盾构隧道开挖对既有地下管线的影响分析

盾构隧道开挖对既有地下管线的影响分析

毕清泉 卜旭东

中铁四局集团第四工程有限公司 安徽合肥 230000

摘要：地铁隧道施工不可避免会对着周围环境产生一定影响，特别是当周围存在地下管线时，时常导致安全事故的发生。本文以天津某地铁区间工程为背景，运用FLAC^3D数值仿真软件建立了管线-土体-隧道相互作用的三维模型，结合现场监测数据，研究分析了隧道开挖对既有地下管线的位移以及内力的影响规律。结果表明，水平管线竖向位移沿轴向不断增大，在管线远端达到最大；正交管线竖向位移在管线中心处达到最大沉降；平行管线变形以翘曲性状为主，正交管线变形以挠曲性状为主。研究结果可为类似工程提供参考。

关键词：盾构隧道；数值模拟；地下管线；竖向位移；挠曲与翘曲变形

1. 引言

近年来，城市化进程不断加快，一二线城市人口密集度显著提高，交通堵塞成为制约区域经济发展的严重阻碍，因此大力发展城市地铁交通势在必行。地铁修建大多数采用盾构法施工，不可避免会对沿线周边建构物产生一定影响，特别是下穿地下管线时，容易引起地层损失导致管线等结构失稳等灾害，造成巨大经济损失，甚至危及施工人员的生命，产生严重的社会影响，因此研究地铁隧道施工引起的管线变形规律具有重要的现实意义和深远的理论意义。

盾构隧道施工对地下管线影响主要包括管线的位移变形和管线的受力性状，即便是位移较小也可能会导致附加应力超过其破坏强度，管线发生挠曲或者翘曲变形破坏。国内外学者对隧道开挖对地下管线的变形影响已经在做出许多研究，取得成果颇多。O’Rourke^[1-2]根据隧道施工导致的地层变形模式，给出了柔性管线的破坏形式，采用弹簧-滑块模拟了管土相互作用模型。Attewell^[3]基于弹性地基梁模型探究了隧道开挖对管线的影响，根据管线与隧道施工方向相对位置的不同以及管线直径大小的不同分别计算了管道的接头转角、拉压作用以及弯曲应力，较系统地给出了管线设计方法。刘建航^[4]提出了地下管线的经典计算微分方程，采用假定管线位移曲线方程方法，得出管线位移的公式。唐孟雄，赵锡宏^[5-6]提出按正态分布函数计算地表沉降，用回归分析法计算挡土墙侧向位移，随后根据两者关系推导出地表任意位置沉降计算公式，最后对管线进行受力分析，求得管线允许曲率半径，两者进行比较判断是否破坏。李大勇等^[7-9]基于基坑围护结构—土体—既有管线的耦合作用，建立三者相互中作用的三维有限元模型，分析计算了管线材质、埋深，与基坑相对位置、下卧层土体性质等因素对基坑开挖引起的地下管线位移的影响；使用Singhal分析了柔性接口密封橡胶圈产生的拉拔力、弯矩和扭矩，研究了管线受力与变形，得出了基坑工程中管线柔性接口的拉拔力的解。杨朋^[10]运用ANSYS有限元软件，以青岛某地铁施工为背景，模拟了隧道完整施工过程，分别考虑了不同管径、埋深等因素下，隧道开挖对管线的影响规律。

本文以天津某地铁区间穿过地下管线工程为背景，基于管线刚体位移理论，建立三维数值模型，结合工程监测数据对比分析临近隧道的既有管线变形以及内力性状，对管线最大位移以及截面最大内力进行估算。

2 管线变形机理

由隧道开挖引起的管线变形包括管线随土体协调变形而发生的刚体位移变形以及管线自身发生的变形。管线随土体发生刚体位移，当土体变形不大时，还可以正常使用，但是当周围土体位移较大，刚性管线位移达到极限就会发生断裂破坏。刚性管线应该按弹性地基梁法计算分析，将管道看作弹性地基上的梁，如图1所示。

