城市地鐵開挖對相鄰地下管線影響的數(shù)值分析

關(guān)永平,郭 龍,李云龍,劉炎炎,張靖杰,宋 建

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110004)

城市地鐵開挖對相鄰地下管線影響的數(shù)值分析

關(guān)永平,郭 龍,李云龍,劉炎炎,張靖杰,宋 建

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110004)

城市地鐵工程開挖引起附近地下管線周圍土體發(fā)生位移,從而影響管線的正常使用和安全。該文以沈陽地鐵二號線11標(biāo)段為實例,以有限差分軟件FLAC3D為分析平臺,建立了地鐵隧道、土體和地下管線變形耦合作用的三維數(shù)值計算模型,對模擬值與實測值進(jìn)行對比分析,并分析了隧道開挖步對管線的影響。結(jié)果表明:管線的最大豎向位移點在隧道軸線與管線的相交點,沿著管線方向離隧道軸線越遠(yuǎn)位移值越小,數(shù)值計算值和實測值基本吻合。該數(shù)值計算模型具有較高的仿真度,可以預(yù)測地下管線的變形規(guī)律。

地鐵開挖;地下管線;FLAC3D;數(shù)值模擬

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴大,很多大城市已開始極力發(fā)展地下工程結(jié)構(gòu),尤其是城市地鐵工程。然而城市地下工程的開挖會導(dǎo)致周圍土體應(yīng)力重新分布,打破了初始地應(yīng)力的平衡,使周圍土體發(fā)生滑動或位移,帶動了周圍地下管線的移動,嚴(yán)重時會導(dǎo)致地下管線的變形過大而發(fā)生破壞現(xiàn)象,給居民日常生活帶來極大的不便。因此,在城市地下工程開挖前應(yīng)首先弄清臨近的管線、管線類型和埋深情況,然后視其影響大小對地下管線采取相應(yīng)的保護措施[1]。

近年來,國內(nèi)外對管線的研究比較多并取得了不少成果。吳波[2]等利用三維有限元方法分析了地鐵區(qū)間隧道施工對鄰近管線的影響?；贏NSYS軟件平臺,建立了隧道支護結(jié)構(gòu)一土體一地下管線耦合作用的三維有限元模型,對施工過程進(jìn)行了仿真分析,并結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和模型試驗對地下管線的安全性作了評價。Hunter[3]用兩階段分析法研究了地鐵開挖對鄰近管線的影響,將施工過程視為洞室擴散,采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則,管線接頭采用鉸接連接,施加反向彎矩作為接頭抵抗力。計算結(jié)果表明管線接頭的轉(zhuǎn)動降低了管段內(nèi)的彎曲應(yīng)力,管線破壞的主要原因是拉應(yīng)變達(dá)到極限強度從而引起管段的軸向開裂。

隧道施工引起的土體移動對管線的影響可從隧道掘進(jìn)方向與管線的空間相對位置來確定,當(dāng)隧道掘進(jìn)方向垂直于管線延伸方向時,對管線的影響主要表現(xiàn)在管線周圍土體的縱向位移引起管線彎曲應(yīng)力的增加導(dǎo)致破壞[4]。

1 計算理論與方法

1.1 研究內(nèi)容

(1)運用數(shù)值模擬的方法建立暗挖施工計算模型,模擬暗挖施工中土體變形的動態(tài)過程。

(2)在管線頂點位置布置沉降觀測點,完成監(jiān)控量測數(shù)據(jù)采集。

(3)通過現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬計算,擬合與實際較吻合的計算模型。

(4)建立一套城市隧道開挖引起的管線破壞評價方法。

1.2 研究方法

針對城市隧道暗挖法施工工況,運用數(shù)值模擬方法建立暗挖施工計算模型,模擬隧道開挖對鄰近管線的影響。

計算時采用典型的摩爾-庫倫模型和空模型。將數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場實際量測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,驗證該計算模型的可信度。在此基礎(chǔ)上,繪制開挖過程中管線變形曲線,真正掌握管線的變形規(guī)律,為其它類似的工程提供可靠的理論依據(jù)。

