肖金花,李雄威,居尚威,代國(guó)忠

(1.常州市軌道交通發(fā)展有限公司，江蘇 常州 213000； 2.常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，江蘇 常州 213032)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增加，城市的交通壓力越來(lái)越大，發(fā)展軌道交通是緩解城市交通壓力的有效途徑之一。城市軌道交通建設(shè)施工過(guò)程中，避免不了隧道下穿市政管線(xiàn)的情況。在隧道施工中，如何保證市政管線(xiàn)的正常使用，減少隧道施工對(duì)周?chē)h(huán)境的影響非常重要。

目前關(guān)于隧道施工對(duì)周?chē)h(huán)境影響的研究主要有理論研究法和數(shù)值計(jì)算分析法，其中理論研究法最有影響的就是Peck公式[1]。Peck公式是美國(guó)R.B.Peck教授通過(guò)對(duì)大量工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的整理和分析，于1969年提出的地表沉降預(yù)測(cè)公式。經(jīng)過(guò)幾十年的工程實(shí)踐驗(yàn)證，Peck公式已經(jīng)成為一個(gè)經(jīng)典公式，通過(guò)Peck公式法獲得的地表沉降曲線(xiàn)與工程中實(shí)測(cè)沉降槽都有良好的吻合。數(shù)值計(jì)算分析法主要是通過(guò)有限元軟件，對(duì)隧道施工工況進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算分析隧道施工對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。范德偉等[2]研究了地鐵隧道施工影響下管線(xiàn)的內(nèi)力變化情況，基于Winkler彈性地基梁的研究表明，隧道開(kāi)挖影響下管線(xiàn)的最大位移出現(xiàn)在沉陷區(qū)的中間，最大彎矩和最大剪力出現(xiàn)在邊緣處。目前有限元法的主流應(yīng)用軟件包括PLAXIS、FLAC、ANSYS、MARC、ABAQUS等。吳為義[3]對(duì)盾構(gòu)隧道施工影響下地下管線(xiàn)的性狀進(jìn)行了研究，采用有限元軟件FLAC 3D對(duì)垂直管線(xiàn)、平行管線(xiàn)等不同情況進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析。魏綱等[4]采用三維有限元方法分析了暗挖隧道施工對(duì)地下管線(xiàn)的影響，研究結(jié)果表明，有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值較吻合，略大于實(shí)測(cè)值。孫海霞等[5]利用ABAQUS軟件模擬分析了不同條件盾構(gòu)隧道施工對(duì)地下管線(xiàn)沉降的影響。王曉峰[6]研究了大直徑盾構(gòu)隧道下穿地下管線(xiàn)對(duì)管線(xiàn)變形的影響并對(duì)管線(xiàn)的安全性控制進(jìn)行了探討。本文采用有限元軟件PLAXIS 3D，計(jì)算分析常州地鐵1號(hào)線(xiàn)區(qū)間盾構(gòu)施工對(duì)地下管線(xiàn)的影響。

1 PLAXIS軟件簡(jiǎn)介及本構(gòu)模型選擇

PLAXIS軟件是由代爾伏特理工大學(xué)在1987年研制的一款有限元分析程序。代爾伏特理工大學(xué)于1998年發(fā)布了第一版用于Windows系統(tǒng)的PLAXIS軟件，后來(lái)隨著技術(shù)逐漸成熟，PLAXIS不斷更新完善，目前PLAXIS 3D的最新版本為PLAXIS 3D 2016。

PLAXIS有限元軟件是擁有豐富材料單元和大量土體本構(gòu)模型的巖土數(shù)值分析軟件。其本構(gòu)模型中除常用的線(xiàn)彈性模型、摩爾-庫(kù)倫(M-C)模型、節(jié)理巖體(JR)模型、軟土蠕變(SSC)模型、軟土(SS)模型、修正劍橋(MCC)模型、霍克-布朗模型外，還有硬化土(HS)模型、小應(yīng)變硬化土(HSS)模型、NGI-ADP模型、Sekiguchi-Ohta模型、用戶(hù)自定義本構(gòu)模型等。

大量的工程實(shí)踐表明，在基坑與隧道的施工過(guò)程中，除了少部分土層會(huì)發(fā)生塑性變形外，絕大部分區(qū)域處于小應(yīng)變應(yīng)力狀態(tài)，土體應(yīng)變?cè)?.01%～0.1%[7-11]。本文數(shù)值計(jì)算采用小應(yīng)變硬化土本構(gòu)模型，土體參數(shù)來(lái)自常州典型土層的地勘報(bào)告和室內(nèi)土工試驗(yàn)。