图1 管线弹性地基梁计算模型

当地层发生沉降后， ，即相当于作用在管线上压力为 ， 是管线所处地层的沉降。将管线位移用W_p表示，根据弹性地基梁计算公式：

式中， ， 表示基床系数， 是管线弹性模量， 是管线的惯性矩， 是作用在管线上的压力。

推导可以得出作用在管线上的纵向弯矩为：

式中， 为管线变形的曲率半径。

3. 概况

3.1 工程概况

如图2所示，该工程区间自从天津地铁10号线方山道站出发，左右线区间线路采用R=400m的半径左转弯后，向北沿规划沙柳南路敷设，后进入沙柳南路站。盾构区间上方存在一条输配水管线埋深5m，管线采用混凝土材料，直径1000mm，沿盾构推进方向先正交后平行于隧道。

图2 区间平面示意图

3.2 工程地质

盾构区间主要通过典型粉质黏土层，管线上面覆盖杂填土层。模型计算中土体参照天津地铁八号线地区土质，为计算简便将土体分三层考虑，各土层物理力学指标如表1所示。

表1 土体物理力学参数

4. 数值计算分析

4.1 建立模型

采用FLAC^3D数值软件建立三维仿真模型，重点分析地下管线变形以及内力性状，为简化计算，做出如下假设：

（1）按照理想状态考虑土体，地层中土体成层连续且水平分布，管线及衬砌采用各向同性弹性模型；土体采用摩尔-库伦模型。

（2）假定管线为无压管道，忽略管道内部压力产生的影响，假设地下管线为由均质材料组成，不考虑各个管段之间接头的影响；

（3）假设地下管线和土层之间是无缝衔接的，不会产生相互之间的错动现象。

（4）该工程输配水管沿盾构推进方向先正交后平行于隧道，模型做简化处理，将正交段与平行段分开计算，设为管线1和管线2。

图3 三维模型示意图

图3为三维模型示意图，隧道直径取6.0m，内径5.4m，衬砌厚0.3m，环宽1.5m，等待层0.14m，隧道中心埋深15m，模型整体尺寸为60m×36m×45m，土体采用实体单元模拟，管线和衬砌采用结构单元shell模拟，模型由106340个单元，111246个节点组成。在FLAC^3D软件计算中适当简化施工过程，通过调整洞周应力释放大小以及调整等待层参数来反应注浆的影响程度。衬砌安装后在衬砌周围注浆，周围土体形成等待层。模拟过程如下：初次地应力平衡；埋设管道，应力释放后二次地应力平衡；按每次4环（即4×1.5=6m）开挖隧道内土体后应力释放50%；注浆，添加等待层以模拟注浆效果；安装衬砌管片后计算；重复~步骤直至施工结束。

4.2 位移分析

（a）正交段 （b）平行段

图4 管线竖向位移

由图4可知管线整体沉降要大于上方地表沉降，管线两端1/6段随土体微微隆起0.8mm左右，越往隧道轴线处竖向位移逐渐增大，在管线中间达到最大，达到7.8mm。越靠近隧道，受隧道施工影响越大，变形越大。沿隧道开挖方向，管线2整体沉降逐渐增大，且拱顶沉降大于拱底沉降。管线最小沉降为1.1mm，在管线远端最大沉降为1.8mm，整体变化平缓。受正交管线影响，在y=18处左右管线沉降发生增大突变。

4.3 内力分析

为分析管线变形性状，对管线1、2进行内力分析。下图为正交纵向弯矩整体云图，可以反映出管线挠曲变形，平行管线云图趋势类似。

图5 管线纵向弯矩分布云图

由图5可知，管线纵向弯矩沿轴线基本呈对称分布，沿管线轴线方向正弯矩集中在上下45°范围内，负弯矩出现在左右45°范围内。为了更加清晰分析管线纵向弯矩对管线造成的挠曲性状的影响，取管腰和近隧侧管底纵向弯矩分布如下图5所示

