城市地铁开挖对相邻地下管线影响的数值分析

关永平,郭 龙,李云龙,刘炎炎,张靖杰,宋 建

(东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110004)

城市地铁开挖对相邻地下管线影响的数值分析

关永平,郭 龙,李云龙,刘炎炎,张靖杰,宋 建

(东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110004)

城市地铁工程开挖引起附近地下管线周围土体发生位移,从而影响管线的正常使用和安全。该文以沈阳地铁二号线11标段为实例,以有限差分软件FLAC3D为分析平台,建立了地铁隧道、土体和地下管线变形耦合作用的三维数值计算模型,对模拟值与实测值进行对比分析,并分析了隧道开挖步对管线的影响。结果表明:管线的最大竖向位移点在隧道轴线与管线的相交点,沿着管线方向离隧道轴线越远位移值越小,数值计算值和实测值基本吻合。该数值计算模型具有较高的仿真度,可以预测地下管线的变形规律。

地铁开挖;地下管线;FLAC3D;数值模拟

0 引 言

随着我国经济的发展和城市建设规模的不断扩大,很多大城市已开始极力发展地下工程结构,尤其是城市地铁工程。然而城市地下工程的开挖会导致周围土体应力重新分布,打破了初始地应力的平衡,使周围土体发生滑动或位移,带动了周围地下管线的移动,严重时会导致地下管线的变形过大而发生破坏现象,给居民日常生活带来极大的不便。因此,在城市地下工程开挖前应首先弄清临近的管线、管线类型和埋深情况,然后视其影响大小对地下管线采取相应的保护措施[1]。

近年来,国内外对管线的研究比较多并取得了不少成果。吴波[2]等利用三维有限元方法分析了地铁区间隧道施工对邻近管线的影响。基于ANSYS软件平台,建立了隧道支护结构一土体一地下管线耦合作用的三维有限元模型,对施工过程进行了仿真分析,并结合现场实测数据和模型试验对地下管线的安全性作了评价。Hunter[3]用两阶段分析法研究了地铁开挖对邻近管线的影响,将施工过程视为洞室扩散,采用Mohr-Coulomb屈服准则,管线接头采用铰接连接,施加反向弯矩作为接头抵抗力。计算结果表明管线接头的转动降低了管段内的弯曲应力,管线破坏的主要原因是拉应变达到极限强度从而引起管段的轴向开裂。

隧道施工引起的土体移动对管线的影响可从隧道掘进方向与管线的空间相对位置来确定,当隧道掘进方向垂直于管线延伸方向时,对管线的影响主要表现在管线周围土体的纵向位移引起管线弯曲应力的增加导致破坏[4]。

1 计算理论与方法

1.1 研究内容

(1)运用数值模拟的方法建立暗挖施工计算模型,模拟暗挖施工中土体变形的动态过程。

(2)在管线顶点位置布置沉降观测点,完成监控量测数据采集。

(3)通过现场的监测数据和数值模拟计算,拟合与实际较吻合的计算模型。

(4)建立一套城市隧道开挖引起的管线破坏评价方法。

1.2 研究方法

针对城市隧道暗挖法施工工况,运用数值模拟方法建立暗挖施工计算模型,模拟隧道开挖对邻近管线的影响。

计算时采用典型的摩尔-库伦模型和空模型。将数值模拟结果和现场实际量测数据进行对比,验证该计算模型的可信度。在此基础上,绘制开挖过程中管线变形曲线,真正掌握管线的变形规律,为其它类似的工程提供可靠的理论依据。

1.3 工程背景

沈阳市地铁二号线一期工程文体路站,车站有效站台中心里程为K13+712.000,起始里程为K13+646.800～K13+812.100,总长165.3 m,该站为岛式站台车站,有效站台宽度12 m,车站主体结构总长165.3 m。主体结构采用明挖顺作法施工,除出入口下穿污水管线通道段采用平顶直墙矿山法施工外,其余附属结构均采用明挖法施工。出入口暗挖段上方与隧道垂直方向有2根2.2m×1.8 m的混凝土污水管道,两根管线圆心相距6.2 m,管线底部至洞顶土层厚度为3.5 m,管顶上覆土层厚度为2 m。

1.4 数值模型

本文针对城市隧道浅埋暗挖法施工工况,采用FLAC3D软件建立了三维数值模型(图1),模型尺寸为28 m×12.4 m×19 m(X×Y×Z),模型共划分了9 664个单元,11 447个节点。

基本假定:(1)管线为等直径、等壁厚的薄壁管,且不考虑管道接头的影响,管道材料按照各向同性的线弹性体考虑;(2)岩土体材料符合Mohr-Coulomb模型;(3)管线与周围土体始终紧密接触。

