地鐵車站施工對鄰近管線影響的三維數值模擬摘 要:隨著城市建設步伐的加快,地鐵工程施工對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,詳細模擬了車站施工過程對鄰近管線的影響.計算結果與現場量測數據基本吻合,驗證了數值分析的可靠性.通過管道應力、局部傾斜、附加最大彎矩和地表沉降槽限值的驗算,對管線的安全性進行了評估.關鍵詞:地鐵工程;地下管線;數值模擬;管-土相互作用 目前,北京多條地鐵線路同時開工,地鐵工程影響鄰近管線問題已成為地鐵施工的重點和難點.地鐵開挖引起鄰近煤氣管泄露、水管爆裂、電纜斷裂的情況,國內外均有報道.如何在施工中有效控制開挖引起的地層移動,保護鄰近管線的安全,并對管線安全性做出合理的判斷,已經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、支護形式、管線材質、接頭類型、管道-隧道相對位置變化較大,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測結果.隨著有限元、有限差分以及邊界元的發展,數值方法可以有效彌補上述方法存在的局限性.本文作者針對北京地鐵的具體工程,用ABAQUS程序進行車站施工影響鄰近管線的三維非線性彈塑性分析,預測各施工階段管道的沉降,結合現場監控量測數據對管道的安全性進行評價.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導洞的洞樁法施工.施工導洞初期支護均為馬蹄形結構,下導洞采用雙側壁導坑法開挖,上導洞采用交叉中隔壁法施工.車站的施工環境非常復雜,周圍存在大量的地下管線.選取距離隧道結構最近的雨水管作為研究對象,其與相對車站的位置關系如圖1所示.詳細的施工步驟見圖2,其中1~14為開挖面序號.
2 管線控制標準與安全判別方法 目前我國還沒有統一的管線變形控制標準.一方面,管線現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準難以確定.另一方面,國內外可以借鑒的地下管線控制標準比較少,除文獻[1]在條文中有明確規定之外,Attewell等[2]曾提出一些經驗性控制標準,其他可供參考資料較少.在判別地下管線的安全性時,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受彎應力判斷.管節中的縱向彎曲應力應小于容許值,當彎曲應力小于容許值時,管道可安全使用,否則,管道可能產生斷裂或泄漏.柔性管安全性一般由管道的允許曲率半徑和接頭張角進行安全判別. O’Rourke&Trautman[3]提出了一種管線損害評估的經驗法,主要參考指標是管線可能損害處的地層移動坡角值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的距離.在砂層中的淺埋隧道,規定了橫向沉降槽的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鄰近管線影響需要解決的難點,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先確定哪些點的位移相等,不能精確模擬接觸面在變形過程中的實際情況.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滑移. 采用主-從面接觸模型模擬管-土相互作用時,管道作為主接觸面,土體作為從接觸面,形成一個接觸對.接觸面的相互作用按切向和法向分別定義,即切向接觸時,管土節點一旦接觸,就不再發生相對滑動;法向接觸時,允許管土節點相互分離.4 計算過程與結果4.1 模型與參數 1)計算模型取中跨拱圈的圓心作為模型的原點,上邊界取到地表,下邊界自結構底板向下取11m,模型總高為35m.模型寬度取125m,線路縱向考慮邊界效應取20m.模型計算范圍、土層分布、管線和車站結構的位置關系如圖1所示.由此建立的計算模型網格如圖3所示,圖3中不同灰度代表不同的開挖或支護區域.模型的邊界條件取地表為自由邊界,其他5個面為滾軸約束. 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,取原設計彈性模量的80%進行計算.管道采用承插式接口,承口環和插口環均用扁鋼壓制成型,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,設計直徑為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關系和莫爾-庫侖屈服準則的空間等參實體單元模擬.二次襯砌采用彈性本構關系的空間等參實體單元模擬. 5)由于實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為管道沉降的時程曲線.表2為各施工階段地表和管道累計沉降最大點的沉降量及沉降比例. 通過與監測結果的對比,發現沉降槽計算結果與實測數據趨勢上基本吻合,計算結果比實測結果偏大近9mm,且實測管道沉降有局部上抬現象.這主要是由于施工中的初支回填注漿作用在計算中沒有考慮,故計算管道沉降大于監測值.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,在上部左導洞第4部開挖時出現縱向最大局部傾斜.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· 管道在上左導洞開挖時出現最不利變形,此時的縱向坡角達到最大值,如圖7所示,局部傾斜最大值為40.2/20000=0.002.5 管道安全性驗算5.1 管道應力驗算 根據混凝土結構設計規范查得,混凝土強度設計值為1.1MPa,計算所得最大管道拉應力為0.8 MPa,小于混凝土的強度設計值,故從管道應力的角度可以判斷管道是安全的.5.2 局部傾斜驗算 根據文獻[1]的規定,采用承插式接頭的鑄鐵水管、鋼筋混凝土水管兩個接頭之間的局部傾斜值不應大于0.0025,計算最大局部傾斜為0.002,小于控制值,管道的局部傾斜符合規范要求.5.3 附加最大彎矩驗算 Vorster等[4](2005)用彈性地基梁法推導了隧道開挖對鄰近管道的附加彎矩計算公式 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)驗算可得M=2.97kN.m.5.4 地表沉降槽限值驗算 Smax/i=84·4×10-3/80=0·001<0·012,故該雨水管線是安全的.6 結論與建議 1)通過三維非線性彈塑性有限元法模擬地鐵車站施工對管線的影響,數值分析結果表明,施工期間管線能夠滿足變形與強度的要求.