泥水盾构隧道施工对地下管线的影响实例分析

宋秋雨 赵卉子 杜 曦

(上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093)

·桥梁·隧道·

泥水盾构隧道施工对地下管线的影响实例分析

宋秋雨 赵卉子 杜 曦

(上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093)

针对泥水盾构隧道开挖会对邻近地下管线造成影响，而这种影响又会因为各种其他因素而有所变化的现象作了研究，利用有限元分析软件ABAQUS在分别考虑某一参数的影响时，假定其他施工条件不变，对各主要影响因素进行了分析，最后将数值模拟结果与实测数据进行了对比，得出了相应的影响规律。

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0 引言

在城市地下隧道施工中，泥水盾构开挖往往会对邻近地下管线造成影响，而这些施工的影响问题就现今城市建设的发展趋势来看，不仅不可避免，而且在数量上会不断增加[1]。受到地下隧道施工影响，地下管线可能会因变形过大造成泄漏、停电或通讯中断等事故，这些都将造成很大经济损失以及社会纠纷，严重危害城市的生产建设和人民生命财产的安全[2]。及时地对管线做好相应的保护措施，以保证地下管线的安全正常运行，显得尤为重要。

利用数值模拟法研究土体开挖影响下的地下管线问题，在近年来越来越普遍。李大勇等(2000)[3，4]利用有限元三维模型，分析了地下管线的管材、埋深等诸多因素对地下管线的位移影响。吴波(2003)[5，6]基于ANSYS软件平台，建立CRD四步工法三维有限元分析模型，计算与隧道方向正交的地下煤气管线的沉降。毕继红(2006)[7]基于ABAQUS有限元软件平台模拟了双线隧道开挖过程，充分考虑了各种不同的影响因素对邻近地下管线的影响。

本文将根据管线与隧道不同的空间位置关系进行研究：

1)管—隧正交情况，主要研究管线埋深的变化影响；

2)管—隧平行情况，主要研究管—隧偏移距离与管线的埋深变化的影响；

3)管—隧斜交情况，主要研究对象为管—隧夹角的变化影响。

本文在假定其他施工条件不变的情况下，分别对各影响因素进行分析，同时针对上海虹梅南路隧道的现场实测结果进行对比分析，得出结论。

1 有限元模型建立说明

1.1 基本假定

土体采用摩尔—库仑弹塑性本构关系，管线及隧道衬砌材料采用线弹性本构关系；假定各土层均呈水平层状分布，且考虑土体自重应力场。

衬砌管片采用整体结构，采用整体刚度的折减作用，根据相关经验，折减系数取值0.8。

管线采用梁单元以嵌入(Embedded Region)形式埋入土体模型中，管线与土体产生协调变形。

1.2 建模以及参数选择

1)模拟中，对虹梅南路—金海路通道越江段实际工况各土层参数进行一定简化后按表1进行设置。

表1 土体模型各土层参数

2)模型尺寸：模型中隧道中心埋深25 m，外径15 m，隧道开挖影响深度为隧道直径的2倍～4倍，影响宽度为隧道直径的3倍～4倍，计算域为130 m×130 m×80 m。

3)单元选取：土体采用单元C3D8PR，管片采用单元S4R，厚0.6 m。埋入土体的管线采用单元B31H，截面外径273 mm，管壁7.1 mm。

4)边界条件：模型侧面限制法向位移，底面限制三方向位移，上表面无限制。

5)隧道开挖过程模拟的实现：主要步骤分为初始地应力场平衡、开挖前土体的刚度折减、土体的开挖。根据已有的数值模拟分析经验[8]，折减系数取值25%。

模型的可行性验证在此不做赘述。

2 有限元模拟结果分析

2.1 管线与隧道轴线正交

为分析隧道开挖对管线的作用受到管线埋深的影响，采用埋入不同埋深的同种管线展开研究，具体各工况所需参数按表2设置。

表2 管线埋深变化影响分析计算项目表

1)由图1，图2看出，随着管线埋深增加，管线竖向沉降也不断增大，且增大趋势不断明显。

2)由图3，图4看出，随着管线埋深的增加，管线水平位移不断减小，减小趋势不断减弱，且管线水平位移的峰值在不断向隧道轴线方向靠近。

3)由图5，图6看出，管线位于隧道正上方位置出现较大的正弯矩，两侧则出现相对较小的负弯矩，而随着埋深的增大，管线埋深的增加，管线弯矩受隧道施工的影响也在增大，正负弯矩都有所增加，且与水平位移类似，管线负弯矩的最大值也在不断向隧道轴线方向靠拢。

