管線隧道開挖對上部既有線框架橋影響的有限元分析

摘要：采用有限元軟件Midas/GTS，對某管線隧道開挖對上部既有線框架橋影響進(jìn)行安全性評估，預(yù)測開挖施工后上部結(jié)構(gòu)的沉降和應(yīng)力變化，得到以下結(jié)論：（1）由于隧道開挖，引起了土中應(yīng)力變化，因此隧道開挖過程中框架橋的整體產(chǎn)生豎向沉降；（2）隧道初支拱頂位移向下，拱底出現(xiàn)隆起，位移向上，位移均在安全合理范圍內(nèi)。通過有限元分析，降低了隧道開挖過程對上部既有線框架橋可能帶來的危險(xiǎn)，并為管線隧道開挖支護(hù)方案提出指導(dǎo)性的意見。

關(guān)鍵詞：管線隧道開挖；既有線框架橋；沉降；位移；有限元軟件 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TV554 文章編號：1009-2374（2015）03-0106-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0243

1 概述

隨著我國城市化進(jìn)程的飛速發(fā)展，隧道開挖對于周圍環(huán)境的影響已經(jīng)成為工程界廣泛關(guān)注的課題之一。大量的地鐵隧道工程實(shí)踐表明，隧道施工勢必會引起地層沉降和變形。隧道施工引起地表沉降一般分為地表均勻沉降和地表不均勻沉降兩種。地表的均勻沉降使周圍建筑物產(chǎn)生整體下沉，其對于建筑物的穩(wěn)定性和使用條件并不會產(chǎn)生太大的影響，但若沉降量較大，同時(shí)地下水位又較淺時(shí)，則會造成地面積水，不但影響建筑物的使用，而且使地基土長期浸水，強(qiáng)度減低。

針對地鐵隧道開挖對鄰近建筑物影響的問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了許多針對性的研究。N.Loganathan等人利用離心模型試驗(yàn)對因隧道施工引起的單樁和群樁應(yīng)力與變形特性的影響進(jìn)行了初步研究。葛衛(wèi)娜等分析了隧道開挖對周圍建筑物的各種損害形式，并提出了三種保護(hù)建筑物的措施，對各項(xiàng)治理措施的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，對建筑物的加固提供了一定的指導(dǎo)作用。

在隧道開挖施工過程中，由于開挖擾動(dòng)、地層損失和固結(jié)沉降等因素會引起地層產(chǎn)生移動(dòng)和變形，從而導(dǎo)致上部既有結(jié)構(gòu)發(fā)生移動(dòng)和變形。因此，上部既有結(jié)構(gòu)變形的有效控制是選擇隧道開挖支護(hù)方案的關(guān)鍵，而軌道的絕對沉降和差異沉降又是變形控制的核心和關(guān)鍵。本文運(yùn)用Midas/GTS有限元軟件，對某管線隧道開挖對上部既有線框架橋影響進(jìn)行安全性評估，模擬隧道開挖過程，預(yù)測管線隧道開挖施工過程中上部既有線框架橋的絕度沉降及差異沉降，評價(jià)該沉降量是否影響框架橋的正常運(yùn)營及結(jié)構(gòu)安全，從而降低隧道開挖過程對上部既有線框架橋可能帶來的危險(xiǎn)，對危險(xiǎn)部位事先采取防范措施，為管線隧道開挖支護(hù)方案提出指導(dǎo)性的意見。

2 工程概況

2.1 工程背景

某熱力管線14#～18#間管道需從東北環(huán)線K33+552.23處2～20m框架橋下穿過，與鐵路交角為90°，為此需修建下穿鐵路框架橋段淺埋暗挖隧道。采用2座1～2m暗挖隧道，兩隧道中心間距7m。隧道在管棚防護(hù)下進(jìn)行施工，管棚采用直徑為325mm鋼管，由兩側(cè)豎井對向夯進(jìn)，隧道長均為83.8m，隧道埋深在鐵路框架橋以下1.4m左右，暗挖隧道按鐵路荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)。隧道與框架橋的位置關(guān)系如圖1和圖2所示：