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,管道對地層變形的抵制作用不明顯.施工期間管線最大拉應力為0.82MPa. 2)通過管道縱向變形形態隨車站開挖的變化分析,發現管道的最不利形態發生在正下方導洞開挖階段,該階段管道出現最大局部傾斜,施工中應在管道正下方土體開挖階段加強監測. 3)數值計算結果與現場監測結果基本吻合,從而一定程度上驗證了模型的正確性和可靠性. 4)管道的變形和強度值與極限值比較接近,為了保證管線的安全,應采取先加固后施工的辦法,由地表和導洞內向管道周圍土體進行注漿加固,提高地層抗變形能力.參考文獻:[1]GJB02-98·廣州地區建筑基坑支護技術規定[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 管線控制標準與安全判別方法 目前我國還沒有統一的管線變形控制標準.一方面,管線現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準難以確定.另一方面,國內外可以借鑒的地下管線控制標準比較少,除文獻[1]在條文中有明確規定之外,Attewell等[2]曾提出一些經驗性控制標準,其他可供參考資料較少.在判別地下管線的安全性時,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受彎應力判斷.管節中的縱向彎曲應力應小于容許值,當彎曲應力小于容許值時,管道可安全使用,否則,管道可能產生斷裂或泄漏.柔性管安全性一般由管道的允許曲率半徑和接頭張角進行安全判別. O’Rourke&Trautman[3]提出了一種管線損害評估的經驗法,主要參考指標是管線可能損害處的地層移動坡角值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的距離.在砂層中的淺埋隧道,規定了橫向沉降槽的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鄰近管線影響需要解決的難點,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先確定哪些點的位移相等,不能精確模擬接觸面在變形過程中的實際情況.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滑移. 采用主-從面接觸模型模擬管-土相互作用時,管道作為主接觸面,土體作為從接觸面,形成一個接觸對.接觸面的相互作用按切向和法向分別定義,即切向接觸時,管土節點一旦接觸,就不再發生相對滑動;法向接觸時,允許管土節點相互分離.4 計算過程與結果4.1 模型與參數 1)計算模型取中跨拱圈的圓心作為模型的原點,上邊界取到地表,下邊界自結構底板向下取11m,模型總高為35m.模型寬度取125m,線路縱向考慮邊界效應取20m.模型計算范圍、土層分布、管線和車站結構的位置關系如圖1所示.由此建立的計算模型網格如圖3所示,圖3中不同灰度代表不同的開挖或支護區域.模型的邊界條件取地表為自由邊界,其他5個面為滾軸約束. 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,取原設計彈性模量的80%進行計算.管道采用承插式接口,承口環和插口環均用扁鋼壓制成型,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,設計直徑為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關系和莫爾-庫侖屈服準則的空間等參實體單元模擬.二次襯砌采用彈性本構關系的空間等參實體單元模擬. 5)由于實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為管道沉降的時程曲線.表2為各施工階段地表和管道累計沉降最大點的沉降量及沉降比例. 通過與監測結果的對比,發現沉降槽計算結果與實測數據趨勢上基本吻合,計算結果比實測結果偏大近9mm,且實測管道沉降有局部上抬現象.這主要是由于施工中的初支回填注漿作用在計算中沒有考慮,故計算管道沉降大于監測值.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,在上部左導洞第4部開挖時出現縱向最大局部傾斜.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· 管道在上左導洞開挖時出現最不利變形,此時的縱向坡角達到最大值,如圖7所示,局部傾斜最大值為40.2/20000=0.002.5 管道安全性驗算5.1 管道應力驗算 根據混凝土結構設計規范查得,混凝土強度設計值為1.1MPa,計算所得最大管道拉應力為0.8 MPa,小于混凝土的強度設計值,故從管道應力的角度可以判斷管道是安全的.5.2 局部傾斜驗算 根據文獻[1]的規定,采用承插式接頭的鑄鐵水管、鋼筋混凝土水管兩個接頭之間的局部傾斜值不應大于0.0025,計算最大局部傾斜為0.002,小于控制值,管道的局部傾斜符合規范要求.5.3 附加最大彎矩驗算 Vorster等[4](2005)用彈性地基梁法推導了隧道開挖對鄰近管道的附加彎矩計算公式 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)驗算可得M=2.97kN.m.5.4 地表沉降槽限值驗算 Smax/i=84·4×10-3/80=0·001<0·012,故該雨水管線是安全的.6 結論與建議 1)通過三維非線性彈塑性有限元法模擬地鐵車站施工對管線的影響,數值分析結果表明,施工期間管線能夠滿足變形與強度的要求.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,管道對地層變形的抵制作用不明顯.施工期間管線最大拉應力為0.82MPa. 2)通過管道縱向變形形態隨車站開挖的變化分析,發現管道的最不利形態發生在正下方導洞開挖階段,該階段管道出現最大局部傾斜,施工中應在管道正下方土體開挖階段加強監測. 3)數值計算結果與現場監測結果基本吻合,從而一定程度上驗證了模型的正確性和可靠性. 4)管道的變形和強度值與極限值比較接近,為了保證管線的安全,應采取先加固后施工的辦法,由地表和導洞內向管道周圍土體進行注漿加固,提高地層抗變形能力.參考文獻:[1]GJB02-98·廣州地區建筑基坑支護技術規定[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.