盾构施工对航油管道的扰动效应

赵方冉，李春波，李 岳

(中国民航大学机场学院，天津 300300)

0 引言

随着城市综合交通设施技术的发展，我国许多大中型机场都在或即将进行机场场区的地下穿越工程施工，而大型机场场区地下分布着各类管道，其中航油管道在贯穿场区的同时，分布于机坪地下。当在该区域进行地下盾构施工时，航油管道除了要承受上部飞机荷载的作用外，还会因地下土体支撑能力的减弱而产生过度位移，以至产生破裂。因此，在穿越管道施工前，需要科学分析和评价其安全可靠性。

尽管我国在穿越飞行区盾构施工方面已经有成功的案例，如北京地铁机场支线T2在修建过程中就采用盾构施工穿越了2条飞机滑行线和4个停机位;虹桥机场完成了2条穿越跑道、滑行道与机坪的盾构施工隧道;台湾桃园国际机场也利用盾构施工修建了1条穿越机场滑行道的联外捷运系统［1］;重庆地铁下穿江北机场跑道［2］。尽管上述穿越工程本身达到设计要求，但是，穿越施工对其上部航油管道的影响情况尚不清楚，更缺乏这些穿越工程对既有航油管道影响的科学评价，这使得未来越来越多机场的穿越施工对既有航油管道的影响仍处于未知状态。

目前，在地下盾构施工对既有管线受力及变形影响规律方面已有大量研究。但现有成果集中研究盾构施工工艺、隧道与管道不同参数等因素下隧道开挖对管道的影响规律［3－6］，很少耦合其他附加荷载。然而，管道在隧道开挖过程中会受到各种因素的影响而产生位移，特别是地下航油管道在同时承受上部飞机荷载作用和下部土体扰动的情况下，其受力状态更为复杂，管道位移过度的风险也更大。因此，研究飞机荷载与隧道施工耦合作用对航油管道的影响规律对机场下穿越施工具有重要的指导意义。

1 航油管道安全可靠性的评价

1.1 评价方法

航油管道多为道面以下2 m左右的直埋管道，该管道除了承受基本土压力外，还承受着道面上运行或停放飞机的附加荷载，使得管道本身正常情况下就处于较高的受力状态;而当管道下部实施盾构等作业时，下部土体支撑能力的降低还会增大管体的结构受力，从而加剧了对管道的破坏作用。

在各类荷载作用下，钢质航油管道结构保持安全的可靠性评价主要采用以下方法:

1)判定管体损伤的最大应力法。其判别式为:

式中:σmax为管道上所受到的最大应力;［σ］为管道材料的许用应力。

校核管道强度时应考虑轴向应力及环向应力，根据最大应力法原理，只有管体轴向应力及环向应力在满足式(1)的情况下才会保持管体结构的安全可靠。

2)判定管道纵向失稳的临界轴向力法［7］。埋地直线管道开始失稳的临界轴向力

式中:K为土壤法向阻力系数，MPa/m;E为管材弹性模量;I'为钢管横截面惯性矩;E'为回填土的变形模量;μ0为回填土泊松比;h0为管道中心至地面距离;D为管道直径。

依据临界轴向力法，只有管道轴向力小于计算临界值的情况下才能保证其结构纵向稳定状态。

3)判定管道径向稳定的容许径向变形［7］。航油管道因外荷载作用而产生径向变形，径向变形过大将导致管道失去径向稳定性而“被压瘪”。为保证其径向稳定性，限定管道最大水平径向变形量不得超过管道外径的3%。

根据现有计算方法，管道安全的前提就是管体应力和管道纵向轴力及径向变形满足上述要求，否则，就难以保证管道的安全可靠。

1.2 影响管道结构安全的场地土体沉降

当在航油管道下进行盾构等掘进作业时，下部土体有可能受到扰动而降低其对管道的支撑作用，其降低程度主要取决于下部土体的沉降量;因此，盾构施工过程导致管道下部土体沉降量的大小成为影响该既有管道安全可靠性的关键因素之一。

