合肥地铁浅埋暗挖隧道施工对邻近管线的影响_裴子钰.pdf

2023 年合肥地铁浅埋暗挖隧道施工对邻近管线的影响裴子钰1周仕波2马明杰3，4杨新安3，4(1北京城建设计发展集团股份有限公司，100037，北京;2合肥市轨道交通集团有限公司，230001，合肥;3同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，201804，上海;4同济大学交通运输工程学院，201804，上海第一作者，工程师)摘要以合肥地铁 2 号线浅埋暗挖隧道工程为研究背景，运用数值模拟和现场实测的方法，研究隧道开挖影响下埋地管线变形及受力问题。研究结果表明，管材、管径、管线所处地层、管隧间距及开挖工法是影响管线受力变形的主要因素。提出了施工时需要特别重视的工况及工况组合。关键词地铁;隧道施工;浅埋暗挖;管线中图分类号U4563DOI:1016037/j1007869x202301023Influence of Hefei Metro Shallow-buried Under-ground-excavatedTunnelConstructiononAdjacent PipelinesPEI Ziyu，ZHOUShibo，MAMingjie，YANGXin anAbstractWith the shallow-buried underground-excavatedtunnel project of Hefei Metro Line 2 as research background，adopting numerical simulation and field measurement methods，the influence of tunnel excavation on deformation and stress ofburied pipelines is studied esults show that pipe material，pipe diameter，pipeline level stratum，pipe-tunnel spacing andexcavation method are the most significant factors affecting thestress and deformation of pipelines In the end，the workingconditions and the combination of working conditions that re-quire special attention in construction are givenKey wordsmetro;tunnel construction;shallow-buried un-derground excavation;pipelineFirst-authors addressBeijing Urban Construction Design Development Group Co，Ltd，100037，Beijing，China由于市区建筑物众多且地下管网密集，地铁隧道建设施工受到日益复杂的周围环境条件制约。目前，国内外关于地铁施工对邻近地下管线的影响问题已有一定的研究，其分析方法大致可分为数学解析法、模型试验法及数值模拟法三类，而数值模拟法的优点是可以建立真实反映工程实际情况的模型。文献 1 利用 FLAC3D 有限差分法软件建立了隧道土体地下管线三维数值模型，发现土质、管道材质、管道直径、管道埋深和管隧水平间距等因素对埋管沉降有较为明显的影响。文献 2-3 根据现场实测数据及有限元分析模型对平行于区间隧道的地下管线变形受力进行了分析，研究发现管道沉降趋势与地面沉降趋势相吻合，隧道开挖初期土体扰动对上部管线沉降影响较大，开挖速度、施工方法和支护衬砌的封闭则是影响后期开挖过程中管线沉降的重要因素。但目前的研究多针对某一特定工程，缺少对某一特定地区宏观范围的总结。本文以合肥地铁 2 号线浅埋暗挖隧道工程为例，采用 Abaqus 有限元软件分析地铁隧道施工对邻近管线受力变形的影响，并根据合肥地区管线沉降控制标准及 2 号线现场实测结果，总结合肥地区各因素影响下的管线变形超限工况。1合肥地区典型地层及管线情况合肥地区地质条件较为复杂，区内地面大都为第四系地层所覆盖。第四系地层厚度一般为 1020m，第四系沉积物厚度、分布受地貌和基底控制。南淝河河漫滩与一级阶地为全新统黏土、粉质黏土、粉土及粉细砂层，二级阶地上广泛出露上更新统黏土，中、下更新统粉土夹砂层位于全新统与上更新统之下。基底由第三系、侏罗系泥岩、砂岩组成。其中，上更新统黏土分布最广，全新统黏土次之。根据文献 4-6及多份地铁工程地质勘查报告，合肥地区典型地层特征如表 1 所示。城市地下管线结构复杂、种类繁多，按照其用途不同一般可以分为给水管道、排水管道、燃气管道、热力管道、电力管线、电信管线、工业管道和油气管道八大类;按照材质不同则可以分为钢管、混凝土管、铸铁管、PVC(聚氯乙烯)/PE(聚乙烯)管611第 1 期研究报告表 1合肥地区典型地层特征Tab1Typical stratigraphic characteristics of Hefei area地层代号地层名称状态特征层底埋深/m常见厚度/m1杂填土褐灰灰黄色，湿，松散，土质不均，以黏性土为主046708543全新统粉质黏土灰褐色、灰黄色，可塑，中压缩性5212023912全新统黏土黄褐色、灰褐色，可塑、硬塑，中低压缩性84294522282上更新统黏土褐黄色、灰黄色，硬塑、坚硬，中低压缩性2704051013161全风化泥质砂岩棕红色、紫红色，风化剧烈，呈黏土状，原岩结构基本被破坏3455051054等。合肥地区采用的管线沉降控制标准规定:有压管线或重要管线的沉降需控制在 10 mm 以内，无压雨水、污水管沉降控制在 20 mm 以内，无压其他管线沉降控制在 30 mm 以内。