地鐵車站施工對(duì)鄰近管線影響的三維數(shù)值模擬摘 要:隨著城市建設(shè)步伐的加快,地鐵工程施工對(duì)鄰近管線的影響問題日趨突出.本文以北京地鐵某車站工程為背景,借助大型有限元程序ABAQUS建立了三維隧道-管道-土體耦合模型,詳細(xì)模擬了車站施工過程對(duì)鄰近管線的影響.計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合,驗(yàn)證了數(shù)值分析的可靠性.通過管道應(yīng)力、局部?jī)A斜、附加最大彎矩和地表沉降槽限值的驗(yàn)算,對(duì)管線的安全性進(jìn)行了評(píng)估.關(guān)鍵詞:地鐵工程;地下管線;數(shù)值模擬;管-土相互作用 目前,北京多條地鐵線路同時(shí)開工,地鐵工程影響鄰近管線問題已成為地鐵施工的重點(diǎn)和難點(diǎn).地鐵開挖引起鄰近煤氣管泄露、水管爆裂、電纜斷裂的情況,國(guó)內(nèi)外均有報(bào)道.如何在施工中有效控制開挖引起的地層移動(dòng),保護(hù)鄰近管線的安全,并對(duì)管線安全性做出合理的判斷,已經(jīng)成為地鐵工程中迫切需要解決的問題. 由于具體工程的地層情況、開挖方式、支護(hù)形式、管線材質(zhì)、接頭類型、管道-隧道相對(duì)位置變化較大,無論是彈性地基梁法還是工程類比法均無法取得令人滿意的預(yù)測(cè)結(jié)果.隨著有限元、有限差分以及邊界元的發(fā)展,數(shù)值方法可以有效彌補(bǔ)上述方法存在的局限性.本文作者針對(duì)北京地鐵的具體工程,用ABAQUS程序進(jìn)行車站施工影響鄰近管線的三維非線性彈塑性分析,預(yù)測(cè)各施工階段管道的沉降,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)管道的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià).1 工程概況 在建的某地鐵車站,主體雙層暗挖段采用上下4導(dǎo)洞的洞樁法施工.施工導(dǎo)洞初期支護(hù)均為馬蹄形結(jié)構(gòu),下導(dǎo)洞采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖,上導(dǎo)洞采用交叉中隔壁法施工.車站的施工環(huán)境非常復(fù)雜,周圍存在大量的地下管線.選取距離隧道結(jié)構(gòu)最近的雨水管作為研究對(duì)象,其與相對(duì)車站的位置關(guān)系如圖1所示.詳細(xì)的施工步驟見圖2,其中1~14為開挖面序號(hào).
2 管線控制標(biāo)準(zhǔn)與安全判別方法 目前我國(guó)還沒有統(tǒng)一的管線變形控制標(biāo)準(zhǔn).一方面,管線現(xiàn)狀承載能力和抵抗變形的能力難以確定,因此直接決定了管線控制標(biāo)準(zhǔn)難以確定.另一方面,國(guó)內(nèi)外可以借鑒的地下管線控制標(biāo)準(zhǔn)比較少,除文獻(xiàn)[1]在條文中有明確規(guī)定之外,Attewell等[2]曾提出一些經(jīng)驗(yàn)性控制標(biāo)準(zhǔn),其他可供參考資料較少.在判別地下管線的安全性時(shí),一般將管線分成剛性管和柔性管.剛性管安全性可以由管道接口抗拔力、允許曲率半徑或管節(jié)受彎應(yīng)力判斷.管節(jié)中的縱向彎曲應(yīng)力應(yīng)小于容許值,當(dāng)彎曲應(yīng)力小于容許值時(shí),管道可安全使用,否則,管道可能產(chǎn)生斷裂或泄漏.柔性管安全性一般由管道的允許曲率半徑和接頭張角進(jìn)行安全判別. O’Rourke&Trautman[3]提出了一種管線損害評(píng)估的經(jīng)驗(yàn)法,主要參考指標(biāo)是管線可能損害處的地層移動(dòng)坡角值Smax/i.其中Smax為隧道開挖引起的最大地表沉降,i為隧道中線到地表沉降槽反彎點(diǎn)的距離.在砂層中的淺埋隧道,規(guī)定了橫向沉降槽的Smax/i限值,如表1所示.3 管-土相互作用的模擬 管-土相互作用是研究地鐵施工對(duì)鄰近管線影響需要解決的難點(diǎn),目前已有的研究方法主要有彈性地基梁線彈性解析模型和有限元板殼模型.