关于盾构开挖所引起的土体沉降规律，Peck在1969年得出隧道开挖过程中隧道轴线方向土体横向沉降符合正态分布［8］，并且得出经验公式;然而，该经验公式仅能反映地表沉降。姜忻良等［9］针对其不能反映土体不同深度处横向沉降槽的缺陷，研究总结了横向沉降槽系数i随深度的数值对应关系。据此，本文推导了距隧道轴线水平面不同间距H处地层的横向沉降槽分布公式，如图1所示。

图1 土体内横向沉降槽分布Fig.1 Pattern of ground settlement trough

地表处横向沉降槽反弯点至隧道轴线i取Laganathan值［10］，则不同间距处iH取值为:

式(4)中由于R取值为隧道半径，就针对研究问题实际情况而言，R 取值范围为［0.5，8］，故 R0.05取值接近于1，故距隧道不同间距H处横向沉降槽分布公式为:

式中Vi为地层损失率。地层损失率与盾构施工过程中刀盘超开挖间隙、注浆压力、土体开挖面弹塑性变形及施工工艺有关，由于影响因素较多，根据经验，黏土地层损失率取值为1%。

理论分析认为管道轴线位置处土层沉降分布即为管道的沉降分布曲线，式(6)中A即为管道最大沉降值，上述公式还表明土质参数与隧道埋深一定时，管道最大沉降值与距隧道轴线垂直距离成反比。从上述研究结果来看，管道下土体的沉降量随着管道与隧道间土层厚度的减薄而增大。由于机场区域的地下隧道深度多为10 m左右，而其航油管道埋深为2 m左右，除了管道尺寸和隧道尺寸外，管道底部至隧道顶部的土层厚度多在8 m以下。因此，在土壤地质较差的环境中，盾构施工造成的沉降，对管道下土体支撑力的降低效果明显，从而影响其可靠性。

航油管道在飞机附加荷载作用下，管道底部土体本身就承受着较高的应力，当其下部盾构施工过程中的土体扰动效应传递到管道底部应力范围内时，若土体支撑能力降低过大，则会引发管道的变形，甚至产生结构破坏现象。从式(6)所反映的规律来看，当管道底部距盾构隧道上部土层厚度过薄时，更容易产生较大的土体沉降和增加管道应力。

为探讨土层厚度、管道与隧道相对交错位置对沉降效应的影响规律，分别利用ABAQUS有限元软件对上述不同情况下的土层沉降进行数值模拟研究。

2 航油管道下盾构施工的土体沉降数值模拟

2.1 模型构建条件与选取参数

1)假设条件。①管道与土体始终保持接触;②管道上道面板为整块板与土基始终保持接触。

2)模型参数。模型土体边界范围为土基上部为停机坪道面板，将道面板下基层及垫层换算成混凝土板当量厚度，故道面板结构总厚度取0.5 m。管道方向x=70 m，隧道方向y=40 m，竖直方向z=30 m。该土体范围经验证能满足计算要求。

数值模拟结构参数分别采用 φ1 000 mm，壁厚10 mm的钢管，管材模量2×105MPa，泊松比0.2。管材强度取规范中最低屈服强度175 MPa，考虑到机场区域设计系数取为0.4，则航油管道的容许应力［σ］为70MPa。模型土体采用均质黏土，重度16.6 kN/m3，弹性模量 9.5 MPa，黏聚力 26.2 kPa，泊松比0.35。土体本构模型采用Mohr－Coulomb模型。由于土体范围足够大，土体各面采用法向约束。管顶埋深2 m，管道与隧道之间土层间隔厚度为8 m，初始夹角为90°。管道及盾构施工参数如表1所示。

基于上述参数模拟管道上部道面在承受飞机荷载时的受力状态，其中以B747－400飞机静荷载为例，选取轮胎胎压为1.35 MPa，轮印长宽分别为58.89 cm和35.33 cm，该荷载的最不利位置为管道正上方。其有限元模型如图2所示。