2.2 工程地質(zhì)條件

地層參數(shù)如表1所示。

地下水類型為潛水，埋深8.70～9.20m，標(biāo)高21.03～21.82m，含水層主要為細(xì)砂③層，補(bǔ)給來源主要為大氣降水及地下徑流補(bǔ)給，以地下徑流為排泄方式。土體的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示：

2.3 設(shè)計(jì)概況

隧道采用淺埋暗挖法施工。設(shè)計(jì)隧道內(nèi)斷面凈寬為2.0m，凈高2.3m，其中拱部矢高0.45m，隧道斷面全寬3.0m，總高度為3.3m。

由于鐵路框架橋?qū)Τ两狄蠓浅８?，在隧道穿越鐵路框架橋時(shí)，為保證框架橋基底的穩(wěn)定，隧道需在管棚防護(hù)下進(jìn)行施工，管棚采用壁厚14mm的管材。隧道側(cè)墻外土體加固采用小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)的方法以確保施工安全。小導(dǎo)管采用Φ32普通鋼管，長度2.5m，間距每m設(shè)3根，搭接1.5m，外插角15°，布置在拱頂和邊墻的外側(cè)。注漿漿液采用水泥-水玻璃雙液漿。

3 有限元計(jì)算模型

采用巖土與隧道領(lǐng)域?qū)Ｓ梅治鲕浖﨧idas/GTS，根據(jù)工程實(shí)際情況，建立有限元計(jì)算模型，沿隧道方向取24m，上下高度取26m。

3.1 本構(gòu)關(guān)系的選擇

土體選用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，框架橋、隧道和支護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，線彈性模型遵從虎克定律，只有2個(gè)參數(shù)，即彈性模量E和泊松比v，應(yīng)力應(yīng)變在加卸載時(shí)呈線性關(guān)系，卸載后材料無殘余應(yīng)變。當(dāng)混凝土材料的應(yīng)力水平較低時(shí)，按該模型計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系基本符合實(shí)際情況。材料物理力學(xué)指標(biāo)見表2：

3.2 計(jì)算模型和步驟

有限元計(jì)算模型如圖3所示。土體和隧道結(jié)構(gòu)選用四節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元，首先建立初始滲流場。在模型邊界加入初始水頭，在隧道底部加入第二水頭，模擬土層實(shí)際滲流過程。之后建立初始自重應(yīng)力場，計(jì)算模型中第一階段為土體開挖的初始階段，計(jì)算出土體在自重的作用下的位移場和應(yīng)力場。

對計(jì)算模型進(jìn)行隧道開挖模擬時(shí)，首先對左線隧道進(jìn)行開挖，然后對右線隧道進(jìn)行開挖，模型中左、右線隧道長度均為24m，故對每條隧道進(jìn)行12次開挖，每次開挖深度為2m，開挖完成一步后加初支。隧道的動(dòng)態(tài)開挖過程分為48個(gè)施工步，土體開挖和結(jié)構(gòu)施作通過鈍化和激活單元實(shí)現(xiàn)。有限元計(jì)算步驟見表3：

表3 有限元計(jì)算開挖步驟定義

通過對隧道開挖過程的有限元分析，預(yù)測管線隧道開挖施工過程中上部既有線框架橋的沉降及應(yīng)力變化，評價(jià)框架橋的正常運(yùn)營及結(jié)構(gòu)安全。

4.1 隧道位移分析

左線和右線隧道開挖完成后，框架橋整體豎向位移變化如圖4和圖5所示。從計(jì)算結(jié)果可以得出，在管線隧道開挖過程中，框架橋總體位移情況是向下的，且框架橋左側(cè)沉降比右側(cè)沉降大。左線隧道開挖完成時(shí)，位移最大值出現(xiàn)在框架橋中部位置，最大值為1.114mm；右線隧道開挖完成時(shí)，位移最大值仍然出現(xiàn)在框架橋中部位置，最大位移值為1.25mm。