（a）正交段 （b）平行段

图6 管线纵向弯矩分布图

由图6可知，正交段管线最大纵向正弯矩1.75kN·m/m，最大纵向负弯矩-1.49 kN·m/m，观察可知，在隧道掘进正上方，监测位置处弯矩均有明显减小趋势，远离隧道两边弯矩逐渐增大。由于平行管线影响，在x=9m处附近，纵向弯矩曲线有曲率变化。平行段管线纵向弯矩明显小于正交段，最大纵向负弯矩-174.5N·m/m，最大纵向正弯矩185.5N·m/m。观察可知，由于管线1限制了管线2正上方土体位移，在y=18处正交段管线正上方，监测位置弯矩均有明显减小趋势，远离管线1两边弯矩逐渐增大。

为了更清晰观察到管先受力后横截面翘曲状态，选取x=0m（1/2处）横截面环向弯矩分布云图，如图6所示。

（a）正交段 （b）平行段

图7 管线横截面环向弯矩分布图

由图7可得，在管顶管底处环向弯矩为正值，在两侧管腰处环向弯矩为负值，即管线上下受到土层附加应力影响内部受拉发生向内翘曲的变形，而管线两侧土体向外位移，导致两侧发生向外的翘曲变形，正交段最大环向弯矩达到221.285N·m/m，平行段管线环向弯矩发生向隧道侧的旋转，最大达到1024.355N·m/m。另外，从数值上可以看到，正交段横截面纵向弯矩值要远大于环向弯矩值，平行段横截面环向弯矩远大于纵向弯矩，所以正交段管线以挠曲变形为主，平行段管线以翘曲变形为主。

4.4 监测对比

选取正交监测点5个，平行监测点六个，分别提取监测数据与数值模拟的计算结果进行对比分析，管线沉降曲线如下图8所示，工况1为施工中期的计算结果，工况2为施工结束的计算结果。

（a）正交段 （b）平行段

图8 管线沉降实测值与模拟值对比

由图8观察可知，正交部分管线与平行部分管线模拟值与监测值规律基本一致，其中正交管线监测值略小于模拟值，这是由于实际施工进行了一定的保护措施。对比结果说明模拟结果真实可靠，对于实际施工具有一定的借鉴意义。

5 结论

本文以天津地铁10号线某盾构区间为工程背景，参考岩土勘察报告选取合适的地层参数，使用FLAC

^3D数值仿真软件建立隧道-土体-管线相互作用的三维模型，对盾构隧道开挖临近管线实例进行运算分析，并与现场监测数据进行对比，得出以下结论：

（1）隧道开挖对临近地下管线位移影响明显。水平管线竖向位移沿轴向不断增大，在管线远端达到最大；正交管线竖向位移曲线规律与地表沉降曲线类似，在管线中心处达到最大沉降。

（2）隧道开挖对管线内力影响明显。管线纵向弯矩沿轴线基本呈对称分布，沿管线轴线方向正弯矩集中在上下45°范围内，负弯矩集中在左右45°范围内，正交管线两端挠曲变形较大，中间挠曲变形较小。管线上下受到土层附加应力影响内部受拉发生向内的翘曲变形，而管线两侧土体向外位移发生向外的翘曲变形。从数值结果可以看出，平行管线变形以翘曲性状为主，正交管线变形以挠曲性状为主。

（3）数值模拟结果与现场监测数据规律大致吻合，数值模拟计算结果对实际工程施工具有借鉴意义。

参考文献

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3. Attewell P.B, Yeats J,Selby A.R. Glasgow. Soil movements induced by tunnelling and their effects on pipelines and structures: Blackie, 1986, 325P[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts,1987,24(4).

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10. 杨朋. 地铁隧道施工对既有管线影响研究[D].西南交通大学,2012.