有限元方法多采用接觸面單元分析這類問題,但一般接觸面單元需要預(yù)先確定哪些點(diǎn)的位移相等,不能精確模擬接觸面在變形過程中的實(shí)際情況.在ABAQUS程序中,主-從接觸面法可以模擬管-土的法向侵入與脫離及切向的相對(duì)滑移. 采用主-從面接觸模型模擬管-土相互作用時(shí),管道作為主接觸面,土體作為從接觸面,形成一個(gè)接觸對(duì).接觸面的相互作用按切向和法向分別定義,即切向接觸時(shí),管土節(jié)點(diǎn)一旦接觸,就不再發(fā)生相對(duì)滑動(dòng);法向接觸時(shí),允許管土節(jié)點(diǎn)相互分離.4 計(jì)算過程與結(jié)果4.1 模型與參數(shù) 1)計(jì)算模型取中跨拱圈的圓心作為模型的原點(diǎn),上邊界取到地表,下邊界自結(jié)構(gòu)底板向下取11m,模型總高為35m.模型寬度取125m,線路縱向考慮邊界效應(yīng)取20m.模型計(jì)算范圍、土層分布、管線和車站結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系如圖1所示.由此建立的計(jì)算模型網(wǎng)格如圖3所示,圖3中不同灰度代表不同的開挖或支護(hù)區(qū)域.模型的邊界條件取地表為自由邊界,其他5個(gè)面為滾軸約束. 2)雨水管為鋼筋混凝土管,由于多年腐蝕造成承載變形能力降低,取原設(shè)計(jì)彈性模量的80%進(jìn)行計(jì)算.管道采用承插式接口,承口環(huán)和插口環(huán)均用扁鋼壓制成型,與鋼筒焊成一體.因此,可近似忽略管道的接口影響,用具有軸彎性能的空間等參殼單元模擬. 3)邊樁為鉆孔灌注樁,設(shè)計(jì)直徑為600mm,間距1000mm,考慮到樁間的注漿作用,將邊樁模擬為300mm的殼單元,初期支護(hù)采用具有軸彎性能的空間等參殼單元模擬. 4)地層采用遵循非線性彈塑性本構(gòu)關(guān)系和莫爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則的空間等參實(shí)體單元模擬.二次襯砌采用彈性本構(gòu)關(guān)系的空間等參實(shí)體單元模擬. 5)由于實(shí)際開挖過程采用降水施工,故不考慮地下水在開挖過程中的影響.4.2 橫向地表沉降與管道沉降 地表沉降槽曲線如圖4所示. 車站計(jì)算最大地表沉降為84.4mm,地表沉降槽寬度約為80m,管道最大沉降量為46mm,該處地層的最大沉降為48mm,管道沉降與地層沉降基本一致.圖5為管道沉降的時(shí)程曲線.表2為各施工階段地表和管道累計(jì)沉降最大點(diǎn)的沉降量及沉降比例. 通過與監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比,發(fā)現(xiàn)沉降槽計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)上基本吻合,計(jì)算結(jié)果比實(shí)測(cè)結(jié)果偏大近9mm,且實(shí)測(cè)管道沉降有局部上抬現(xiàn)象.這主要是由于施工中的初支回填注漿作用在計(jì)算中沒有考慮,故計(jì)算管道沉降大于監(jiān)測(cè)值.4.3 管道縱向沉降 1)不同施工階段管道的縱向變形· 不同開挖步序下管道縱向變形如圖6所示,雨水管與隧道開挖方向平行,管道在車站施工過程中縱向變形不斷變化,在上部左導(dǎo)洞第4部開挖時(shí)出現(xiàn)縱向最大局部?jī)A斜.車站施工完畢后管道縱向不均勻沉降值為8mm. 2)管道縱向最不利情況分析· 管道在上左導(dǎo)洞開挖時(shí)出現(xiàn)最不利變形,此時(shí)的縱向坡角達(dá)到最大值,如圖7所示,局部?jī)A斜最大值為40.2/20000=0.002.5 管道安全性驗(yàn)算5.1 管道應(yīng)力驗(yàn)算 根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范查得,混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.1MPa,計(jì)算所得最大管道拉應(yīng)力為0.8 