管线隧道开挖对上部既有线框架桥影响的有限元分析

摘要：采用有限元软件Midas/GTS，对某管线隧道开挖对上部既有线框架桥影响进行安全性评估，预测开挖施工后上部结构的沉降和应力变化，得到以下结论：（1）由于隧道开挖，引起了土中应力变化，因此隧道开挖过程中框架桥的整体产生竖向沉降；（2）隧道初支拱顶位移向下，拱底出现隆起，位移向上，位移均在安全合理范围内。通过有限元分析，降低了隧道开挖过程对上部既有线框架桥可能带来的危险，并为管线隧道开挖支护方案提出指导性的意见。

关键词：管线隧道开挖；既有线框架桥；沉降；位移；有限元软件 文献标识码：A

中图分类号：TV554 文章编号：1009-2374（2015）03-0106-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0243

1 概述

随着我国城市化进程的飞速发展，隧道开挖对于周围环境的影响已经成为工程界广泛关注的课题之一。大量的地铁隧道工程实践表明，隧道施工势必会引起地层沉降和变形。隧道施工引起地表沉降一般分为地表均匀沉降和地表不均匀沉降两种。地表的均匀沉降使周围建筑物产生整体下沉，其对于建筑物的稳定性和使用条件并不会产生太大的影响，但若沉降量较大，同时地下水位又较浅时，则会造成地面积水，不但影响建筑物的使用，而且使地基土长期浸水，强度减低。

针对地铁隧道开挖对邻近建筑物影响的问题，国内外学者开展了许多针对性的研究。N.Loganathan等人利用离心模型试验对因隧道施工引起的单桩和群桩应力与变形特性的影响进行了初步研究。葛卫娜等分析了隧道开挖对周围建筑物的各种损害形式，并提出了三种保护建筑物的措施，对各项治理措施的优缺点进行了比较，对建筑物的加固提供了一定的指导作用。

在隧道开挖施工过程中，由于开挖扰动、地层损失和固结沉降等因素会引起地层产生移动和变形，从而导致上部既有结构发生移动和变形。因此，上部既有结构变形的有效控制是选择隧道开挖支护方案的关键，而轨道的绝对沉降和差异沉降又是变形控制的核心和关键。本文运用Midas/GTS有限元软件，对某管线隧道开挖对上部既有线框架桥影响进行安全性评估，模拟隧道开挖过程，预测管线隧道开挖施工过程中上部既有线框架桥的绝度沉降及差异沉降，评价该沉降量是否影响框架桥的正常运营及结构安全，从而降低隧道开挖过程对上部既有线框架桥可能带来的危险，对危险部位事先采取防范措施，为管线隧道开挖支护方案提出指导性的意见。

2 工程概况

2.1 工程背景

某热力管线14#～18#间管道需从东北环线K33+552.23处2～20m框架桥下穿过，与铁路交角为90°，为此需修建下穿铁路框架桥段浅埋暗挖隧道。采用2座1～2m暗挖隧道，两隧道中心间距7m。隧道在管棚防护下进行施工，管棚采用直径为325mm钢管，由两侧竖井对向夯进，隧道长均为83.8m，隧道埋深在铁路框架桥以下1.4m左右，暗挖隧道按铁路荷载进行设计。隧道与框架桥的位置关系如图1和图2所示：

2.2 工程地质条件

地层参数如表1所示。

地下水类型为潜水，埋深8.70～9.20m，标高21.03～21.82m，含水层主要为细砂③层，补给来源主要为大气降水及地下径流补给，以地下径流为排泄方式。土体的物理力学指标如表1所示：

2.3 设计概况

隧道采用浅埋暗挖法施工。设计隧道内断面净宽为2.0m，净高2.3m，其中拱部矢高0.45m，隧道断面全宽3.0m，总高度为3.3m。

由于铁路框架桥对沉降要求非常高，在隧道穿越铁路框架桥时，为保证框架桥基底的稳定，隧道需在管棚防护下进行施工，管棚采用壁厚14mm的管材。隧道侧墙外土体加固采用小导管注浆超前支护的方法以确保施工安全。小导管采用Φ32普通钢管，长度2.5m，间距每m设3根，搭接1.5m，外插角15°，布置在拱顶和边墙的外侧。注浆浆液采用水泥-水玻璃双液浆。

3 有限元计算模型

采用岩土与隧道领域专用分析软件Midas/GTS，根据工程实际情况，建立有限元计算模型，沿隧道方向取24m，上下高度取26m。

3.1 本构关系的选择

土体选用Mohr-Coulomb屈服准则，框架桥、隧道和支护结构采用线弹性模型，线弹性模型遵从虎克定律，只有2个参数，即弹性模量E和泊松比v，应力应变在加卸载时呈线性关系，卸载后材料无残余应变。当混凝土材料的应力水平较低时，按该模型计算应力应变关系基本符合实际情况。材料物理力学指标见表2：