在此，管—隧正交情况时，管线埋深与下卧加固层的变化影响在此不做赘述。

2.2 管线与隧道轴线平行

为研究管线平行于隧道轴线时各主要影响因素，本节将采用表3中各工况进行计算。

表3 管线偏移隧道距离变化影响分析计算项目表

1)由图7看出，随着平行管线偏移隧道轴线距离的增大，管线的竖向位移不断减小，并且折线斜率即这种减小趋势先增大后减小，且在远离隧道一定距离后几乎没有明显的竖向位移，可见隧道开挖对平行管线的影响存在一定作用范围。另外，在隧道周围，不同埋深管线竖向位移随埋深增大而增大。

2)由图8看出，随着管线偏移隧道轴线距离的增大，管线水平位移先不断增大又逐渐减小，还可以看出，在隧道轴线正上方管线无水平位移，各埋深管线水平位移随着偏移距离的增大逐渐产生差别，且这种差别亦表现为先逐渐增大后逐渐减小。

3)本次计算采用一步开挖的方式对隧道开挖进行模拟，管—隧平行关系时，隧道开挖不会引起管线弯矩，所以此处将管线弯矩图略去。

3 结语

本文根据管线与隧道不同的空间位置关系，利用三维有限元模型展开计算，对上海软土地层中盾构施工邻近地下管线影响参数进行敏感性分析，主要包括管线埋深、管线管材、管线下卧加固体刚度、管—隧相对偏移距离以及管—隧夹角的影响分析。分别得出了相应的影响规律，主要得出以下结论：

1)对于隧道与管线正交的情况：随管线埋深的增大，管线竖向位移不断增大，趋势不断明显；水平位移不断减小，峰值不断靠近隧道，但整体较小；管线弯矩不断增大，趋势不断明显。随管线刚度的增大，管线竖向位移与水平位移不断减小，但趋势很不明显；管线弯矩不断增大，趋势较为明显且不断增强。随管线下卧加固体刚度的增大，管线竖向位移不断减小，且趋势不断减弱；水平位移无明显变化；管线弯矩不断减小，趋势不断减弱。

2)对于隧道与管线平行的情况：相同埋深下，随着管—隧偏移距离的增加，管线的竖向位移明显，且此趋势先逐渐明显后逐渐减弱；管线水平位移则呈现先增加后减小的趋势。

3)对于隧道与管线斜交的情况：其他条件相同时，随着管—隧夹角的增大(从管—隧平行到管—隧正交)，管线沉降槽宽度不断增大，最大沉降无明显差别，反弯点处沉降不断减小；管线水平位移最大值无明显差别，但峰值位置逐渐靠近隧道轴线；管线最大弯矩随管—隧夹角的增大而增大，弯矩曲线逐渐趋于陡峭。

[1] 吴为义.盾构隧道周围地下管线的性状研究[D].杭州:浙江大学,2008.

[2] 时 静.浅埋暗挖地铁车站施工环境土体沉降变形及其对市政管线的影响研究[D].北京:北京交通大学,2006.

[3] 李大勇.软土地基深基坑工程邻近地下管线的性状研究[D].杭州:浙江大学,2001.

[4] 李大勇，龚晓南，张土乔.软土地基基坑周围地下管线保护措施的数值模拟[J].岩土工程学报,2001,23(6):736-740.

[5] 吴 波.复杂条件下城市地铁隧道施工地表沉降研究[D].成都:西南交通大学,2003.

[6] 蒋正华，吴 波，高 波.地铁区间隧道施工对管线影响的数值模拟[J].现代隧道技术,2003(1):16-20.

[7] 毕继红，刘 伟.隧道开挖对地下管线的影响分析[J].岩土力学,2006,27(8):1317-1321.

[8] 李大勇.盾构法施工过程中土体变形特性及其数值分析研究[R].上海：同济大学博士后研究工作报告,2004.

Example analysis on the impact of slurry shield tunnel construction upon underground pipeline

Song Qiuyu Zhao Huizi Du Xi

(CollegeofEnvironmentandBuilding,ShanghaiUniversityofTechnology,Shanghai200093,China)

In light of impact of slurry shield tunnel excavation upon underground pipeline, the paper studies other phenomena, consider parameters effect with finite element software ABAQUS, analyzes other major influencing factors without changing other construction conditions, and finally obtains responding influencing law by comparing numerical simulation results and actual measuring data.

slurry shield, underground pipeline, ABAQUS, parameter

2015-01-04

宋秋雨(1990- )，女，在读硕士； 赵卉子(1989- )，女，在读硕士； 杜 曦(1991- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)08-0166-03

U455

A