1.3 工程背景

沈陽市地鐵二號線一期工程文體路站,車站有效站臺中心里程為K13+712.000,起始里程為K13+646.800～K13+812.100,總長165.3 m,該站為島式站臺車站,有效站臺寬度12 m,車站主體結(jié)構(gòu)總長165.3 m。主體結(jié)構(gòu)采用明挖順作法施工,除出入口下穿污水管線通道段采用平頂直墻礦山法施工外,其余附屬結(jié)構(gòu)均采用明挖法施工。出入口暗挖段上方與隧道垂直方向有2根2.2m×1.8 m的混凝土污水管道,兩根管線圓心相距6.2 m,管線底部至洞頂土層厚度為3.5 m,管頂上覆土層厚度為2 m。

1.4 數(shù)值模型

本文針對城市隧道淺埋暗挖法施工工況,采用FLAC3D軟件建立了三維數(shù)值模型(圖1),模型尺寸為28 m×12.4 m×19 m(X×Y×Z),模型共劃分了9 664個單元,11 447個節(jié)點。

基本假定:(1)管線為等直徑、等壁厚的薄壁管,且不考慮管道接頭的影響,管道材料按照各向同性的線彈性體考慮;(2)巖土體材料符合Mohr-Coulomb模型;(3)管線與周圍土體始終緊密接觸。

圖1 三維數(shù)值計算模型

1.5 力學(xué)參數(shù)及模擬施工過程

由現(xiàn)場地質(zhì)勘查報告,可獲得以下地層分布情況及相關(guān)參數(shù),污水管線材質(zhì)為混凝土材料,其相關(guān)計算參數(shù)如(表 1、表2)所示。

表1 地層分布狀況以及力學(xué)參數(shù)

表2 管線力學(xué)計算參數(shù)

由于FLAC3D軟件是按照實際施工情況模擬開挖過程,首先要得到初始應(yīng)力場。

具體模擬步驟如下:

(1)建立三維模型,計算土體自重應(yīng)力下的初始應(yīng)力場;

(2)得到土體的初始應(yīng)力場后,將土體位移值清零,為后面開挖做好準(zhǔn)備;

(3)采用空模型(model null)進(jìn)行分步開挖,進(jìn)尺為3.1 m,然后逐步施作襯砌。

2 計算結(jié)果及分析

圖2為地鐵開挖進(jìn)行初期支護后的各個監(jiān)測點的管線豎向位移數(shù)值計算值與實測值。從圖中可以看出豎向位移曲線近似為正態(tài)分布曲線,管線的最大豎向位移點在隧道軸線與管線的相交點,沿著管線方向離隧道軸線越遠(yuǎn)位移值越小。圖中兩根管線的計算值都偏小于實際量測值,可能是由于計算中圍巖暴露的時間小于實際情況的緣故?？偟膩砜磾?shù)值計算值和實際量測值基本上吻合。圖2上的曲線驗證了數(shù)值計算模型所選取的力學(xué)參數(shù)、本構(gòu)模型以及邊界條件。因此,該模型具有較高的仿真度,可以作為研究模型來模擬分析其它類似的工程,并達(dá)到正確指導(dǎo)工程施工的目的。

圖2 隧道開挖引起的管線豎向位移

2.1 開挖步對管線豎向位移的影響

在開挖過程中的不同階段對地下管線的位移進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測結(jié)果如圖3。

圖3 管線1在不同開挖步的豎向位移

從圖3上可以看出,管線1的豎向位移值隨著掌子面的不斷推進(jìn)而逐漸增大,直至開挖結(jié)束時管線位移達(dá)到最大值42.98 mm。這也充分說明了在城市地區(qū)的軟土中開挖隧道,開挖面支撐的空間效應(yīng)是很明顯的。因此,要及時進(jìn)行支護減少由土層移動引起的危害。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

本文采用FLAC3D計算軟件模擬了城市隧道開挖對鄰近地下管線的影響,通過以上模擬結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

(1)地下管線豎向位移曲線近似為正態(tài)分布曲線,管線的最大豎向位移點在隧道軸線與管線的相交點,沿著管線方向離隧道軸線越遠(yuǎn)位移值越小。

(2)現(xiàn)場實測值與數(shù)值計算值基本吻合,驗證了數(shù)值計算模型所選取的力學(xué)參數(shù)、本構(gòu)模型以及邊界條件。因此,該模型具有較高的仿真度,可以作為研究模型來模擬分析其它類似的工程,并達(dá)到正確指導(dǎo)工程施工的目的。

(3)對比分析不同開挖步的管線豎向位移,隨著隧道施工工序的進(jìn)展,管線的位移也不斷增大。

除此之外,對于地下管線的位移,還有其它的影響因素,例如地下管線的材質(zhì)、埋深、管線直徑、土的擴散角等。由于管線的水平位移很小,不會影響管線正常使用;所以一般不予考慮。但是深基坑開挖時地下管線的水平位移必須要考慮,以免破壞管線帶來不便[5,6]。

3.2 建議

在實際工程當(dāng)中,為避免破壞地下管線要對其采取適當(dāng)?shù)拇胧?