MPa,小于混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,故從管道應(yīng)力的角度可以判斷管道是安全的.5.2 局部?jī)A斜驗(yàn)算 根據(jù)文獻(xiàn)[1]的規(guī)定,采用承插式接頭的鑄鐵水管、鋼筋混凝土水管兩個(gè)接頭之間的局部?jī)A斜值不應(yīng)大于0.0025,計(jì)算最大局部?jī)A斜為0.002,小于控制值,管道的局部?jī)A斜符合規(guī)范要求.5.3 附加最大彎矩驗(yàn)算 Vorster等[4](2005)用彈性地基梁法推導(dǎo)了隧道開挖對(duì)鄰近管道的附加彎矩計(jì)算公式 式中:EⅠ為管道的彎曲剛度;Es為土體楊氏模量;r0是管道半徑.按照式(1)驗(yàn)算可得M=2.97kN.m.5.4 地表沉降槽限值驗(yàn)算 Smax/i=84·4×10-3/80=0·001<0·012,故該雨水管線是安全的.6 結(jié)論與建議 1)通過三維非線性彈塑性有限元法模擬地鐵車站施工對(duì)管線的影響,數(shù)值分析結(jié)果表明,施工期間管線能夠滿足變形與強(qiáng)度的要求.管線最大沉降為46mm,地表最大沉降為84mm.管線與周圍地層位移基本一致,管道對(duì)地層變形的抵制作用不明顯.施工期間管線最大拉應(yīng)力為0.82MPa. 2)通過管道縱向變形形態(tài)隨車站開挖的變化分析,發(fā)現(xiàn)管道的最不利形態(tài)發(fā)生在正下方導(dǎo)洞開挖階段,該階段管道出現(xiàn)最大局部?jī)A斜,施工中應(yīng)在管道正下方土體開挖階段加強(qiáng)監(jiān)測(cè). 3)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合,從而一定程度上驗(yàn)證了模型的正確性和可靠性. 4)管道的變形和強(qiáng)度值與極限值比較接近,為了保證管線的安全,應(yīng)采取先加固后施工的辦法,由地表和導(dǎo)洞內(nèi)向管道周圍土體進(jìn)行注漿加固,提高地層抗變形能力.參考文獻(xiàn):[1]GJB02-98·廣州地區(qū)建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)定[S].1998.GJB02-98·SpecificationforRetainingandProtectioninBuildingExcavationEngineeringinGuangzhouArea[S].1998.[2]AttewellPB,YeatesJ,SelbyAR.SoilMovementsIn-ducedbyTunnellingandTheirEffectsonPipelinesandStructures[M].London:BlackieandSonLtd.,1986.[3]O’RourkeTD,TrautmanCH.BuriedPipelineResponsetoTunnellingGroundMovements[C]∥Switzerland:Proc.Europipe’82Conf.,Basel,1982:5-12.[4]VorsterTEB,KlarA,SogaK.EstimatingtheEffectsofTunnelingonExistingPipelines[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,2005,131(11):1399-1410.
2 管線控制標(biāo)準(zhǔn)與安全判別方法 目前我國(guó)還沒有統(tǒng)一的管線變形控制標(biāo)準(zhǔn).一方面,管線現(xiàn)狀承載能力和抵抗變形的能力難以確定,因此直接決定了管線控制標(biāo)準(zhǔn)難以確定.另一方面,國(guó)內(nèi)外可以借鑒的地下管線控制標(biāo)準(zhǔn)比較少,除文獻(xiàn)[1]在條文中有明確規(guī)定之外,Attewell等[2]曾提出一些經(jīng)驗(yàn)性控制標(biāo)準(zhǔn),其他可供參考資料較少.在判別地下管線的安全性時(shí),一般將管線分成剛性管和柔性管.剛性管安全性可以由管道接口抗拔力、允許曲率半徑或管節(jié)受彎應(yīng)力判斷.