超大直徑盾構下穿高危管線施工數值模擬分析

周雪蓮，王曉鋒，魏林春，顧沉穎

(1．上海理工大學 環(huán)境與建筑學院，上海 200093;2．國網上海市電力公司，上海 200002;3．上海隧道工程股份有限公司，上海 200062;4．上海市地下空間設計研究總院有限公司，上海 200032)

超大直徑盾構下穿高危管線施工數值模擬分析

周雪蓮1，王曉鋒2，魏林春3，顧沉穎4

(1．上海理工大學 環(huán)境與建筑學院，上海 200093;2．國網上海市電力公司，上海 200002;3．上海隧道工程股份有限公司，上海 200062;4．上海市地下空間設計研究總院有限公司，上海 200032)

結合上海虹梅南路盾構隧道施工對鄰近乙烯管線影響的工程實例，采用三維彈塑性有限元精細化模擬盾構施工過程中管線的響應。研究超大直徑泥水平衡盾構掘進過程中二次擾動及復雜穿越對乙烯管線的影響，并依據燃氣管線安全性的評價標準(容許差異沉降率和容許最大應力雙控指標)對乙烯管線的安全性進行判定，為該工程后期第二次穿越乙烯管線的順利施工提供依據。

超大直徑 乙烯管 數值模擬 施工參數

盾構機在穿越一些高危燃氣管線時，由于燃氣具有易燃、易爆等高危特性，高壓燃氣管線對隧道施工中的地層沉降控制要求非常高，管線的劈裂對周邊環(huán)境安全將造成極其惡劣的影響［1］。所以設計和施工的關鍵是盡量減少由于隧道掘進引起的地層位移及對隧道沿線管線的影響。

盾構施工過程中土層與暗埋剛性管道的變形并非協調變形，土層破壞模式相當復雜，使通過理論方法研究管線受力形式及破壞模式以判別管線的安全性適用范圍受限。借助于有限元數值分析軟件，將復雜的施工過程適當簡化以預測管線的安全性可以得到較好的效果［2］。

吳波等［3］結合深圳地鐵大劇院—科學館區(qū)間隧道工程，通過ANSYS有限元軟件建立三維彈塑性模型模擬了隧道開挖對管線的影響，并給出管線安全性的評價標準。畢繼紅等［4］運用 ABAQUS有限元分析軟件模擬了雙線隧道開挖對地下管線的影響，認為在其它條件不變的情況下，管線的剛度越大，管線的變形越小，但產生的附加應力越大。魏綱等［5］采用三維有限元方法分析過街隧道施工引起的相鄰地下管線變形和受力，總結出管線的水平位移遠遠小于豎向位移，管線與隧道間距和管線埋深比值＜10時，應采取措施以保障管線的正常運營。

目前，數值模擬大多建立在對不同的管線埋深、管線材質、管線與隧道間距和圍巖條件等的對比分析上，模型簡單且尚未考慮施工參數如切口泥水壓力、同步注漿量、同步注漿壓力以及推進速度等的影響。因此，需對實際工程進行精細化模擬。本文結合虹梅南路隧道工程采用超大直徑泥水平衡盾構施工，通過建立精細化的數值仿真模型分析乙烯燃氣管線的變形及受力情況。

1 工程概況

1.1 工程地質

虹梅南路隧道工程位于閔行區(qū)和奉賢區(qū)，北起虹梅南路、永德路交叉口，沿現狀虹梅南路向南延伸，先后穿越劍川路、東川路、滬閔支線、江川東路、黃浦江，終點至西閘路以南約500 m，全長約5 260 m。

閔行區(qū)虹梅南路西側，沿隧道主線方向存在上海氯堿公司的金山至吳涇乙烯管線1根，是輸送乙烯化工原料的重要設施。乙烯管埋設覆土深度約1.5～2.0 m，管徑250 mm，材質為鋼管，內壓力16 MPa。隧道外徑14.5 m，內徑13.3 m，管片厚0.6 m，左右線間距約21.0 m。隧道與乙烯管相對位置如圖1所示。各土層厚度從上至下依次為 1.5，1.7，4.6，11.1，7.4，2.6，4.5及3.1 m。YX-i為乙烯管沉降監(jiān)測點，相鄰測點間距為20 m;W1020-i為地表沉降槽監(jiān)測點，W1020-i處相鄰測點間距為4.5 m，見圖2。根據工程實際先開挖距離乙烯管較近的西線隧道，然后盾構機掉頭開挖東線隧道。