表1 有限元模型计算参数Table 1 Calculation parameters for finite element model

图2 航油管道下穿盾构施工时受力有限元分析模型Fig.2 FEM of shield boring crossing underneath aviation oil pipeline

2.2 管道下盾构施工的ABAQUS模拟

2.2.1 盾构施工对管道影响的ABAQUS模拟过程

利用ABAQUS有限元软件研究地埋管道下盾构施工的土体沉降变形，以及由其引起管道的变形及受力状态变化，以管道底部与土体接触面为监测点，管道初始位移为0，第1分析步为地应力平衡，使管道的初始位移接近于0。第2分析步开始作用飞机荷载，此时管道出现较大幅度的沉降。隧道开挖过程中考虑到盾构对待开挖土体的扰动效应在开挖前对其进行卸荷［11］，然后再开挖相应的土体并激活衬砌与注浆体，该卸荷过程同样使管道出现向下的位移。然而，开挖引起的隧道下部土体回弹由刚度较大的衬砌向上扩散进而使管道产生向上的位移增量，因而管道沉降呈现锯齿形的波动状态，但总位移量是向下并且逐步增加，随着开挖面的远离管道沉降趋于稳定。

数值模拟中首先在道面板上施加飞机荷载，然后进行盾构隧道的开挖，当管道上覆盖道面并施加飞机附加荷载时，使管道具有较大的初期应力水平，在隧道开挖面逐渐逼近并远离管道的过程中，管道应力逐步增大。当开挖面处于管道轴线两侧时，应力增幅达到最大。随着开挖面逐渐远离，管道应力增幅逐渐减小且应力水平趋于稳定。

2.2.2 埋地管道下盾构施工扰动时的理论计算分析

数值模拟首先对无道面结构的土面区进行盾构隧道施工开挖模拟。根据式(4)解得i8=7.51m，将地层损失率及i8值带入式(6)进而求得地表横向最大沉降量为9.56 mm。最后将地表沉降的Peck公式理论解与数值计算解绘制成图(如图3所示)。

图3 沉降理论计算值与数值模拟分析值对比图Fig.3 Comparison and contrast between theoretically-calculated settlement and numerically-simulated settlement

由图3可知，隧道中心轴线两侧的沉降呈对称分布，解析计算和数值模拟结果分布相近。而盾构施工过程中支护和壁后注浆难以完全弥补开挖面临空所形成的内缩，造成数值模拟土体损失过大而使地表沉降值更大。

2.2.3 停机坪道面板及飞机荷载影响分析

盾构施工分别在无上部附加荷载的土面区、存在飞机附加荷载的机坪下进行时，施工过程对土体位移及管道变形影响具有较明显的差异。

无附加荷载土面区管道的埋深处土体沉降理论值及数值计算，已知管道埋深2.5 m，由式(6)得2.5 m深度处最大沉降量Smax=10.13mm，由式(4)得i=7.96 m。

当埋置于道面板下管道的下方进行盾构施工时，飞机荷载作用与盾构施工作用相耦合必然会导致管道遭受更大的附加应力。特别是在机场不停航施工情况下，飞机着陆或滑行中颠簸振动所产生冲击荷载效应更会加剧管道的附加应力，假设处于一般颠簸状态下运行的飞机振动冲击系数为1.1，则取竖向荷载为静载的1.1倍进行数值模拟分析，可得出该管道所遭受的附加应力效应。

按照上述计算方法，分别计算出上覆土面层、道面板并附加B 747－400飞机静载或动载情况下的管道底部土体的沉降值、沉降反弯点距管道中心轴线的水平距离(如图4所示)以及管道所遭受的最大附加应力情况(如表2所示)。

图4表明:当飞机附加荷载作用于管道上方并且进行下部盾构施工时，飞机荷载通过道面板及土介质传递的集中荷载，会显著加剧盾构施工过程中管道的的下沉位移，最多可使管道局部下沉10 mm。管道局部下沉的后果直接导致管道遭受更大的附加应力。

