輸氣管道改遷工程對既有隧道的影響分析

朱明 ， 胥穩(wěn)

（1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第一地質(zhì)大隊，南京 210041；2.江蘇省地質(zhì)隧道與地下工程科技有限公司，南京 210041；3.江蘇南京地質(zhì)工程勘察院，南京 210041）

0 引言

由于輸氣管道改造工程是城市運維管理中最常發(fā)生的工程項目之一，較其他城市建設(shè)項目對其有建設(shè)周期短、速度快、干擾少的要求[1]。管道改造工程通常采用明挖法鋪設(shè)[2]，當(dāng)土體開挖后，臨空面產(chǎn)生的應(yīng)力釋放和土體變形會影響到鄰近區(qū)域，若盾構(gòu)隧道恰巧在此影響范圍內(nèi)，則盾構(gòu)隧道可能產(chǎn)生過大變形，從而影響結(jié)構(gòu)安全[3]。目前，國內(nèi)外很多學(xué)者對鄰近地鐵施工對隧道結(jié)構(gòu)影響開展了研究，鄭剛等[4]分析了天津某鄰近既有隧道基坑開挖對既有隧道變形影響。Huang等[5]研究發(fā)現(xiàn)下臥隧道在上方基坑開挖時會產(chǎn)生明顯的上浮變形。Liu等[6]研究了環(huán)氧樹脂粘合纖維加固隧道的技術(shù)。Yang等[7]將新型復(fù)合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于隧道管片。

文中以某輸氣管道改造工程為工程背景，提出一次性進行管溝開挖并回填方案，展開三維數(shù)值模擬分析，并提出采用分段開挖并及時回填的方案，將兩種方案進行對比分析，在原有方案的基礎(chǔ)上得到了推升優(yōu)化，為輸氣管道改造工程提供設(shè)計與施工指導(dǎo)。

1 工程概況

工程改線起點為地鐵五號線高峰站北側(cè)、劍南大道西側(cè)人行道旁原管道，改線管道與原管道碰口后向北敷設(shè)80m后穿越B14路后折向西沿B14規(guī)劃道路北側(cè)綠化帶敷設(shè)，隨后穿越環(huán)湖路后沿環(huán)湖路西側(cè)綠化帶、天保大道北側(cè)綠化帶敷設(shè)至迎賓大道與天保大道交叉口東北角附近與原管道碰口，管道與地鐵的平面位置如圖1所示。

圖1 管道改遷項目施工與地鐵平面關(guān)系

管道遷改工程均位于隧道區(qū)間頂部埋深范圍以內(nèi)，項目分四段開挖（C1～C2、C2～C3、C3～C4、C4～C5），采用明挖法施工，開挖深度分別為3、3.8、4.5、4.5m。C1～C3段走向與地鐵隧道軸線近平行，開挖邊線距離區(qū)間結(jié)構(gòu)最小水平凈距為3.63m，最小豎向距離為4.9m；C3～C5段走向與地鐵隧道軸線近垂直，橫跨兩條隧道，開挖邊線距離區(qū)間結(jié)構(gòu)最小豎向距離為4.8m，C1～C2段與地鐵5號線盾構(gòu)區(qū)間剖面關(guān)系如圖2所示。

圖2 C1～C2段與地鐵5號線盾構(gòu)區(qū)間剖面關(guān)系（單位：mm）

工程場地范圍地勢相對較平坦，地貌單元為岷江水系一級階地與第四系堆積臺地，高程為475.73～491.28m，平均為479.30m。輸氣管道改造以及盾構(gòu)隧道所在區(qū)域土層范圍內(nèi)，各土層自上而下的依次是：1-1雜填土，灰色、灰褐等雜色，致密狀，層厚0.9～6.4m；4-1黏土，褐黃色、棕黃色，硬塑，層厚2.7～11m；4-9-1松散卵石，灰黃色為主，濕-飽和，層厚0.6～5.7m；4-9-2稍密卵石，灰黃色，潮濕-飽和，稍密，層厚0.9～3m；5-2強風(fēng)化泥巖，暗紅色、紫紅色，巖質(zhì)軟；5-3中等風(fēng)化泥巖，暗紅色、紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖質(zhì)較軟。各巖土層的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 各巖土層物理力學(xué)參數(shù)