1.2 盾構施工參數

圖3為施工參數圖，可見1-1斷面處切口泥水壓力控制在0.48 MPa左右，推進速度約為30 mm/min，同步注漿量為22.8 m3/環(huán)，同步注漿壓力為0.7 MPa。

圖1 隧道與乙烯管相對位置

圖2 分析段監(jiān)測點布置

圖3 施工參數

1.3 管線控制標準

管線的破壞可能因差異沉降過大導致接頭不能保持封閉狀態(tài)而發(fā)生泄漏，或管線附加應力過大而出現裂縫。開挖引起周圍地層的差異沉降是導致管線破壞或功能喪失的主要原因［6］。目前，我國還沒有一個相對統(tǒng)一的關于管線變形控制的標準。畢繼紅等(2006)總結了相關管線的沉降控制指標，認為差異沉降應控制在δ≤L/1 000 m(δ為任意兩點間的差異沉降值，L為兩點間的間距)。由于該工程中乙烯管線是上世紀90年代敷設的老舊管線，且乙烯為無色無味的有毒氣體并具有易燃易爆等特性，一旦發(fā)生泄漏對周圍環(huán)境危害極大，為保證其安全運營取其安全系數為5，即 δ≤L/5 000 m;其次，現行《壓力管道規(guī)范》(GB/T 20801.2—2006)［7］規(guī)定壓力管道的極限受拉限定值為112 MPa，取安全系數為5，即該乙烯管道極限受拉限定值為22.4 MPa。將通過以上兩個指標對乙烯管線的安全性進行判定。

2 數值模擬

2.1 計算假定

1)地下管線為等直徑、等壁厚，管道材料本構關系按線彈性考慮。

2)管線與周圍土體非協調變形。假定管線與周圍土體通過摩擦接觸，即在變形過程中，管線與土體可以產生有限的相對滑動。采用ABAQUS中Penalty接觸關系將管線嵌入土層。

3)用降低彈性模量的方法考慮接頭的影響。

4)同步注漿量簡化為均一、等厚、彈性的等代層，等代層的厚度完全充填于盾尾間隙。

2.2 參數選取

根據已知材料參數及施工參數進行數值模擬。部分材料參數如表1所示。土體采用三維實體單元C3D8PR，襯砌和盾構機采用殼體單元C4S，乙烯管采用梁單元。土體本構模型采用Mohr-Coulomb彈塑性模型?？紤]到襯砌接頭對襯砌結構剛度的影響，將襯砌結構的剛度折減0.15［8］，襯砌結構取C55混凝土。

表1 數值模擬計算參數

為有效控制地表沉降值，適當簡化已有的盾構施工過程地層損失、切口水壓、注漿壓力等施工參數。盾構施工過程的動態(tài)模擬采用剛度遷移法實現參數改變。在盾尾處沿徑向施加同步注漿壓力0.7 MPa，在切削面正面施加均布切口泥水壓力0.48 MPa。為模擬盾構動態(tài)推進過程，每步掘進2 m，盾尾脫出后激活襯砌單元及同步注漿單元。閔行段乙烯管與隧道位置錯綜復雜，數值模擬時考慮盾構連續(xù)施工時對乙烯管的影響。

3 計算預測分析

計算得出，當盾尾脫離監(jiān)測點20 m時，地表最大沉降發(fā)生在左線隧道正上方，最大沉降為9.1 mm，實測數據最大沉降為9.25 mm。隧道在盾尾脫出20 m后，乙烯管已開挖段實測數據最大沉降約為4.0 mm，數值模擬計算結果在盾尾脫出20 m后約為4.5 mm，實測數據與模擬值結果相近。