2 工程概況

本文主要模擬計(jì)算常州地鐵1號(hào)線(xiàn)常州北站—新橋站的一段盾構(gòu)區(qū)間的施工對(duì)地表及地下管線(xiàn)的影響。此盾構(gòu)區(qū)間土層具備常州地區(qū)土層的典型特點(diǎn)，具有代表性。盾構(gòu)隧道主要在砂土層中，所選盾構(gòu)區(qū)間段下穿三條市政管線(xiàn)。

區(qū)間所處地層及盾構(gòu)隧道位置見(jiàn)圖1。土層參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 盾構(gòu)隧道位置圖(單位：m)

表1 土層基本參數(shù)

表1(續(xù))

3 隧道盾構(gòu)施工數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型

本文采用有限元軟件PLAXIS 3D模擬盾構(gòu)隧道的開(kāi)挖過(guò)程，土質(zhì)性狀相近的土層合并為一層土層，計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 計(jì)算模型圖

土體采用小應(yīng)變硬化土本構(gòu)模型，其小應(yīng)變參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 土體小應(yīng)變參數(shù)

采用板單元模擬盾構(gòu)機(jī)，用混凝土材料模擬已經(jīng)完成襯砌的隧道，在等效剛度的原則下采用梁?jiǎn)卧M管線(xiàn)，采用面荷載模擬盾構(gòu)機(jī)頭的土倉(cāng)壓力、盾構(gòu)機(jī)尾的注漿壓力和千斤頂?shù)耐屏?。盾?gòu)機(jī)、管線(xiàn)和襯砌材料的參數(shù)見(jiàn)表3、表4。

表3 盾構(gòu)機(jī)材料參數(shù)

表4 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)

3.2 盾構(gòu)隧道垂直下穿管線(xiàn)計(jì)算結(jié)果數(shù)值計(jì)算分析

本文數(shù)值模擬計(jì)算先定義25 m的已完成隧道，采用混凝土定義隧道的襯砌結(jié)構(gòu)，在隧道前用7.4 m的板單元模擬盾構(gòu)機(jī)頭，采用線(xiàn)收縮的方式模擬盾構(gòu)機(jī)頭的超挖現(xiàn)象以及開(kāi)挖過(guò)程的地層損失，根據(jù)國(guó)內(nèi)地鐵施工經(jīng)驗(yàn)，地層損失率設(shè)為0.5%。盾構(gòu)機(jī)頭和機(jī)尾用線(xiàn)性增量的面荷載模擬不同深度的注漿壓力和土倉(cāng)壓力，盾構(gòu)機(jī)頭往前掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)尾同時(shí)結(jié)束注漿，再用混凝土結(jié)構(gòu)襯砌，如此反復(fù)，模擬盾構(gòu)機(jī)的開(kāi)挖過(guò)程，在盾構(gòu)機(jī)尾下穿過(guò)管線(xiàn)，完成襯砌后，此時(shí)的管線(xiàn)變形情況基本代表隧道穿過(guò)管線(xiàn)后的情況。

在本節(jié)的數(shù)值模擬中，采用的是幾何軸對(duì)稱(chēng)模型，即以隧道中心線(xiàn)的垂線(xiàn)為對(duì)稱(chēng)軸，計(jì)算隧道開(kāi)挖過(guò)程中隧道半邊的變形情況，而隧道另一半邊的變形情況可認(rèn)為與計(jì)算的這半邊一致，在此基礎(chǔ)上繪制出隧道兩邊地表、管線(xiàn)受影響的情況。

1)土層豎向變形分析

隧道穿過(guò)管線(xiàn)后，管線(xiàn)垂直方向上土層的豎向變形云圖如圖3所示，管線(xiàn)垂直上方的地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比如圖4所示。

圖3 管線(xiàn)垂直方向上土層變形云圖(單位：10-3m)

圖4 管線(xiàn)上方地表沉降計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比

在盾構(gòu)隧道下穿土層后，隧道上方土層由于隧道掘進(jìn)過(guò)程中的土層損失而出現(xiàn)沉降，而且土層越深，越接近隧道，土層的豎向變形越大。隧道盾構(gòu)施工引起的地表沉降，其曲線(xiàn)與理論上的高斯曲線(xiàn)相符合，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值計(jì)算的地表沉降曲線(xiàn)也很好地吻合，說(shuō)明了計(jì)算模型的適用性，參數(shù)的選取也較為合理。

