探討有限元分析在臨近工程施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用

林 權(quán)

（廣州市交通設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 511430）

0 前言

隨著國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷完善，出現(xiàn)越來(lái)越多新舊工程相互影響的項(xiàng)目，其中，承載著城市化、工業(yè)化重要保障功能的各類管道、管線，與作為地下管線重要通道的道路橋梁的關(guān)聯(lián)項(xiàng)目也越來(lái)越多、越來(lái)越復(fù)雜。由于地下設(shè)施具有隱蔽性的特征，施工質(zhì)量會(huì)直接影響道路橋梁的質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)安全。因此，道路管理部門(mén)對(duì)管道敷設(shè)的施工風(fēng)險(xiǎn)管理的力度也逐年增加，尤其是新建管道下穿現(xiàn)狀橋梁的項(xiàng)目，成為了施工風(fēng)險(xiǎn)管理的重點(diǎn)對(duì)象。

目前，相關(guān)管理部門(mén)主要以施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方式作為前期風(fēng)險(xiǎn)管理，且自2011年頒布《公路安全保護(hù)條例》以來(lái)，對(duì)涉公路項(xiàng)目均需提供《保障公路、公路附屬設(shè)施質(zhì)量和安全技術(shù)評(píng)價(jià)報(bào)告》。但目前的施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要還是以專家調(diào)查法、層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)為主線的方法為主，這些方法大部分是以定性或定量與定性相結(jié)合的評(píng)估方法，以施工工序?yàn)閷?duì)象，通過(guò)工序分解，分析評(píng)估單元中可能發(fā)生的典型風(fēng)險(xiǎn)事故類型，形成風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)清單，構(gòu)建安全專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，確定各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。但目前上述評(píng)估方法中所用的定量分析，仍極易受個(gè)人主觀因素所影響。

20世紀(jì)60年代初，國(guó)際上開(kāi)始投入大量的人力和物力開(kāi)發(fā)有限元分析程序，1965年，“有限元”這個(gè)名詞第一次出現(xiàn)。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和計(jì)算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計(jì)和分析中得到了越來(lái)越廣泛的重視。根據(jù)當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀，有限元分析方法有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：與CAD軟件的無(wú)縫集成；更為強(qiáng)大的網(wǎng)格處理能力；由求解線性問(wèn)題發(fā)展到求解非線性問(wèn)題；程序面向用戶的開(kāi)放性程度高。通過(guò)有限元分析，可以增加產(chǎn)品和工程的可靠性，并且在產(chǎn)品或項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，減少試驗(yàn)次數(shù)，從而減少試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)[1]。

1 工程實(shí)例

1.1 研究方法

該文以工程實(shí)例為依托，以Midas GTS NX有限元分析軟件作為分析工具，建立有限元模型，研究新建管道頂管施工對(duì)臨近結(jié)構(gòu)物（橋梁）穩(wěn)定性的影響，以此探討有限元分析在臨近工程施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用性。

1.2 工程概況

XX項(xiàng)目新建污水管道WZ17-WZ18采用頂管施工，施工長(zhǎng)度108 m，管頂覆土4.30～5.65 m，管材采用Ⅲ級(jí)鋼筋混凝土頂管，管徑為DN1000，頂進(jìn)采用泥水平衡法施工。該頂管段需要穿越XX立交現(xiàn)狀高架橋，施工前需要論證該次污水管道頂管施工對(duì)現(xiàn)狀橋梁運(yùn)營(yíng)安全的影響程度，判斷管道路由是否需要變更或是否需要對(duì)橋梁基礎(chǔ)增加相應(yīng)的防護(hù)措施。

頂管與高架橋的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 頂管與橋梁基礎(chǔ)的位置關(guān)系

1.3 有限元建模分析

1.3.1 模型建立

計(jì)算簡(jiǎn)圖：根據(jù)項(xiàng)目施工圖設(shè)計(jì)文件中頂管與橋梁基礎(chǔ)的相對(duì)位置關(guān)系，綜合確定了平面計(jì)算簡(jiǎn)圖。

地層劃分：根據(jù)項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告中的地層資料，充分考慮頂管施工的不利情況將地層自上而下簡(jiǎn)化為填土、淤泥、粉質(zhì)黏土、中砂、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖六層。

該次模型計(jì)算范圍為橋梁基礎(chǔ)前后各10 m范圍內(nèi)的頂管施工，模型邊界水平方向取至橋梁基礎(chǔ)兩側(cè)各15 m，水平方向取至樁底10 m，充分消除模型的邊界效應(yīng)；模擬計(jì)算過(guò)程中約束模型底面豎向位移，約束模型側(cè)面的法向位移。

最終建立模型尺寸為67 m*55 m*35 m，采用混合網(wǎng)格生成器劃分網(wǎng)格，共包含個(gè)57 042個(gè)單元和39 254個(gè)節(jié)點(diǎn)，具體如圖2、圖3所示。