图1 三维数值计算模型

1.5 力学参数及模拟施工过程

由现场地质勘查报告,可获得以下地层分布情况及相关参数,污水管线材质为混凝土材料,其相关计算参数如(表 1、表2)所示。

表1 地层分布状况以及力学参数

表2 管线力学计算参数

由于FLAC3D软件是按照实际施工情况模拟开挖过程,首先要得到初始应力场。

具体模拟步骤如下:

(1)建立三维模型,计算土体自重应力下的初始应力场;

(2)得到土体的初始应力场后,将土体位移值清零,为后面开挖做好准备;

(3)采用空模型(model null)进行分步开挖,进尺为3.1 m,然后逐步施作衬砌。

2 计算结果及分析

图2为地铁开挖进行初期支护后的各个监测点的管线竖向位移数值计算值与实测值。从图中可以看出竖向位移曲线近似为正态分布曲线,管线的最大竖向位移点在隧道轴线与管线的相交点,沿着管线方向离隧道轴线越远位移值越小。图中两根管线的计算值都偏小于实际量测值,可能是由于计算中围岩暴露的时间小于实际情况的缘故。总的来看数值计算值和实际量测值基本上吻合。图2上的曲线验证了数值计算模型所选取的力学参数、本构模型以及边界条件。因此,该模型具有较高的仿真度,可以作为研究模型来模拟分析其它类似的工程,并达到正确指导工程施工的目的。

图2 隧道开挖引起的管线竖向位移

2.1 开挖步对管线竖向位移的影响

在开挖过程中的不同阶段对地下管线的位移进行监测,监测结果如图3。

图3 管线1在不同开挖步的竖向位移

从图3上可以看出,管线1的竖向位移值随着掌子面的不断推进而逐渐增大,直至开挖结束时管线位移达到最大值42.98 mm。这也充分说明了在城市地区的软土中开挖隧道,开挖面支撑的空间效应是很明显的。因此,要及时进行支护减少由土层移动引起的危害。

3 结论及建议

3.1 结论

本文采用FLAC3D计算软件模拟了城市隧道开挖对邻近地下管线的影响,通过以上模拟结果可以得出以下结论:

(1)地下管线竖向位移曲线近似为正态分布曲线,管线的最大竖向位移点在隧道轴线与管线的相交点,沿着管线方向离隧道轴线越远位移值越小。

(2)现场实测值与数值计算值基本吻合,验证了数值计算模型所选取的力学参数、本构模型以及边界条件。因此,该模型具有较高的仿真度,可以作为研究模型来模拟分析其它类似的工程,并达到正确指导工程施工的目的。

(3)对比分析不同开挖步的管线竖向位移,随着隧道施工工序的进展,管线的位移也不断增大。

除此之外,对于地下管线的位移,还有其它的影响因素,例如地下管线的材质、埋深、管线直径、土的扩散角等。由于管线的水平位移很小,不会影响管线正常使用;所以一般不予考虑。但是深基坑开挖时地下管线的水平位移必须要考虑,以免破坏管线带来不便[5,6]。

3.2 建议

在实际工程当中,为避免破坏地下管线要对其采取适当的措施:

(1)土体加固法,即在施工前对地下管线与施工区之间的土体进行注浆加固。

(2)隔离法,即通过设置树根桩、搅拌桩等在地下管线周围形成隔离体,限制管线周围土体的位移,这种方法适用于管线较大较重要的情况。

(3)选择合理的隧道施工工艺流程,在邻近地下管线区域放慢掘进速率,保持开挖面的稳定,勤注浆,减少土体位移。

(4)卸载保护,即在施工期间,卸去管线上部荷载,以减少土体和管线的受力与变形。

(5)悬吊保护,通过增设支撑点,增加支撑力使既有管线减小变形,常采用工字钢进行支撑[7～10]。

[1]骆建军,张顶立,王梦恕,等.地铁施工对管线的影响[J].中国铁道科学,2006,27(6):124-127.

[2]吴 波,高 波.地铁区间隧道施工对近邻管线影响的三维数值模拟[J].岩石力学与工程学报,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,刘维宁,李兴高,等.地铁施工影响邻近管线的研究现状与展望[J].中国铁道科学,2006,27(6):117-123.

[5]孙卫民,王秋生.过街隧道开挖对周围管群的影响分析[J].甘肃科技,2006,22(9):165-167.

[6]吴 波,高 波,索晓明,等.城市地铁隧道施工对管线的影响研究[J].岩土力学,2004,25(4):658-652.

[7]王述红.大跨度浅埋隧道工程地质特征及自稳能力分析[J].东北大学学报(自然科学版),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]欧阳浩,王 涛.地下管线受隧道施工影响的安全性判别[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

国家高技术研究发展计划(863计划,2007AA06Z108);国家973基础研究计划(2007CB209405);教育部留学回国人员科学研究基金(SRF for ROCS,SEM:2003821178);辽宁省自然科学基金项目(20092011);中央高校基本科研业务专项资金(2009)

关永平(1989—),男(蒙古族),内蒙古通辽人,在读硕士研究生,主要从事地下结构稳定性分析。