(1)土體加固法,即在施工前對地下管線與施工區(qū)之間的土體進(jìn)行注漿加固。

(2)隔離法,即通過設(shè)置樹根樁、攪拌樁等在地下管線周圍形成隔離體,限制管線周圍土體的位移,這種方法適用于管線較大較重要的情況。

(3)選擇合理的隧道施工工藝流程,在鄰近地下管線區(qū)域放慢掘進(jìn)速率,保持開挖面的穩(wěn)定,勤注漿,減少土體位移。

(4)卸載保護,即在施工期間,卸去管線上部荷載,以減少土體和管線的受力與變形。

(5)懸吊保護,通過增設(shè)支撐點,增加支撐力使既有管線減小變形,常采用工字鋼進(jìn)行支撐[7～10]。

[1]駱建軍,張頂立,王夢恕,等.地鐵施工對管線的影響[J].中國鐵道科學(xué),2006,27(6):124-127.

[2]吳 波,高 波.地鐵區(qū)間隧道施工對近鄰管線影響的三維數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2002,21(增2):2451-2456.

[3]Hunter A.Effect of trenchless technologies on existing iron Pipelines[J].Proceedings of the Institution of Civil Engineers:Geotechnical Engineering,2005,158(3):159-167.

[4]王 霆,劉維寧,李興高,等.地鐵施工影響鄰近管線的研究現(xiàn)狀與展望[J].中國鐵道科學(xué),2006,27(6):117-123.

[5]孫衛(wèi)民,王秋生.過街隧道開挖對周圍管群的影響分析[J].甘肅科技,2006,22(9):165-167.

[6]吳 波,高 波,索曉明,等.城市地鐵隧道施工對管線的影響研究[J].巖土力學(xué),2004,25(4):658-652.

[7]王述紅.大跨度淺埋隧道工程地質(zhì)特征及自穩(wěn)能力分析[J].東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,26(11):1111-1114.

[8]S.H.Wang,J.X.Liu,C.A.Tang.Stability analysis of a largespan and deep tunnel[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2004,41(sup.1):870-875.

[9]S.H.Wang,C I Lee,P G.Ranjith,CA Tang.Modeling the effects of heterogeneity and anisotropy on the excavation damaged/disturbed zone(EDZ)[J].Rock Mechanics and Rock Engineering,2009,42(2):229-258.

[10]歐陽浩,王 濤.地下管線受隧道施工影響的安全性判別[J].湖南交通科技,2009,35(1):127-129.

Numerical Analysis for Influence of Urban Subway Excavation on Adjacent Underground Pipelines

GUAN Yong-ping,GUO Long,LI Yun-long,LIU Yan-yan,ZHANG Jing-jie,SONG Jian
(College of Resource and Civil Engineering,Northeast University,Shenyang,Liaoning110004,China)

The soil displacement around underground pipelines caused by urban subway excavation affects the normal use and safety of the pipelines.Here,taking Shenyang subway No.2 line for example and based on the finite difference softwareFLAC3D for an analyzing platform,the three-dimensional numerical coupling model of the subway tunnel,soil and underground pipelines is built,the simulated and measured values are compared and analyzed,and the infections of tunnel excavation steps on pipelines are analyzed.The analysis results show that for practical engineerings,the maximumvertical displacement point is located in the intersection point of tunnel axis and pipeline,and the longer is the distance from the axis,the smaller is the displacement value.The numerical calculation model has a higher simulation degree,and the deformation of underground pipelines could be predicted.

subway excavation;underground pipeline;FLAC3D;numerical simulation

TU990.3

A

1672—1144(2010)02—0011—02

2010-01-14

2010-01-24

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃,2007AA06Z108);國家973基礎(chǔ)研究計劃(2007CB209405);教育部留學(xué)回國人員科學(xué)研究基金(SRF for ROCS,SEM:2003821178);遼寧省自然科學(xué)基金項目(20092011);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項資金(2009)

關(guān)永平(1989—),男(蒙古族),內(nèi)蒙古通遼人,在讀碩士研究生,主要從事地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析。