安全監(jiān)測及數(shù)值分析在隧道穿越輸水管道工程的綜合應(yīng)用

唐遠(yuǎn)東

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市交通緊張狀況已完全顯現(xiàn)出來，一些大中型城市交通道路的通行條件已嚴(yán)重惡化，隨著汽車保有量的迅速增長，道路交通阻塞、城市空氣污染、街區(qū)噪聲污染已對(duì)城市居民造成了嚴(yán)重的困擾。因此在城市地下修建地鐵已成為緩解城市交通問題的有效手段之一，目前我國許多大城市的地鐵線路幾乎可以覆蓋全城，但在地下鐵路交通網(wǎng)不斷拓?fù)溲由斓耐瑫r(shí)，也帶來了一些相關(guān)問題，特別是隧洞開挖對(duì)上部已有工程的影響逐漸暴露，偶有報(bào)道地鐵施工產(chǎn)生的地面沉陷，管道破壞等安全事故發(fā)生。

本文以具體交叉穿越工程為例，通過對(duì)受地鐵施工影響的輸水管道工程安全監(jiān)測及數(shù)值分析計(jì)算，著重闡述了地鐵隧洞施工期間，輸水管道及周圍土體受力、位移變化情況，依據(jù)理論方法進(jìn)行參數(shù)選取，并應(yīng)用 MIDAS GTS NX軟件進(jìn)行有限元分析，通過模擬開挖過程，分析管道的整體穩(wěn)定性，驗(yàn)證所選開挖方案的合理性，比較監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了監(jiān)測結(jié)果的合理性。

1 總體監(jiān)測方案

1.1 工程概況

某地鐵區(qū)間全長1200m，采用盾構(gòu)法施工穿越輸水管線B、A。盾構(gòu)段在兩端端頭處各設(shè)一個(gè)盾構(gòu)井。下穿輸水管線為兩根預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土承插管，分節(jié)長度為5m，內(nèi)徑為3.2m，外徑為3.8m，水平中心間距為15m，覆土厚度約為3.6m，水壓力為0.6MPa。

出入線與管線平面投影斜交，左、右線與管線呈53°交角，下穿管線斜長23.7m。出入線右線與既有管線B、A交點(diǎn)處豎向凈距3.54、3.32m，管頂覆土深度1.5～1.6m；出入線左線與管線B、A交點(diǎn)處豎向凈距3.09、3.07m，管頂覆土深度1.79～1.92m,如圖1所示。

圖1 管線與盾構(gòu)施工路線位置關(guān)系圖

1.2 監(jiān)測設(shè)計(jì)

1.2.1監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)原則

根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)形式、施工工況、荷載條件等基本資料，預(yù)估盾構(gòu)施工過程中輸水管線受周圍土體壓力、土體位移等變化影響，管線必然存在沉降、隆起等變形趨勢。有針對(duì)性地布置了管頂水平位移及沉降監(jiān)測、管線上方地表監(jiān)測、及土體分層位移監(jiān)測，獲取施工過程中輸水管線基礎(chǔ)性狀信息，防止管線受到外部荷載作用后產(chǎn)生破壞。各監(jiān)測項(xiàng)目布設(shè)點(diǎn)位力求兼顧全局、統(tǒng)一規(guī)劃、目的明確、控制關(guān)鍵。

1.2.2點(diǎn)位布設(shè)及數(shù)據(jù)采集

影響區(qū)域外布設(shè)4個(gè)強(qiáng)制對(duì)中觀測基準(zhǔn)點(diǎn)，施工現(xiàn)場布設(shè)1個(gè)自動(dòng)變形監(jiān)測工作基點(diǎn)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)均與已有高程控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測形成閉合導(dǎo)線。所有監(jiān)測數(shù)據(jù)均自動(dòng)采集、傳輸、計(jì)算。

盾構(gòu)法施工下穿輸水管線時(shí)，沿B、A兩根輸水管線水流方向65m內(nèi)(單根管節(jié)長5m，共計(jì)26節(jié)管道)，在管節(jié)承插口處左右各布設(shè)2個(gè)測點(diǎn)，共計(jì)布設(shè)56個(gè)水平位移及沉降位移監(jiān)測點(diǎn)。在每節(jié)輸水管線上部布設(shè)1個(gè)測點(diǎn)，監(jiān)測管線上方各層土體的水平位移及沉降。沿隧道開挖方向中線處布設(shè)測點(diǎn)，共計(jì)22個(gè)測孔，每個(gè)測孔設(shè)置3個(gè)測點(diǎn)，監(jiān)測管道與隧道間的土體分層位移,見表1。