圖2 整體模型

圖3 頂管與橋梁基礎(chǔ)位置關(guān)系俯視圖

1.3.2 工況劃分

根據(jù)項(xiàng)目頂管施工專項(xiàng)方案中的相關(guān)要求，結(jié)合該次建模分析的實(shí)際需要，該次計(jì)算共劃分59個(gè)施工階段，具體內(nèi)容如下：

工況1：初始地應(yīng)力平衡。模擬場(chǎng)地初始地應(yīng)力情況，并清空位移場(chǎng)。

工況2：既有橋梁施工。頂管在施工前，場(chǎng)地存在初始應(yīng)力場(chǎng)，該初始應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)考慮既有橋梁施工時(shí)導(dǎo)致的土體自重應(yīng)力場(chǎng)的變化，故需要在土體自重應(yīng)力場(chǎng)的基礎(chǔ)上模擬橋梁施工過(guò)程。

工況3：位移清零。頂管掘進(jìn)作為后續(xù)施工，在頂管掘進(jìn)之前它們之間無(wú)變形的相互影響，所以在上述工況2應(yīng)力場(chǎng)基礎(chǔ)上，初始化所有位移為零，僅保存其變化的應(yīng)力場(chǎng)作為頂管施工模擬的初始應(yīng)力場(chǎng)。

工況4～工況59：頂管施工。每個(gè)頂管掘進(jìn)步長(zhǎng)為2 m，共分28個(gè)掘進(jìn)步。每個(gè)掘進(jìn)步分兩個(gè)階段，第一個(gè)階段鈍化開(kāi)挖范圍內(nèi)的土體，在掌子面添加正面推進(jìn)力；第二個(gè)階段激活管片單元，實(shí)現(xiàn)管節(jié)頂進(jìn)，并激活注漿部分土體和改變屬性邊界條件，以實(shí)現(xiàn)同步注漿效果。

1.3.3 計(jì)算結(jié)果

為了方便結(jié)果的表達(dá)，將坐標(biāo)系及橋梁基礎(chǔ)編號(hào)規(guī)定如圖4～圖7所示。

圖4 橋梁基礎(chǔ)編號(hào)及坐標(biāo)系規(guī)定

圖7 頂管施工結(jié)束后橋梁基礎(chǔ)Z方向變形云圖

圖5 頂管施工結(jié)束后橋梁基礎(chǔ)X方向變形云圖

1.4 結(jié)果分析

（1）根據(jù)結(jié)果云圖來(lái)看，頂管頂進(jìn)施工對(duì)周圍土體產(chǎn)生了一定的擾動(dòng)，并且頂管隧道開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生的地層變形傳遞到了既有樁基上，樁基周圍土體的力學(xué)性質(zhì)與應(yīng)力場(chǎng)相應(yīng)的發(fā)生了變化，橋梁基礎(chǔ)也產(chǎn)生了一定程度的變形。水平方向主要表現(xiàn)為朝向頂管隧道變形，豎直方向主要表現(xiàn)為沉降。將各工況橋梁基礎(chǔ)變形最大值整理如表1所示。

表1 頂管下穿立交高架橋計(jì)算結(jié)果 /mm

對(duì)比相關(guān)規(guī)范，橋梁基礎(chǔ)變形滿足安全要求。

（2）該次數(shù)值模擬分析計(jì)算結(jié)果表明該項(xiàng)目WZ17-WZ18污水頂管頂進(jìn)施工引起鄰近立交高架橋橋梁基礎(chǔ)的變形符合規(guī)范限制，其安全風(fēng)險(xiǎn)程度在可接受范圍內(nèi)。

（3）該次數(shù)值模擬結(jié)果可為施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供參考，也可用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。

（4）該次新建污水管道頂管施工對(duì)既有橋梁的運(yùn)營(yíng)安全影響可控，不需變更管道路由，可進(jìn)一步探討就地保護(hù)措施。

2 總結(jié)

隨著科技的不斷進(jìn)步，有限元分析軟件在功能、易用性等方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，并且與建筑行業(yè)的技術(shù)融合趨勢(shì)也越來(lái)越明顯。有限元分析是一個(gè)有很大潛力的行業(yè)實(shí)踐，尤其是在城市建設(shè)進(jìn)入更新改造階段，有大量的新舊相鄰的項(xiàng)目，通過(guò)有限元的建模分析，可以減少繁重的試驗(yàn)工作，降低項(xiàng)目投資。

該文結(jié)合工程實(shí)例，利用有限元軟件分析了新建工程施工對(duì)臨近結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性的影響程度，實(shí)現(xiàn)了施工前的項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)控制，為項(xiàng)目建設(shè)節(jié)約了資金投入。希望通過(guò)該文的研究為將來(lái)該類型的項(xiàng)目提供安全管理思路和研究借鑒。