進(jìn)行左線隧道開挖時(shí)位移值較進(jìn)行右線隧道開挖時(shí)位移值增加幅度大，從左線隧道第1次開挖到左線隧道第12次開挖，最大沉降值增加了0.444mm（約66.27%），從右線隧道第1次開挖道右線隧道第12次開挖，最大沉降值增加了0.1mm（約8%）。

4.2 隧道應(yīng)力分析

左線和右線隧道開挖后時(shí)，框架橋主應(yīng)力變化如圖6和表4所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著隧道開挖的深入，框架橋一的最大拉應(yīng)力及壓應(yīng)力逐漸減小。開挖結(jié)束后，最大拉應(yīng)力位置出現(xiàn)在框架橋頂板的中間位置，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在框架橋的中墻及兩側(cè)墻部位。

從左線隧道的第1次開挖到開挖結(jié)束后，拉應(yīng)力減小幅度為0.8%，壓應(yīng)力減小幅度為0.4%；右線隧道第1次開挖，拉應(yīng)力減小幅度為0.04%，壓應(yīng)力減小幅度為0.1%。分析其主要原因是受框架橋一底板處管棚的影響，管棚的存在降低了框架橋一橫斷面中間部位的沉降量，與框架橋一兩側(cè)形成沉降差，導(dǎo)致頂板中部出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)。整體來看，隧道開挖對框架橋的應(yīng)力影響不大。

4.3 隧道初支位移

左線和右線隧道開挖后加初支時(shí)，框架橋一模型左線和右線隧道初支豎向位移變化云圖如圖7所示。當(dāng)左線隧道開挖結(jié)束后，左線隧道初支的位移變化情況為：拱頂整體位移向下，最大沉降量為3.01mm；拱底出現(xiàn)隆起，最大隆起值為6.59mm。當(dāng)右線隧道開挖結(jié)束后，右線隧道初支的位移變化情況為：拱頂整體位移向下，最大沉降量為2.73mm；拱底出現(xiàn)隆起，最大隆起值為6.90mm。左、右線隧道初支位移值均在合理范圍之內(nèi)。

5 結(jié)語

本文通過數(shù)值模擬分析得到以下結(jié)論：（1）熱力管線隧道由于開挖擾動(dòng)導(dǎo)致隧道上部既有線框架橋隨之發(fā)生移動(dòng)和變形。通過對有限元計(jì)算分析，框架橋的整體豎向位移向下，最大豎向位移為1.22mm，位于框架橋中部；（2）熱力管線隧道的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均隨著隧道開挖的深入而減小，整體來看，隧道開挖對框架橋的應(yīng)力影響不大。熱力管線隧道施工會對上部既有線框架橋產(chǎn)生一定的影響，但在其理論計(jì)算的影響范圍內(nèi)，能夠保證既有框架橋及其上部鐵路線的安全運(yùn)營；（3）熱力管線隧道初支拱頂位移向下，最大位移為3.01mm；拱底出現(xiàn)隆起，位移向上，最大隆起值為6.90mm，位移均在理論計(jì)算的影響范圍內(nèi)；（4）施工時(shí)，嚴(yán)格控制開挖步距，隨挖隨支，待支護(hù)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)再開展下一步掘進(jìn)工作。隧道周邊土體應(yīng)采取加固補(bǔ)強(qiáng)措施，以利于增強(qiáng)隧道周圍土體的整體性及剛度，從而降低開挖過程中的變形量。

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作者簡介：王達(dá)麟（1987-），男，河南鶴壁人，鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司助理工程師，碩士，研究方向：巖土及地下工程。

（責(zé)任編輯：陳 倩）