表2的数值模拟结果表明:在飞机荷载作用下，若在管道下穿越盾构施工，将直接导致处于其间管道的应力增大;特别是当飞机处于滑行状态时，由于振动冲击所产生荷载效应，使得下埋管道的最大轴向应力增量可达到38.4 MPa，附加应力要比一般土面埋置区高1倍以上，而其环向附加应力增量幅度提高近1倍。

图4 管道沉降对比图Fig.4 Calculated settlement of aviation oil pipeline

表2 不同上覆荷载时下穿盾构对管道产生的附加应力Table 2 Additional stress on aviation oil pipeline induced by shield boring under different loads MPa

2.2.4 地下穿越对不同埋深管道的扰动效应

利用ABAQUS软件进行有限元数值模拟的结果表明，当地表附加飞机荷载的情况下，在地下10.67 m深处的穿越施工，当管道轴线距地表埋深分别为1.5，2.5，3.5 m时，盾构施工对管道扰动所产生的沉降和内部应力状态如表3所示。

表3 道面上有飞机荷载时下穿隧道对不同埋深管道的扰动效应Table 3 Disturbance effect of shield boring crossing underneath aviation oil pipeline with different cover depths when there is airplane on the ground surface

从数值模拟结果来看:随着管道埋深的不断增大，管道距离隧道间距越来越小，而上部飞机荷载的作用效应则会降低。埋深增大时由于与盾构隧道间距更近使环向应力有所增加，同样下部盾构施工所造成的轴向应力也明显增大。

另外，数值模拟结果显示:管道的水平径向变形随着管道埋深的增大先变小然后逐渐变大，这是由于埋深较浅管道受飞机荷载影响径向变形较大，随着埋深变大飞机荷载效应得以扩散而逐渐变小，随着埋深进一步增大管道受隧道开挖影响逐渐显著而使径向变形开始变大。当管隧间距为4 m时径向变形最大，其值为直径的1.8%，管道虽未破坏但安全性受到很大威胁。

特别是道面上飞机荷载与地下穿越施工共同作用下管道的沉降及轴向应力均随埋深呈增大的趋势。管道埋深较浅时，距离隧道间距较大，受力形态更接近于受压构件;而当埋深增大时，由于距离盾构隧道间距较小，在飞机荷载与施工共同作用下更接近于受弯构件。

从上述影响规律来看，管道轴向应力的大小主要取决于管道底部与下部穿越隧道顶部之间的垂直间距。有限元数值模拟的结果表明，埋深为2 m的管道底部距隧道顶端垂直距离分别是8，10，12，14，16 m时，管道底部土体的沉降变形规律如图5所示。

图5 不同管－隧垂直间距时的管道沉降规律Fig.5 Rules of settlement of aviation oil pipeline under different vertical distance between shield tunnel and aviation oil pipeline

由图5所反映规律可见，由于土拱效应的存在，随着隧道埋深的加大(如间距从8 m增大到16 m后)，管道沉降呈现变小的趋势。因此，管道与穿越隧道之间的垂直距离不应太小，为尽可能减少管道的沉降量和管道遭受的附加应力，需要选择适当的管道埋深以及管道底部到盾构顶部之间的垂直距离。

3 结论与讨论

在Peck经验公式的基础上，通过对埋置管道下隧道开挖所形成的土体变形分析，构建了盾构施工过程中管道沉降简化表达式，用于计算不同深度处管道沉降。利用建立的盾构隧道三维模型对盾构施工及飞机耦合作用下管道力学规律进行研究，模拟结果表明管－隧垂直间距一定时增加管道埋深;埋深一定时，增加管－隧间距能保证管道使用安全。以安全评价方法为指标，在特定的工程概况下能确定管道的临界埋深与管－隧间距。

文中管道沉降计算公式的得出没有考虑管土相互作用，后续研究中可以为突破口将这种因素进行量化并得出理论解。研究中仅考虑了飞机的静荷载效用，没有对飞机运动情况下管道的动态力学响应进行研究，这一方面还有待深入探讨。

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