表1 自動(dòng)化監(jiān)測項(xiàng)目、監(jiān)測點(diǎn)匯總表

1.2.3地表沉降監(jiān)測

地表沉降基準(zhǔn)點(diǎn)與管頂沉降監(jiān)測人工檢核基準(zhǔn)點(diǎn)共用，每5m布置一組，且與管線上方地表測點(diǎn)處于同一直線布置。

將全站儀放在工作基點(diǎn)上，以另一個(gè)工作基點(diǎn)為后視方向，儀器按各測點(diǎn)的初始坐標(biāo)自動(dòng)尋找目標(biāo)點(diǎn)，自動(dòng)進(jìn)行下一個(gè)測點(diǎn)的監(jiān)測及記錄，全站儀采集的數(shù)據(jù)可隨后在計(jì)算中心進(jìn)行后處理從而得到地表各點(diǎn)的沉降位移量。

1.2.4土體分層沉降監(jiān)測

管道與隧道間土體分層沉降基準(zhǔn)點(diǎn)與管頂沉降監(jiān)測人工檢核基準(zhǔn)點(diǎn)共用，管道與隧道之間設(shè)置3個(gè)測點(diǎn)，分別監(jiān)測土體分層沉降，各測點(diǎn)距隧道頂面1、2、3m。

土體分層沉降監(jiān)測采用水準(zhǔn)測量法，三級(jí)點(diǎn)位，兩級(jí)控制。三級(jí)點(diǎn)位即設(shè)置水準(zhǔn)基點(diǎn)、起測基點(diǎn)、沉降監(jiān)測點(diǎn)三種測點(diǎn)。兩級(jí)控制既由水準(zhǔn)基點(diǎn)校測起測基點(diǎn)，由起測基點(diǎn)監(jiān)測垂直位移測點(diǎn)。測量孔口標(biāo)高時(shí)，先在沉降管孔口位置做標(biāo)記，利用精密電子水準(zhǔn)儀測量孔口標(biāo)高，作為沉降監(jiān)測初始值。土體分層沉降監(jiān)測時(shí)將測頭放入導(dǎo)管內(nèi)，當(dāng)測頭接觸到土層中磁環(huán)時(shí)，記錄進(jìn)程測讀(Ji)和回程測讀(Hi)數(shù)據(jù)。通過以下公式即可計(jì)算出土體分層沉降量。

Si=(Ji+Hi)/2

式中，i—一孔中測讀的點(diǎn)數(shù)，即土層中磁環(huán)個(gè)數(shù)；Si—i測點(diǎn)距管口的實(shí)際深度，mm；Ji—i測點(diǎn)在進(jìn)程測讀時(shí)距管口的深度，mm；Hi—i測點(diǎn)在回程測讀時(shí)距管口的深度，mm。

1.2.5監(jiān)測頻率

依據(jù)GB50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，結(jié)合工程特點(diǎn)，管線監(jiān)測頻率、基坑開挖監(jiān)測頻率見表2。

表2 管線監(jiān)測頻率

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 管頂水平位移及沉降

盾構(gòu)法施工隧洞穿越輸水管線施工期，管頂水平位移及沉降發(fā)展過程如圖2所示(X軸為管線走向方向(東西方向)，Y軸與管線走向垂直方向(南北方向)，Z軸為豎向方向)。由于土體受盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)擾動(dòng)的不同，兩根預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土承插管的管頂各測點(diǎn)水平位移及沉降亦有所不同(1—23為管線B、24—56為管線A)，但兩條管線的水平位移均控制在±1mm，管頂沉降位移均控制在±0.5mm。輸水管線管頂位移及趨于穩(wěn)定，管線周圍土體的沉降、隆起均在允許波動(dòng)范圍內(nèi)。

圖2 輸水管線水平位移及沉降監(jiān)測量

2.2 管線上方地表沉降監(jiān)測

由于地下土體受盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)而遭受擾動(dòng)的不同，相應(yīng)反映到地表土體擾動(dòng)亦不相同。但總體而言，管線上方地表沉降量變化趨勢與管頂沉降量變化趨勢相同，沉降位移變化基本一致，只是數(shù)值略小。兩條管線上方的地表沉降位移均控制在±0.4mm(1—13為管線B、14—26為管線A)，如圖3所示。輸水管線上方地表沉降趨于穩(wěn)定，管線上方地表土體的沉降、隆起均在允許波動(dòng)范圍內(nèi)。