2 基礎(chǔ)方案

2.1 數(shù)值計算模型

采用MIDAS-GTS有限元數(shù)值分析軟件建立“地層-結(jié)構(gòu)”三維分析模型，土體采用HSS小應(yīng)變本構(gòu)模型，模擬輸氣管道管溝明挖對盾構(gòu)隧道的變形影響。模型幾何尺寸為X×Y×Z=90m×150m×60m，土體前后左右4個面設(shè)置X、Y兩個方向的水平約束，在土體底部設(shè)置X、Y、Z三個方向的位移約束，模型計算荷載主要為自重和地面施工荷載。如圖3所示。輸氣道遷改工程主要涉及管溝土石方開挖、涵洞砌筑、鋼筋混凝土套管敷設(shè)、管道敷設(shè)及管溝回填。

圖3 計算模型

有限元計算工況：①初始應(yīng)力場分析；②地鐵隧道建立（地應(yīng)力平衡）；③C4～C5段管溝開挖；④C3～C4段管溝開挖；⑤C2～C3段管溝開挖；C1～C2段整平土方；C1～C2段管溝開挖；全部開挖完以后進行涵洞砌筑、鋼筋混凝土套管敷設(shè)、管道敷設(shè)；管溝回填。施工過程中最不利的階段為全部管溝開挖完成。

2.2 計算結(jié)果分析

經(jīng)計算得到每一步施工引起的隧道結(jié)構(gòu)變形如表2、表3所示。管溝開挖后地鐵區(qū)間隧道左線最大水平位移為0.7mm，隧道右線最大水平位移為0.4mm，區(qū)間隧道左線最大隆起量為3.2mm，區(qū)間隧道右線最大隆起量為2.6mm，如圖4、圖5所示，變形均小于4mm，滿足區(qū)間變形控制要求。沿盾構(gòu)隧道左、右線軸線統(tǒng)計盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)總變形量，如圖6、圖7所示。

表2 不同工況下隧道右線變形 mm

表3 不同工況下隧道左線變形mm

圖4 管溝開挖引起地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)水平位移

圖6 沿隧道左線軸線隧道結(jié)構(gòu)變形

圖7 沿隧道右線軸線隧道結(jié)構(gòu)變形

左、右線隧道結(jié)構(gòu)變形最大位置均在管道上穿位置，變形量分別為2.94、2.57mm；左線隧道變形曲線沿C3～C2段不斷下降而在沿C2～C1段有一明顯隆起，最大值為2.67mm；右線隧道變形曲線沿C3～C2段不斷下降而沿C2～C1段較平緩，變化較小。分析工程概況得C2～C1段有5m土坡，開挖管溝時將其整平，因而C2～C1段開挖土方量較其他區(qū)段大，土體卸荷大。由此可見，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形與土體開挖量關(guān)系密切，開挖量越大變形越大；隧道結(jié)構(gòu)變形還與土體開挖位置有關(guān)，距離開挖位置越近，對隧道結(jié)構(gòu)變形影響越大。

3 優(yōu)化設(shè)計

3.1 數(shù)值計算模型

基礎(chǔ)方案的模型上進行設(shè)計優(yōu)化，主要是開挖完一段立即進行回填，再進行下一步的開挖，有限元計算步驟為：初始應(yīng)力場分析（位移清零）；地鐵隧道建立（地應(yīng)力平衡）；C4～C5段管溝開挖；C4～C5段涵洞砌筑、管道敷設(shè)、管溝回填；C3～C4段管溝開挖；C3～C4段鋼筋混凝土套管敷設(shè)、管道敷設(shè)、管溝回填；C2～C3段管溝開挖；C2～C3段鋼筋混凝土套管敷設(shè)、管道敷設(shè)、管溝回填；C1～C2段整平土方；C1～C2段管溝開挖；C1～C2段涵洞砌筑、管道敷設(shè)、管溝回填。施工過程中最不利的階段為全部管溝開挖完成，如圖8所示。

圖8 管溝開挖完成

3.2 計算結(jié)果分析

經(jīng)計算得到每一步施工引起的隧道結(jié)構(gòu)變形如表4、表5所示，可以看出C1～C2段管溝開挖后地鐵區(qū)間隧道左線最大水平位移為0.7mm，隧道右線最大水平位移為0.4mm，區(qū)間隧道左線最大隆起量為3mm，區(qū)間隧道右線最大隆起量為1.05mm，變形均小于4mm，如圖9、圖10所示，滿足區(qū)間變形控制要求。沿盾構(gòu)隧道左、右線軸線統(tǒng)計盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)總變形量，如圖11、圖12所示。