管節(jié)中的縱向彎曲應(yīng)力應(yīng)小于容許值,當(dāng)彎曲應(yīng)力小于容許值時(shí),管道可安全使用,否則,管道可能產(chǎn)生斷裂或泄漏.柔性管安全性一般由管道的允許曲率半徑和接頭張角進(jìn)行安全判別. O’Rourke&Trautman[3]提出了一種管線損害評(píng)估的經(jīng)驗(yàn)法,主要參考指標(biāo)是管線可能損害處的地層移動(dòng)坡角值Smax/i.其中Smax為隧道開挖引起的最大地表沉降,i為隧道中線到地表沉降槽反彎點(diǎn)的距離.在砂層中的淺埋隧道,規(guī)定了橫向沉降槽的Smax/i限值,如表1所示.3 管-土相互作用的模擬 管-土相互作用是研究地鐵施工對(duì)鄰近管線影響需要解決的難點(diǎn),目前已有的研究方法主要有彈性地基梁線彈性解析模型和有限元板殼模型.有限元方法多采用接觸面單元分析這類問題,但一般接觸面單元需要預(yù)先確定哪些點(diǎn)的位移相等,不能精確模擬接觸面在變形過程中的實(shí)際情況.在ABAQUS程序中,主-從接觸面法可以模擬管-土的法向侵入與脫離及切向的相對(duì)滑移. 采用主-從面接觸模型模擬管-土相互作用時(shí),管道作為主接觸面,土體作為從接觸面,形成一個(gè)接觸對(duì).接觸面的相互作用按切向和法向分別定義,即切向接觸時(shí),管土節(jié)點(diǎn)一旦接觸,就不再發(fā)生相對(duì)滑動(dòng);法向接觸時(shí),允許管土節(jié)點(diǎn)相互分離.4 計(jì)算過程與結(jié)果4.1 模型與參數(shù) 1)計(jì)算模型取中跨拱圈的圓心作為模型的原點(diǎn),上邊界取到地表,下邊界自結(jié)構(gòu)底板向下取11m,模型總高為35m.模型寬度取125m,線路縱向考慮邊界效應(yīng)取20m.模型計(jì)算范圍、土層分布、管線和車站結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系如圖1所示.由此建立的計(jì)算模型網(wǎng)格如圖3所示,圖3中不同灰度代表不同的開挖或支護(hù)區(qū)域.模型的邊界條件取地表為自由邊界,其他5個(gè)面為滾軸約束. 2)雨水管為鋼筋混凝土管,由于多年腐蝕造成承載變形能力降低,取原設(shè)計(jì)彈性模量的80%進(jìn)行計(jì)算.管道采用承插式接口,承口環(huán)和插口環(huán)均用扁鋼壓制成型,與鋼筒焊成一體.因此,可近似忽略管道的接口影響,用具有軸彎性能的空間等參殼單元模擬. 3)邊樁為鉆孔灌注樁,設(shè)計(jì)直徑為600mm,間距1000mm,考慮到樁間的注漿作用,將邊樁模擬為300mm的殼單元,初期支護(hù)采用具有軸彎性能的空間等參殼單元模擬. 4)地層采用遵循非線性彈塑性本構(gòu)關(guān)系和莫爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則的空間等參實(shí)體單元模擬.二次襯砌采用彈性本構(gòu)關(guān)系的空間等參實(shí)體單元模擬. 5)由于實(shí)際開挖過程采用降水施工,故不考慮地下水在開挖過程中的影響.4.2 橫向地表沉降與管道沉降 地表沉降槽曲線如圖4所示. 車站計(jì)算最大地表沉降為84.4mm,地表沉降槽寬度約為80m,管道最大沉降量為46mm,該處地層的最大沉降為48mm,管道沉降與地層沉降基本一致.圖5為管道沉降的時(shí)程曲線.表2為各施工階段地表和管道累計(jì)沉降最大點(diǎn)的沉降量及沉降比例. 通過與監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比,發(fā)現(xiàn)沉降槽計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)上基本吻合,計(jì)算結(jié)果比實(shí)測(cè)結(jié)果偏大近9mm,且實(shí)測(cè)管道沉降有局部上抬現(xiàn)象.這主要是由于施工中的初支回填注漿作用在計(jì)算中沒有考慮,故計(jì)算管道沉降大于監(jiān)測(cè)值.4.3 管道縱向沉降 1)不同施工階段管道的縱向變形· 不同開挖步序下管道縱向變形如圖6所示,雨水管與隧道開挖方向平行,管道在車站施工過程中縱向變形不斷變化,在上部左導(dǎo)洞第4部開挖時(shí)出現(xiàn)縱向最大局部?jī)A斜.