3.2 计算模型和步骤

有限元计算模型如图3所示。土体和隧道结构选用四节点三维实体单元，首先建立初始渗流场。在模型边界加入初始水头，在隧道底部加入第二水头，模拟土层实际渗流过程。之后建立初始自重应力场，计算模型中第一阶段为土体开挖的初始阶段，计算出土体在自重的作用下的位移场和应力场。

对计算模型进行隧道开挖模拟时，首先对左线隧道进行开挖，然后对右线隧道进行开挖，模型中左、右线隧道长度均为24m，故对每条隧道进行12次开挖，每次开挖深度为2m，开挖完成一步后加初支。隧道的动态开挖过程分为48个施工步，土体开挖和结构施作通过钝化和激活单元实现。有限元计算步骤见表3：

表3 有限元计算开挖步骤定义

通过对隧道开挖过程的有限元分析，预测管线隧道开挖施工过程中上部既有线框架桥的沉降及应力变化，评价框架桥的正常运营及结构安全。

4.1 隧道位移分析

左线和右线隧道开挖完成后，框架桥整体竖向位移变化如图4和图5所示。从计算结果可以得出，在管线隧道开挖过程中，框架桥总体位移情况是向下的，且框架桥左侧沉降比右侧沉降大。左线隧道开挖完成时，位移最大值出现在框架桥中部位置，最大值为1.114mm；右线隧道开挖完成时，位移最大值仍然出现在框架桥中部位置，最大位移值为1.25mm。

进行左线隧道开挖时位移值较进行右线隧道开挖时位移值增加幅度大，从左线隧道第1次开挖到左线隧道第12次开挖，最大沉降值增加了0.444mm（约66.27%），从右线隧道第1次开挖道右线隧道第12次开挖，最大沉降值增加了0.1mm（约8%）。

4.2 隧道应力分析

左线和右线隧道开挖后时，框架桥主应力变化如图6和表4所示。从计算结果可以看出，随着隧道开挖的深入，框架桥一的最大拉应力及压应力逐渐减小。开挖结束后，最大拉应力位置出现在框架桥顶板的中间位置，最大压应力出现在框架桥的中墙及两侧墙部位。

从左线隧道的第1次开挖到开挖结束后，拉应力减小幅度为0.8%，压应力减小幅度为0.4%；右线隧道第1次开挖，拉应力减小幅度为0.04%，压应力减小幅度为0.1%。分析其主要原因是受框架桥一底板处管棚的影响，管棚的存在降低了框架桥一横断面中间部位的沉降量，与框架桥一两侧形成沉降差，导致顶板中部出现拉应力区。整体来看，隧道开挖对框架桥的应力影响不大。

4.3 隧道初支位移

左线和右线隧道开挖后加初支时，框架桥一模型左线和右线隧道初支竖向位移变化云图如图7所示。当左线隧道开挖结束后，左线隧道初支的位移变化情况为：拱顶整体位移向下，最大沉降量为3.01mm；拱底出现隆起，最大隆起值为6.59mm。当右线隧道开挖结束后，右线隧道初支的位移变化情况为：拱顶整体位移向下，最大沉降量为2.73mm；拱底出现隆起，最大隆起值为6.90mm。左、右线隧道初支位移值均在合理范围之内。

5 结语

本文通过数值模拟分析得到以下结论：（1）热力管线隧道由于开挖扰动导致隧道上部既有线框架桥随之发生移动和变形。通过对有限元计算分析，框架桥的整体竖向位移向下，最大竖向位移为1.22mm，位于框架桥中部；（2）热力管线隧道的拉应力和压应力均随着隧道开挖的深入而减小，整体来看，隧道开挖对框架桥的应力影响不大。热力管线隧道施工会对上部既有线框架桥产生一定的影响，但在其理论计算的影响范围内，能够保证既有框架桥及其上部铁路线的安全运营；（3）热力管线隧道初支拱顶位移向下，最大位移为3.01mm；拱底出现隆起，位移向上，最大隆起值为6.90mm，位移均在理论计算的影响范围内；（4）施工时，严格控制开挖步距，随挖随支，待支护达到一定强度时再开展下一步掘进工作。隧道周边土体应采取加固补强措施，以利于增强隧道周围土体的整体性及刚度，从而降低开挖过程中的变形量。

参考文献

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[5] 葛卫娜，梁青槐.隧道开挖对周围建筑物造成的损害及治理措施[J].华北科技学院学报，2005，（3）.

作者简介：王达麟（1987-），男，河南鹤壁人，铁道第三勘察设计院集团有限公司助理工程师，硕士，研究方向：岩土及地下工程。

（责任编辑：陈 倩）