2)管線(xiàn)豎向變形分析

盾構(gòu)隧道穿過(guò)管線(xiàn)后管線(xiàn)的豎向變形情況如圖5所示。

圖5 管線(xiàn)豎向變形

管線(xiàn)豎向沉降計(jì)算數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖6。

圖6 管線(xiàn)豎向沉降模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

隧道垂直下穿管線(xiàn)后，管線(xiàn)最大沉降出現(xiàn)在隧道的正上方，沉降值隨著管線(xiàn)距隧道距離的增加而減小。對(duì)比計(jì)算數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，管線(xiàn)的豎向沉降曲線(xiàn)具有相同的變形規(guī)律，數(shù)值計(jì)算的最大沉降值略大于監(jiān)測(cè)值，但在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，由此可認(rèn)為數(shù)值計(jì)算結(jié)果能夠比較客觀地反映實(shí)際情況。

在盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖過(guò)程中，管線(xiàn)變形與管線(xiàn)距離盾構(gòu)機(jī)頭刀盤(pán)水平距離的關(guān)系見(jiàn)圖7。對(duì)比可見(jiàn)，計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較吻合，能夠反映盾構(gòu)隧道開(kāi)挖進(jìn)程中隧道中心線(xiàn)上方管線(xiàn)最大沉降變化情況。盾構(gòu)機(jī)頭刀盤(pán)未到達(dá)管線(xiàn)位置時(shí)，管線(xiàn)出現(xiàn)微小隆起，刀盤(pán)到達(dá)管線(xiàn)正下方時(shí)，管線(xiàn)沉降速度增大，在盾構(gòu)機(jī)尾注漿結(jié)束、襯砌完成后，管線(xiàn)沉降出現(xiàn)略微回升，之后趨于平穩(wěn)。

圖7 管線(xiàn)最大沉降與管線(xiàn)距刀盤(pán)水平距離關(guān)系

3)管線(xiàn)內(nèi)力計(jì)算分析

盾構(gòu)隧道下穿后，管線(xiàn)最大軸力分別為6.79、-6.70 kN。管線(xiàn)最大剪力為0.71 kN，管線(xiàn)最大彎矩為0.34 kN·m。區(qū)間隧道的盾構(gòu)施工擾動(dòng)了周?chē)耐翆樱蚱屏嗽瓉?lái)的應(yīng)力平衡，處于土層中的管線(xiàn)也受到擾動(dòng)，管線(xiàn)發(fā)生位移、變形，管線(xiàn)內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，這是導(dǎo)致管線(xiàn)失效或破壞的主要原因。

3.3 不同條件下盾構(gòu)隧道下穿管線(xiàn)數(shù)值計(jì)算分析

1)管線(xiàn)埋深對(duì)管線(xiàn)變形的影響

本文中隧道埋深為9.5～15.7 m，一般管線(xiàn)的埋深為1～5 m。為了研究管線(xiàn)埋深對(duì)管線(xiàn)變形的影響，在地下0.5～6.5 m的堅(jiān)直線(xiàn)上，間隔0.5 m，分別模擬不同埋深下管線(xiàn)的變形情況。管線(xiàn)內(nèi)力隨管線(xiàn)埋深的變化如圖8—10所示。

圖8 管線(xiàn)最大軸力與管線(xiàn)埋深關(guān)系

圖9 管線(xiàn)最大剪力與管線(xiàn)埋深關(guān)系

圖10 管線(xiàn)最大彎矩與管線(xiàn)埋深關(guān)系

從管線(xiàn)內(nèi)力與管線(xiàn)埋深關(guān)系可以看出，盾構(gòu)隧道施工影響下，管線(xiàn)內(nèi)力隨著管線(xiàn)埋深的增加而增加。當(dāng)管線(xiàn)埋深為0.5 m時(shí)，管線(xiàn)的最大軸力、最大剪力、最大彎矩分別為7.55 kN、0.8 kN、0.36 kN·m,在管線(xiàn)埋深達(dá)到6.5 m時(shí)，管線(xiàn)的最大軸力、最大剪力、最大彎矩分別為164.1 kN、8.52 kN、2.91 kN·m，內(nèi)力有明顯增大，其中，最大軸力增大了20.7倍，最大剪力增大了9.7倍，最大彎矩增大了7.1倍。其原因是管線(xiàn)埋深越大，越接近隧道，管線(xiàn)的變形越大，內(nèi)力也隨之增大。因此，在實(shí)際工程中，尤其要注意對(duì)埋深較深、靠近隧道處的管線(xiàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和保護(hù)。