由差異沉降控制標準 δ≤L/5 000 m，得出 δ≤0.2L mm。由差異沉降定義可知該式等價于|Δy|≤0.2Δx(如圖4所示)，即乙烯管的沉降曲線斜率 k的絕對值應＜0.2。實際工程中管線沉降曲線函數復雜，不便于通過求解沉降曲線的函數表達式f(x)并對其求導取斜率。由微分定義可知，當Δx足夠小時曲邊三角形ABC可簡化為直角三角形ABC。因此，差異沉降控制標準可轉化為

圖4 差異沉降率計算模型

圖5為差異沉降率曲線，僅當雙線同時挖通時，隧道位置在160～180 m之間的乙烯管區(qū)段超出差異沉降控制范圍，應當加密布置該區(qū)域的監(jiān)測點，并結合施工參數進行調整，以滿足乙烯管的正常運營。

圖5 差異沉降率曲線

乙烯管差異沉降呈現如下規(guī)律:無論是單線隧道施工還是雙線隧道施工時，乙烯管的最大差異沉降并非出現在隧道軸線正上方處，而是出現在乙烯管的拐彎點附近，即取決于乙烯管的敷設形狀。在拐點處附近沉降變化明顯。

根據乙烯管不同階段應力可知，盾構機切口抵達監(jiān)測點時，該監(jiān)測點處乙烯管應力最大為5.0 MPa。盾構機不斷掘進過程中，乙烯管應力逐漸減小，盾尾脫出20 m時最大應力為3.9 MPa。先建隧道開挖后，應力最大值發(fā)生在隧道與乙烯管斜交處，最大應力值約為1.6 MPa;右線隧道開挖完畢后，最大應力值為2.5 MPa。均未超過限定值22.4 MPa，該項指標顯示乙烯管均處于安全狀態(tài)。

4 結論

1)差異沉降控制指標可用差異沉降率控制范圍表示，本文給出其計算公式，差異沉降率曲線較差異沉降指標更直觀，便于工程直接使用。

2)乙烯管的最大差異沉降并非出現在隧道軸線正上方處，而是出現在乙烯管的拐彎點附近，即最大差異沉降取決于乙烯管的敷設形狀。

3)當盾構機抵達監(jiān)測點時，監(jiān)測點達到應力最大，隨后該處應力逐漸減小;單線及雙線挖通時，其最大應力值均位于乙烯管與隧道斜交處。

4)對乙烯管變形及受力雙控指標分析得知，乙烯管的安全性取決于乙烯管的差異沉降率，在乙烯管拐點處需采取措施以保障其安全運營。

［1］吳為義，孫宇坤，張土喬．盾構隧道施工對鄰近地下管線影響分析［J］．中國鐵道科學，2008，29(3):58-62．

［2］王建新，陳壽根，王靖華．深圳地鐵4號線二期工程某段燃氣管線保護技術［J］．隧道建設，2010，30(3):331-335．

［3］吳波，高波．城市地鐵隧道施工對管線的影響研究［J］．巖土力學，2004，25(4):657-662．

［4］畢繼紅，劉偉，江志峰．隧道開挖對地下管線的影響分析［J］．巖土力學，2006，27(8):1317-1321．

［5］魏綱，魏新江，裘新谷，等．過街隧道施工對地下管線影響的三維數值模擬［J］．巖石力學與工程學報，2009(增1):2853-2859．

［6］田國偉，馮運玲．地下工程施工對地下管線變形影響的控制標準探討［J］．特種結構，2012，29(6):85-90．

［7］中華人民共和國質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會．GB/T 20801.2—2006 壓力管道規(guī)范［S］．北京:中國標準出版社，2006．

［8］杜進祿，黃醒春，王飛．大型泥水盾構施工土體擾動實測及動態(tài)模擬［J］．地下空間與工程學報，2009，5(6):1205-1210．

U455．43

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．02．16

1003-1995(2014)02-0047-03

2013-07-02;

2013-09-30

周雪蓮(1989— )，女，江西上饒人，碩士研究生。

(責任審編 趙其文)