表4 不同工況下隧道右線變形 mm

表5 不同工況下隧道左線變形 mm

圖9 管溝開挖引起地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)水平位移

圖10 管溝開挖引起地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)豎向位移

圖11 沿隧道左線軸線隧道結(jié)構(gòu)變形

圖12 沿隧道右線軸線隧道結(jié)構(gòu)變形

左線隧道與右線隧道除變形量大小差異外變形規(guī)律相同，均表現(xiàn)為變形量先增大后減小，結(jié)構(gòu)變形最大位置均在C1～C2段管溝開挖位置，變形量分別為2.7、1mm?？梢钥闯?，由于右線隧道較左線隧道離開挖邊線遠，因此變形量較?。辉贑2～C5段管溝開挖管道施工并進行回填后，隧道結(jié)構(gòu)變形主要由C1～C2段管溝開挖引起，隨著隧道與開挖位置距離增大，變形逐漸減小。

3.3 方案對比分析

由上述結(jié)果可得，采用一次性進行管溝開挖后再進行管道施工、管溝回填時，施工過程中引起隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移為0.7mm，最大隆起值為3.2mm；采用分段開挖管溝并進行施工回填時，隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移為0.7mm，最大隆起值為3.0mm。雖然兩種方案均滿足隧道結(jié)構(gòu)控制要求，但通過模擬結(jié)果的對比可以看出，優(yōu)化方案的施工過程中隧道結(jié)構(gòu)整體變形比基礎(chǔ)方案小，施工對隧道結(jié)構(gòu)的影響小，施工安全風(fēng)險低，采用該種方式施工比較安全，因此當(dāng)管道改造工程距離較長時，宜采用分段開挖并及時回填的方案。

4 管道爆炸情對地鐵結(jié)構(gòu)安全性影響

管道建成后會通過集中控制系統(tǒng)對整個管段的壓力等參數(shù)進行監(jiān)控，在管道兩端設(shè)置有緊急放散系統(tǒng)，遇到緊急情況（如壓力超標(biāo)等）時開啟緊急放散系統(tǒng)，保證項目管段的壓力在安全運行的范圍，項目管道發(fā)生蒸汽云爆炸的可能性極小。

為確保地鐵結(jié)構(gòu)安全，報告對極端情況下管道發(fā)生爆炸時地鐵結(jié)構(gòu)安全性進行評估。

（1）C1～C2、C4～C5段結(jié)構(gòu)安全性評估。蓋板涵尺寸為1.5m×1.5m，壁厚300mm，輸氣管從管涵內(nèi)穿行通過，輸氣管道與管涵間的空隙以細土回填。計算考慮極端情況，爆破超壓為0.25MPa，爆破氣壓直接作用于管涵內(nèi)側(cè)，選取橫斷面1延米進行受力分析，計算結(jié)果如圖13所示。

圖13 管涵內(nèi)力圖

根據(jù)計算結(jié)果可得爆破超壓作用下管涵最大彎矩40.74kN·m，最大剪力186.04kN，由于V＜0.7ftbho故采用彎矩進行配筋驗算，如表6所示。分析表明燃氣發(fā)生爆炸時，蓋板涵承載力滿足要求，其爆壓控制在管涵內(nèi)部，不會影響到地鐵結(jié)構(gòu)安全。

表6 管涵配筋結(jié)果驗算

（2）C2～C3、C3～C4段結(jié)構(gòu)安全性評估。輸氣管道外套鋼筋混凝土套管，套管為直徑800mm，壁厚80mm鋼筋混凝土套管，套管與輸氣管間以細砂填充。計算考慮極端情況，爆破超壓為0.25MPa，爆破氣壓直接作用于套管內(nèi)壁，計算結(jié)果如圖14所示。

圖14 套管內(nèi)力圖

根據(jù)計算結(jié)果可得爆破超壓作用下套管外側(cè)最大彎矩7.91kN·m，最大剪力為57kN，由于V＜0.7ftbho故采用彎矩進行配筋驗算，如表6、表7所示。

表7 管涵配筋結(jié)果驗算

分析表明燃氣發(fā)生爆炸時，套管承載力滿足要求，爆壓控制在套管內(nèi)部，不會影響到地鐵結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)語

通過對某輸氣管道改造工程進行三維數(shù)值模擬分析，得到管溝開挖對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，可以得出：

（1）通過模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)土方開挖量與隧道結(jié)構(gòu)變形正相關(guān)，開挖量越大，變形越大。

（2）盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形受周圍土體開挖直接影響，土方開挖位置距盾構(gòu)隧道越近，隧道結(jié)構(gòu)變形越大。

（3）對比兩種不同的施工方案，建議管道改造工程優(yōu)化開挖施工步驟，采取分段開挖，施工完一段立即進行回填再進行下一段開挖，盡量減小卸荷引起地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)變形。