管線(xiàn)最大沉降與管線(xiàn)埋深關(guān)系見(jiàn)圖11，可以明顯看出，管線(xiàn)的最大沉降隨著管線(xiàn)埋深的增加而增加，從埋深0.5 m到6.5 m，最大沉降增幅為12.6%，說(shuō)明管線(xiàn)埋深對(duì)管線(xiàn)沉降有一定影響。

圖11 管線(xiàn)最大沉降與管線(xiàn)埋深關(guān)系

2)不同剛度材料管線(xiàn)對(duì)管線(xiàn)變形的影響

不同材質(zhì)的管線(xiàn)剛度不同，本文對(duì)目前實(shí)際工程中所應(yīng)用的幾種材質(zhì)按材料類(lèi)型逐一進(jìn)行了數(shù)值模擬，不同材質(zhì)管線(xiàn)剛度見(jiàn)表5。

表5 不同材料管線(xiàn)剛度表

文中在保持其他因素不變的條件下，對(duì)埋深1.4 m的不同材料的管線(xiàn)進(jìn)行數(shù)值模擬。不同材質(zhì)管線(xiàn)在隧道下穿管線(xiàn)后，管線(xiàn)的內(nèi)力情況如圖12—14所示?？梢钥闯?，管線(xiàn)的內(nèi)力基本隨著剛度的增大而增大。盾構(gòu)隧道的開(kāi)挖引起土層的地層損失，管線(xiàn)埋于土中，管土相互作用下，管線(xiàn)也產(chǎn)生一定的變形。由于管土之間的剛度差異，管土的變形不能協(xié)調(diào)一致，管線(xiàn)中便會(huì)產(chǎn)生內(nèi)力。管線(xiàn)剛度越大，管土剛度比越高，管土之間的變形協(xié)調(diào)越差，管體產(chǎn)生的內(nèi)力越大。

圖12 管線(xiàn)最大軸力與管線(xiàn)剛度關(guān)系

圖13 管線(xiàn)最大剪力與管線(xiàn)剛度關(guān)系

圖14 管線(xiàn)最大彎矩與管線(xiàn)剛度關(guān)系

圖15 管線(xiàn)最大沉降與管土剛度比關(guān)系

管線(xiàn)的最大沉降與管土剛度比的關(guān)系如圖15所示?？梢钥闯觯芡羷偠缺仍酱?，管線(xiàn)沉降越小，提高管線(xiàn)剛度可以減小最大沉降值。同時(shí)，對(duì)于剛度較小的柔性管道，剛度的提高對(duì)于減小沉降值的效果明顯高于剛度較大的剛性管道。從數(shù)值模擬數(shù)據(jù)中看，對(duì)于柔性管道剛度提高了3倍，沉降值減幅1.86%；而對(duì)于剛性管道，剛度提高5.86倍，沉降值減幅只有0.08%。

4 結(jié)論

1)本文所采用的小應(yīng)變硬化土本構(gòu)模型在常州區(qū)域地鐵隧道施工模擬計(jì)算方面具有比較好的適用性，所選取的常州區(qū)域典型土層參數(shù)也比較合理，可以為今后常州區(qū)域地鐵施工預(yù)測(cè)提供借鑒。

2)從計(jì)算數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比情況看，地表和地下管線(xiàn)的變形曲線(xiàn)都能比較好地吻合，地表和管線(xiàn)最大沉降計(jì)算值分別為5.7 mm和5.9 mm略大于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的4.2 mm和3.4 mm，但計(jì)算數(shù)據(jù)的沉降影響范圍要小于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3)通過(guò)控制變量的方法，研究了不同因素對(duì)管線(xiàn)的影響情況。隧道與管線(xiàn)的不同位置關(guān)系對(duì)管線(xiàn)影響明顯，位于管線(xiàn)中心線(xiàn)處的管線(xiàn)沉降要明顯大于其他位置。管線(xiàn)的埋深對(duì)管線(xiàn)也有著一定影響，管線(xiàn)埋深越深，變形越大，管線(xiàn)內(nèi)力也增大，管線(xiàn)埋深從0.5m增至6.5 m，管線(xiàn)沉降值增幅13.6%，管線(xiàn)軸力、剪力和彎矩分別增大至21.7倍、10.7倍和8.1倍。常州區(qū)域土層中管土剛度比對(duì)管線(xiàn)沉降的影響不明顯。

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