合肥地区地下管线性质如表 2 所示。表 2合肥地区地下管线性质Tab2Underground pipeline properties of Hefei area管线类型材质管径或外形尺寸管底埋深/m自来水管钢 5001 200 mm120270给水管铸铁、混凝土 5001 000 mm120266污水管PE、混凝土 4001 000 mm185530雨水管PVC、PE、混凝土 3001 600 mm150476燃气管钢 400600 mm140210电力管混凝土玻璃纤维600 mm600 mm900 mm900 mm118190118190热力管钢 400630 mm0972702隧道开挖对邻近管线的影响因素分析21工况分析隧道开挖对管线受力变形的主要影响因素为管线自身因素(管材、管径)、地层因素(管线所处地层、隧道所处地层)、管线与隧道相对位置因素(相交角度、相对距离)和隧道施工因素(开挖工法)，详见表 3。表 3影响管线受力变形的主要因素及其细分类别Tab 3Main factors influencing pipeline deformationunder stress and their detailed classification影响因素细分类别管材钢管(刚性接头)、铸铁管(柔性接头)、混凝土管(柔性接头)、PVC 管(刚性接头)管径/mm6001 200管线所处地层1、3、2隧道所处地层2、2管隧相交角度/()090管隧间距/m14(垂直距离)、012(水平距离)开挖法台阶法、四部 CD 法、六部 CD 法注:CD 法为交叉中隔墙法。由于管线埋深较浅，隧道基本都是下穿既有管线，因此，为建立与实际更为接近的分层地基有限元模型，将土层分为管线所处土层、隧道所处土层和隧道下卧土层。地层断面分布示意图如图 1 所示。为简化计算且不失一般性，本文选取的模型参数为:隧道埋深为 6 m，断面型式为直墙拱形，隧道跨度为 6 m，隧道净高为 35 m，隧道开挖进尺为 2m。采用控制变量法定性定量地分析相关主要因素对管线受力变形的影响规律。图 1地层断面分布示意图Fig1Schematic diagram of stratum section distribution22建立计算模型图 2三维计算模型Fig2Three-dimensional calculation model考虑计算效率及计算边界的影响，模型横向长度(x 方向)取为 60 m，模型纵向长度(y 方向)取为30 m，模型竖向高度(z 方向)取为 35 m。为了提高管线和隧道附近区域的计算精度，对管线及隧道部分的网格进行局部加密，有限元网格的单元总数为48 635。在模型的 x 向边界面与 y 向边界面施加水平约束，在模型底部边界面施加竖向约束，顶部边界面为自由面。三维计算模型如图 2 所示。隧道衬砌及周围岩土体采用实体单元模拟，单元类型选择C3D8 单元，采用减缩积分计算。衬砌本构模型采7112023 年用线弹性模型，岩土体本构模型采用摩尔库伦模型。地层及相关结构参数取值如表 4 所示。表 4地层、结构及材料相关参数取值Tab4elated parameter values of stratum，structureand material项目密度/(kg/m3)弹性模量/kPa泊松比黏聚力/kPa内摩擦角/()厚度/m1 杂填土18512010403816012026003 全新统粉质黏土19728010403045015067002 全新统黏土19575010402934018019300初期支护/中隔壁2502801070200300/0250二次衬砌2503151070200400等效加固圈1984201040306752250800钢管7852061080300012PVC 管1502761060200020Abaqus 软件虽提供了 PSI(管土相互作用单元)，但该单元将管土位移视为连续，不能真实反映隧道开挖过程中埋地管道与管周土体的相对变形关系。因此，本文引入接触面功能来解决管土接触问题，通过定义主从接触面和接触面上的相互作用来模拟不同材质的接触面，法向接触采用硬接触，切向接触采用罚函数摩擦类型。分析管材因素影响时，需分析不同刚度的管线接头。将管线分为刚性和柔性接头两种。对于刚性接头管线，将其看作是刚度一致的连续管线，一般较为简单。而对于柔性接头管线则将其看作需要模拟接头性质的非连续管线。Abaqus 软件中，可以通过定义连接单元模拟柔性接头，即:将管线分为若干管节，使用 2 节点连接单元在管节之间建立连接，并采用耦合约束将各节点和对应管节横截面的运动约束在一起，再通过定义连接属性描述接头间的相互作用和约束关系。对不同隧道开挖工法的模拟，则是按照实际施工过程，采用软化模量法，在相互作用模块对开挖分析步下的模型改变类型进行设置，移除预先划分好的隧道开挖部分的实体单元。23管线受力变形影响因素分析231管线自身因素控制地层组合为1+2+1，管底埋深为 3m。在与隧道垂直的情况下，不同材质及管径的管线沉降和管线轴向拉应力计算结果如图 3 所示。由图 3 可知:4 种材质管线的沉降排序为钢管沉降球磨铸铁管沉降混凝土管沉降PVC 管沉降;4 种材质管线的轴向拉应力排序为钢管轴向拉应力球磨铸铁管轴向拉应力混凝土管轴向拉应力PVC 管轴向拉应力。随着管线自身弹性模量的增大，受隧道开挖影响产生的管线沉降逐渐减小，但轴向拉应力逐渐增大。对于管径为 6001 200 mm 的管线而言，随着管径的增大，管线沉降和管线轴向拉应力都表现为逐渐减小的趋势，且减小的速率也在逐渐降低。主要原因是随着管径的增大，管线抗弯刚度也随之增大，导致管线抵抗地层变形的能力有所增强。对于弹性模量差异最大的钢管和 PVC 管，沉降差都约为 967 mm，轴向拉应力差都约为 2019 MPa。由此可以看出，不同材质管线的沉降值差异相对较小，而轴向拉应力值差异较大。当管径从 600 mm 增大到1 200 mm 时，4 种材质管线的沉降量都约减小了 650mm，