a.管线是连续的线弹性介质；b.忽略管线内部流体运动及管道内部压力产生的影响；c.管线与地层保持接触；d.管-土相互作用满足变形协调条件；e.管线所处地层由单一类型土体构成。

1.2 模型几何参数和材料属性

本文采用ABAQUS 设计三维数值模型研究不同条件下隧道开挖对管线变形影响，模型如图1 所示：

图1 隧道开挖模拟中采用的三维有限元网格

为了减小计算量，根据对称性，取模型的一半进行建模分析。根据隧道施工现场的地质情况及项目施工概况对数值模拟参数进行设置，其中隧道开挖直径为6m，管线与隧道的垂直净距、管线的覆土深度及管线与隧道的夹角根据实际工况进行调整。为了减小边界效应的影响，模型的非对称边界距离隧道为3 倍直径，宽度为18m，底部边界距隧道底部为1 倍直径，即6m。建模时采用线形模型，截面形状为薄壁圆环，外半径为0.45m，壁厚为0.01m。隧道衬砌厚度为0.3m。隧道衬砌和管线均为线性各向同性弹性材料。隧道衬砌采用C65 混凝土，岩土材料采用基于莫尔-库仑准则的弹塑性本构关系。具体材料参数见表1。

表1 有限元分析材料属性表

1.3 荷载及边界条件

本模型在分析过程中仅受到自重荷载的作用，因此只需在初始步后对模型进行地应力平衡。对模型设置的边界条件如下所示：

a.在模型的对称面上，施加x 平面的对称约束，约束x 轴方向的位移以及绕y、z 轴的转动自由度；

b.在模型的z 轴方向，约束边界面z 方向位移；

c.约束模型底部y 方向位移，模型顶部(地表处)为自由面。

隧道开挖是在有支护条件下进行的，衬砌与围岩、衬砌与衬砌之间是相互接触的，此外还要体现出管线-土体的相互作用，定义衬砌与围岩、衬砌与衬砌均为主从面接触，选取刚度大的面作为主控面、刚度小的面作为从属面，接触面的法向采用硬接触、切向采用摩擦接触，摩擦系数为0.3。考虑到管线由线形单元建模，地层为实体单元，采用嵌入约束定义管线与地层之间的接触关系。

1.4 隧道分部开挖模拟过程

在ABAQUS 中可以通过控制单元生死实现对开挖过程的模拟，本隧道开挖模拟全过程分为8 步，每步进尺长度为1 倍隧道直径(6m)。因此，对需要移除的地层和需要添加的衬砌进行按进尺长度进行分割，在每个开挖步内移除相应的土体、施加相应的衬砌。采用有限元法模拟连续分部开挖的详细过程如下：

a. 对于第1 个开挖步，设置将要移除的土体对应的区域，在当前开挖步开始时移除该区域的土体单元；

b.设置将要添加的衬砌对应的区域，在当前开挖步开始时激活该区域的衬砌单元；

c.激活在当前开挖步衬砌与围岩的接触关系，完成第1步的隧道开挖；

d.在后续的开挖步重复a、b、c 的操作，由于后添加的衬砌与先前开挖步添加的衬砌相接触，故还需激活衬砌与衬砌之间的接触关系，完成当前开挖步的施工；

e.重复上述过程，直至完成最后一个开挖步，隧道施工模拟完毕。

2 有限元结果分析

2.1 不同垂直净距条件下管线变形结果分析

图2 不同垂直净距情况下管线沉降变形

图3 不同垂直净距情况下的管线轴向位移

况，随着管线与隧道垂直净距增加，管线的轴向位移增大，同时在轴向上发生水平位移的范围也扩大。这是由于随着垂直净距增加，管线所在埋深处的地层沉降槽变宽，故在管线上有更大的范围受到了开挖扰动。

2.2 不同覆土深度条件下管线变形结果分析

不同覆土深度的管线沉降曲线的有限元结果如图4 所示。总体来看，各组最终的曲线无论是变化趋势，还是在沉降的数值上都是十分接近的，对比管线与隧道垂直净距改变时的结果可知，覆土深度的改变对管线弯曲响应产生的影响可认为是微小的，垂直净距是主要影响因素之一。

图4 不同覆土深度情况下的管线沉降变形

图5 则显示出对于有限元分析，覆土深度的改变不仅影响了管线的轴向位移的大小，同时还影响了管线轴向位移的方向。随着覆土深度的增加，管线埋深处地层的水平位移逐渐由向隧道竖轴线收敛转变成背离竖轴线方向。通过对比不同覆土深度情况下地层与隧道轴线垂直的竖向截面上的地层水平位移可知，覆土深度较大时，在较大的竖向地层压力作用下隧道衬砌的变形增大，椭圆化程度加重，故在隧道上部产生的水平位移的范围变大，并且是背离隧道竖轴线方向。而管线与隧道的垂直净距保持不变，故在覆土深度较大的情况下将受到影响，在x 方向的位移逐渐变为正向的。

图5 不同覆土深度情况下的管线轴向位移

2.3 不同夹角条件下管线变形结果对比分析

不同管线与隧道夹角情况下管线沉降有限元分析结果如图6 所示。当其它条件均保持不变时，仅改变管线与隧道的夹角对管线的最大沉降值影响极小，管线发生沉降的范围则有明显变化，二者的夹角越小时，管线的沉降宽度越大。

图6 不同夹角情况下的管线沉降变形

对于管线的轴向响应，根据图7 有限元方法给出的结果，表明管线在隧道开挖后的轴向变形范围不仅随着与隧道的夹角减小而增大，而且最大轴向位移的值也随夹角减小而增大。综上可知，管线与隧道夹角的改变，对管线的轴向变形响应影响更大。

图7 不同夹角情况下的管线轴向位移

2.4 分部开挖对管线沉降变形的影响

图8 为根据有限元分析得到的管线沉降随隧道分部开挖的动态变化过程。对隧道分部开挖的模拟共分为8 步，每个开挖步进尺为1 倍隧道半径。根据隧道掌子面与管线的相对位置可以将开挖全过程分为掌子面接近管线的过程、穿越管线过程和离开管线过程。可以看出在开挖长度为0.5D 到1.5D 时，管线的沉降速度增加，最开始时变化还不明显，直到推进1.5D 后产生的最大沉降只占总沉降的23%。而当开挖长度为2.0D、2.5D 时，即对应的是掌子面穿越管线的过程，管线在每个开挖步都发生了显著的沉降，掌子面穿过管线后管线的最大沉降达到了总沉降的64%，说明在此阶段的开挖行为对沉降的形成有较大贡献。在最后3 个开挖步，每步开挖结束后管线的沉降增加变缓，沉降趋于稳定。