圖3 輸水管線上方地表監(jiān)測量

2.3 管道與隧道間土體分層位移監(jiān)測

由于各層土體孔隙率、含水率略有不同，相應(yīng)每層土體產(chǎn)生的位移亦不完全相同。土體距離管線越遠(yuǎn)，土體分層位移變化趨勢越平緩，各測點(diǎn)變形發(fā)展趨勢與地表監(jiān)測量位移變化規(guī)律基本一致。各土體分層位移趨于穩(wěn)定，不同土層的沉降、隆起均在允許波動(dòng)范圍內(nèi)，如圖4所示。

圖4 土體分層位移監(jiān)測量

2.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

通過實(shí)測監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，各監(jiān)測數(shù)據(jù)成果呈線性變化，符合實(shí)際規(guī)律，滿足相關(guān)規(guī)范要求及管道運(yùn)行安全要求。所選隧洞施工方案不會(huì)對(duì)管道安全產(chǎn)生影響。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

MIDAS GTS NX作為一款專用于巖土及地下工程的有限元分析軟件，包含線性與非線性靜力分析/動(dòng)力分析、滲流固結(jié)分析、施工階段分析等多種分析類型，廣泛應(yīng)用于水工、地鐵、礦山、隧道等領(lǐng)域的有限元分析。

本工程有限元分析為三維數(shù)值模擬，模型采用四面體單元建模，對(duì)管道及隧洞混凝土材料進(jìn)行了等效替代及結(jié)構(gòu)簡化，主要物理力學(xué)參數(shù)見表3。

計(jì)算主要任務(wù)為分析管道與隧道間土體沉降，因此選取兩條隧道中的一條與上部輸水管線作為建模對(duì)象，并將數(shù)值模型周圍土體向外做了一定程度的拓展，模型底長設(shè)定為50m，底寬34.8m，高25.2m，計(jì)算模型共劃分為60324個(gè)單元，11179個(gè)節(jié)點(diǎn)。建模完成后，輸入土體物理力學(xué)參數(shù)、隧道及管道材料參數(shù)以便軟件運(yùn)行計(jì)算。網(wǎng)格模型如圖5所示。

表3 結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)表

圖5 計(jì)算網(wǎng)格模型

3.2 應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算

求解運(yùn)行后，軟件直接計(jì)算出位移及應(yīng)力結(jié)果。位移結(jié)果如圖6所示，最大豎向位移發(fā)生在管道承插口底部，位置值為0.34mm。

圖6 豎向位移云圖

軟件切換至計(jì)算結(jié)果顯示管道承插口底部局部產(chǎn)生的應(yīng)力最大值為23MPa。應(yīng)力云圖如圖7所示：

圖7 應(yīng)力云圖

分析位移應(yīng)力云圖可知，隨著埋深增加，豎向位移不斷增大，最大豎向位移發(fā)生在管道底部，均小于管道工程允許安全沉降限值2.5mm；應(yīng)力值增大后亦小于管道混凝土設(shè)計(jì)開裂強(qiáng)度允許值34MPa。

3.3 結(jié)果分析

通過軟件數(shù)值分析結(jié)果表明，對(duì)本工程模擬的位移場分布和應(yīng)力場分布規(guī)律較為合理，地下隧道施工期間不會(huì)造成管道沉降過大及應(yīng)力破壞，安全裕度較大。隧道結(jié)構(gòu)施工方案能夠滿足管道的整體穩(wěn)定及運(yùn)行安全要求。

4 結(jié)語

通過監(jiān)測施工期管道應(yīng)力、位移變化及二者變化趨勢等波動(dòng)情況，并參照以往工程監(jiān)測實(shí)例，表明在隧道穿越輸水管線施工時(shí)，通過采用合理的施工工藝，能夠保證管道的運(yùn)行安全。

應(yīng)用MIDAS GTS NX建模，數(shù)值分析結(jié)果驗(yàn)證了長系列監(jiān)測數(shù)據(jù)的合理性。分步計(jì)算實(shí)現(xiàn)了對(duì)施工安全和既有建筑物安全性態(tài)的實(shí)時(shí)跟蹤評(píng)判，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，達(dá)到檢驗(yàn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工的目的。

以上結(jié)果表明，應(yīng)用安全監(jiān)測與數(shù)值分析聯(lián)合驗(yàn)證的方法，已成為此類交叉穿越工程安全施工的有效手段。