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行安全性評估，預測開挖施工后上部結構的沉降和應力變化，得到以下結論：（1）由于隧道開挖，引起了土中應力變化，因此隧道開挖過程中框架橋的整體產生豎向沉降；（2）隧道初支拱頂位移向下，拱底出現隆起，位移向上，位移均在安全合理范圍內。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，并為管線隧道開挖支護方案提出指導性的意見。

關鍵詞：管線隧道開挖；既有線框架橋；沉降；位移；有限元軟件 文獻標識碼：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

隨著我國城市化進程的飛速發展，隧道開挖對于周圍環境的影響已經成為工程界廣泛關注的課題之一。大量的地鐵隧道工程實踐表明，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生整體下沉，其對于建筑物的穩定性和使用條件并不會產生太大的影響，但若沉降量較大，同時地下水位又較淺時，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，強度減低。

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

在隧道開挖施工過程中，由于開挖擾動、地層損失和固結沉降等因素會引起地層產生移動和變形，從而導致上部既有結構發生移動和變形。因此，上部既有結構變形的有效控制是選擇隧道開挖支護方案的關鍵，而軌道的絕對沉降和差異沉降又是變形控制的核心和關鍵。本文運用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行安全性評估，模擬隧道開挖過程，預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，評價該沉降量是否影響框架橋的正常運營及結構安全，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，對危險部位事先采取防范措施，為管線隧道開挖支護方案提出指導性的意見。

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。隧道在管棚防護下進行施工，管棚采用直徑為325mm鋼管，由兩側豎井對向夯進，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行設計。隧道與框架橋的位置關系如圖1和圖2所示：

2.2 工程地質條件

地層參數如表1所示。

地下水類型為潛水，埋深8.70～9.20m，標高21.03～21.82m，含水層主要為細砂③層，補給來源主要為大氣降水及地下徑流補給，以地下徑流為排泄方式。土體的物理力學指標如表1所示：

2.3 設計概況

隧道采用淺埋暗挖法施工。設計隧道內斷面凈寬為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。

由于鐵路框架橋對沉降要求非常高，在隧道穿越鐵路框架橋時，為保證框架橋基底的穩定，隧道需在管棚防護下進行施工，管棚采用壁厚14mm的管材。隧道側墻外土體加固采用小導管注漿超前支護的方法以確保施工安全。小導管采用Φ32普通鋼管，長度2.5m，間距每m設3根，搭接1.5m，外插角15°，布置在拱頂和邊墻的外側。注漿漿液采用水泥-水玻璃雙液漿。

3 有限元計算模型

采用巖土與隧道領域專用分析軟件Midas/GTS，根據工程實際情況，建立有限元計算模型，沿隧道方向取24m，上下高度取26m。

3.1 本構關系的選擇

土體選用Mohr-Coulomb屈服準則，框架橋、隧道和支護結構采用線彈性模型，線彈性模型遵從虎克定律，只有2個參數，即彈性模量E和泊松比v，應力應變在加卸載時呈線性關系，卸載后材料無殘余應變。當混凝土材料的應力水平較低時，按該模型計算應力應變關系基本符合實際情況。材料物理力學指標見表2：

3.2 計算模型和步驟

有限元計算模型如圖3所示。土體和隧道結構選用四節點三維實體單元，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，模擬土層實際滲流過程。之后建立初始自重應力場，計算模型中第一階段為土體開挖的初始階段，計算出土體在自重的作用下的位移場和應力場。

對計算模型進行隧道開挖模擬時，首先對左線隧道進行開挖，然后對右線隧道進行開挖，模型中左、右線隧道長度均為24m，故對每條隧道進行12次開挖，每次開挖深度為2m，開挖完成一步后加初支。隧道的動態開挖過程分為48個施工步，土體開挖和結構施作通過鈍化和激活單元實現。有限元計算步驟見表3：

表3 有限元計算開挖步驟定義

通過對隧道開挖過程的有限元分析，預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力變化，評價框架橋的正常運營及結構安全。

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。從計算結果可以得出，在管線隧道開挖過程中，框架橋總體位移情況是向下的，且框架橋左側沉降比右側沉降大。左線隧道開挖完成時，位移最大值出現在框架橋中部位置，最大值為1.114mm；右線隧道開挖完成時，位移最大值仍然出現在框架橋中部位置，最大位移值為1.25mm。

進行左線隧道開挖時位移值較進行右線隧道開挖時位移值增加幅度大，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 隧道應力分析

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

從左線隧道的第1次開挖到開挖結束后，拉應力減小幅度為0.8%，壓應力減小幅度為0.4%；右線隧道第1次開挖，拉應力減小幅度為0.04%，壓應力減小幅度為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，與框架橋一兩側形成沉降差，導致頂板中部出現拉應力區。整體來看，隧道開挖對框架橋的應力影響不大。

4.3 隧道初支位移

左線和右線隧道開挖后加初支時，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。當左線隧道開挖結束后，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；拱底出現隆起，最大隆起值為6.59mm。當右線隧道開挖結束后，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。

5 結語

本文通過數值模擬分析得到以下結論：（1）熱力管線隧道由于開挖擾動導致隧道上部既有線框架橋隨之發生移動和變形。通過對有限元計算分析，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力和壓應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力影響不大。熱力管線隧道施工會對上部既有線框架橋產生一定的影響，但在其理論計算的影響范圍內，能夠保證既有框架橋及其上部鐵路線的安全運營；（3）熱力管線隧道初支拱頂位移向下，最大位移為3.01mm；拱底出現隆起，位移向上，最大隆起值為6.90mm，位移均在理論計算的影響范圍內；（4）施工時，嚴格控制開挖步距，隨挖隨支，待支護達到一定強度時再開展下一步掘進工作。隧道周邊土體應采取加固補強措施，以利于增強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。

參考文獻

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

（責任編輯：陳 倩）