車站施工完畢后管道縱向不均勻沉降值為8mm. 2)管道縱向最不利情況分析· 管道在上左導(dǎo)洞開挖時(shí)出現(xiàn)最不利變形,此時(shí)的縱向坡角達(dá)到最大值,如圖7所示,局部?jī)A斜最大值為40.2/20000=0.002.5 管道安全性驗(yàn)算5.1 管道應(yīng)力驗(yàn)算 根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范查得,混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.1MPa,計(jì)算所得最大管道拉應(yīng)力為0.8 MPa,小于混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,故從管道應(yīng)力的角度可以判斷管道是安全的.5.2 局部?jī)A斜驗(yàn)算 根據(jù)文獻(xiàn)[1]的規(guī)定,采用承插式接頭的鑄鐵水管、鋼筋混凝土水管兩個(gè)接頭之間的局部?jī)A斜值不應(yīng)大于0.0025,計(jì)算最大局部?jī)A斜為0.002,小于控制值,管道的局部?jī)A斜符合規(guī)范要求.5.3 附加最大彎矩驗(yàn)算 Vorster等[4](2005)用彈性地基梁法推導(dǎo)了隧道開挖對(duì)鄰近管道的附加彎矩計(jì)算公式 式中:EⅠ為管道的彎曲剛度;Es為土體楊氏模量;r0是管道半徑.按照式(1)驗(yàn)算可得M=2.97kN.m.5.4 地表沉降槽限值驗(yàn)算 Smax/i=84·4×10-3/80=0·001<0·012,故該雨水管線是安全的.6 結(jié)論與建議 1)通過三維非線性彈塑性有限元法模擬地鐵車站施工對(duì)管線的影響,數(shù)值分析結(jié)果表明,施工期間管線能夠滿足變形與強(qiáng)度的要求.管線最大沉降為46mm,地表最大沉降為84mm.管線與周圍地層位移基本一致,管道對(duì)地層變形的抵制作用不明顯.施工期間管線最大拉應(yīng)力為0.82MPa. 2)通過管道縱向變形形態(tài)隨車站開挖的變化分析,發(fā)現(xiàn)管道的最不利形態(tài)發(fā)生在正下方導(dǎo)洞開挖階段,該階段管道出現(xiàn)最大局部?jī)A斜,施工中應(yīng)在管道正下方土體開挖階段加強(qiáng)監(jiān)測(cè). 3)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合,從而一定程度上驗(yàn)證了模型的正確性和可靠性. 4)管道的變形和強(qiáng)度值與極限值比較接近,為了保證管線的安全,應(yīng)采取先加固后施工的辦法,由地表和導(dǎo)洞內(nèi)向管道周圍土體進(jìn)行注漿加固,提高地層抗變形能力.參考文獻(xiàn):[1]GJB02-98·廣州地區(qū)建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)定[S].1998.GJB02-98·SpecificationforRetainingandProtectioninBuildingExcavationEngineeringinGuangzhouArea[S].1998.[2]AttewellPB,YeatesJ,SelbyAR.SoilMovementsIn-ducedbyTunnellingandTheirEffectsonPipelinesandStructures[M].London:BlackieandSonLtd.,1986.[3]O’RourkeTD,TrautmanCH.BuriedPipelineResponsetoTunnellingGroundMovements[C]∥Switzerland:Proc.Europipe’82Conf.,Basel,1982:5-12.[4]VorsterTEB,KlarA,SogaK.EstimatingtheEffectsofTunnelingonExistingPipelines[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,2005,131(11):1399-1410.
