盾構施工對航油管道的擾動效應

趙方冉，李春波，李 岳

(中國民航大學機場學院，天津 300300)

0 引言

隨著城市綜合交通設施技術的發展，我國許多大中型機場都在或即將進行機場場區的地下穿越工程施工，而大型機場場區地下分布著各類管道，其中航油管道在貫穿場區的同時，分布于機坪地下。當在該區域進行地下盾構施工時，航油管道除了要承受上部飛機荷載的作用外，還會因地下土體支撐能力的減弱而產生過度位移，以至產生破裂。因此，在穿越管道施工前，需要科學分析和評價其安全可靠性。

盡管我國在穿越飛行區盾構施工方面已經有成功的案例，如北京地鐵機場支線T2在修建過程中就采用盾構施工穿越了2條飛機滑行線和4個停機位;虹橋機場完成了2條穿越跑道、滑行道與機坪的盾構施工隧道;臺灣桃園國際機場也利用盾構施工修建了1條穿越機場滑行道的聯外捷運系統［1］;重慶地鐵下穿江北機場跑道［2］。盡管上述穿越工程本身達到設計要求，但是，穿越施工對其上部航油管道的影響情況尚不清楚，更缺乏這些穿越工程對既有航油管道影響的科學評價，這使得未來越來越多機場的穿越施工對既有航油管道的影響仍處于未知狀態。

目前，在地下盾構施工對既有管線受力及變形影響規律方面已有大量研究。但現有成果集中研究盾構施工工藝、隧道與管道不同參數等因素下隧道開挖對管道的影響規律［3－6］，很少耦合其他附加荷載。然而，管道在隧道開挖過程中會受到各種因素的影響而產生位移，特別是地下航油管道在同時承受上部飛機荷載作用和下部土體擾動的情況下，其受力狀態更為復雜，管道位移過度的風險也更大。因此，研究飛機荷載與隧道施工耦合作用對航油管道的影響規律對機場下穿越施工具有重要的指導意義。

1 航油管道安全可靠性的評價

1.1 評價方法

航油管道多為道面以下2 m左右的直埋管道，該管道除了承受基本土壓力外，還承受著道面上運行或停放飛機的附加荷載，使得管道本身正常情況下就處于較高的受力狀態;而當管道下部實施盾構等作業時，下部土體支撐能力的降低還會增大管體的結構受力，從而加劇了對管道的破壞作用。

在各類荷載作用下，鋼質航油管道結構保持安全的可靠性評價主要采用以下方法:

1)判定管體損傷的最大應力法。其判別式為:

式中:σmax為管道上所受到的最大應力;［σ］為管道材料的許用應力。

校核管道強度時應考慮軸向應力及環向應力，根據最大應力法原理，只有管體軸向應力及環向應力在滿足式(1)的情況下才會保持管體結構的安全可靠。

2)判定管道縱向失穩的臨界軸向力法［7］。埋地直線管道開始失穩的臨界軸向力

式中:K為土壤法向阻力系數，MPa/m;E為管材彈性模量;I'為鋼管橫截面慣性矩;E'為回填土的變形模量;μ0為回填土泊松比;h0為管道中心至地面距離;D為管道直徑。

依據臨界軸向力法，只有管道軸向力小于計算臨界值的情況下才能保證其結構縱向穩定狀態。

3)判定管道徑向穩定的容許徑向變形［7］。航油管道因外荷載作用而產生徑向變形，徑向變形過大將導致管道失去徑向穩定性而“被壓癟”。為保證其徑向穩定性，限定管道最大水平徑向變形量不得超過管道外徑的3%。

根據現有計算方法，管道安全的前提就是管體應力和管道縱向軸力及徑向變形滿足上述要求，否則，就難以保證管道的安全可靠。

1.2 影響管道結構安全的場地土體沉降

當在航油管道下進行盾構等掘進作業時，下部土體有可能受到擾動而降低其對管道的支撐作用，其降低程度主要取決于下部土體的沉降量;因此，盾構施工過程導致管道下部土體沉降量的大小成為影響該既有管道安全可靠性的關鍵因素之一。

關于盾構開挖所引起的土體沉降規律，Peck在1969年得出隧道開挖過程中隧道軸線方向土體橫向沉降符合正態分布［8］，并且得出經驗公式;然而，該經驗公式僅能反映地表沉降。姜忻良等［9］針對其不能反映土體不同深度處橫向沉降槽的缺陷，研究總結了橫向沉降槽系數i隨深度的數值對應關系。據此，本文推導了距隧道軸線水平面不同間距H處地層的橫向沉降槽分布公式，如圖1所示。

圖1 土體內橫向沉降槽分布Fig.1 Pattern of ground settlement trough

地表處橫向沉降槽反彎點至隧道軸線i取Laganathan值［10］，則不同間距處iH取值為:

式(4)中由于R取值為隧道半徑，就針對研究問題實際情況而言，R 取值范圍為［0.5，8］，故 R0.05取值接近于1，故距隧道不同間距H處橫向沉降槽分布公式為:

式中Vi為地層損失率。地層損失率與盾構施工過程中刀盤超開挖間隙、注漿壓力、土體開挖面彈塑性變形及施工工藝有關，由于影響因素較多，根據經驗，黏土地層損失率取值為1%。

理論分析認為管道軸線位置處土層沉降分布即為管道的沉降分布曲線，式(6)中A即為管道最大沉降值，上述公式還表明土質參數與隧道埋深一定時，管道最大沉降值與距隧道軸線垂直距離成反比。從上述研究結果來看，管道下土體的沉降量隨著管道與隧道間土層厚度的減薄而增大。由于機場區域的地下隧道深度多為10 m左右，而其航油管道埋深為2 m左右，除了管道尺寸和隧道尺寸外，管道底部至隧道頂部的土層厚度多在8 m以下。因此，在土壤地質較差的環境中，盾構施工造成的沉降，對管道下土體支撐力的降低效果明顯，從而影響其可靠性。

航油管道在飛機附加荷載作用下，管道底部土體本身就承受著較高的應力，當其下部盾構施工過程中的土體擾動效應傳遞到管道底部應力范圍內時，若土體支撐能力降低過大，則會引發管道的變形，甚至產生結構破壞現象。從式(6)所反映的規律來看，當管道底部距盾構隧道上部土層厚度過薄時，更容易產生較大的土體沉降和增加管道應力。

為探討土層厚度、管道與隧道相對交錯位置對沉降效應的影響規律，分別利用ABAQUS有限元軟件對上述不同情況下的土層沉降進行數值模擬研究。

2 航油管道下盾構施工的土體沉降數值模擬

2.1 模型構建條件與選取參數

1)假設條件。①管道與土體始終保持接觸;②管道上道面板為整塊板與土基始終保持接觸。

2)模型參數。模型土體邊界范圍為土基上部為停機坪道面板，將道面板下基層及墊層換算成混凝土板當量厚度，故道面板結構總厚度取0.5 m。管道方向x=70 m，隧道方向y=40 m，豎直方向z=30 m。該土體范圍經驗證能滿足計算要求。

數值模擬結構參數分別采用 φ1 000 mm，壁厚10 mm的鋼管，管材模量2×105MPa，泊松比0.2。管材強度取規范中最低屈服強度175 MPa，考慮到機場區域設計系數取為0.4，則航油管道的容許應力［σ］為70MPa。模型土體采用均質黏土，重度16.6 kN/m3，彈性模量 9.5 MPa，黏聚力 26.2 kPa，泊松比0.35。土體本構模型采用Mohr－Coulomb模型。由于土體范圍足夠大，土體各面采用法向約束。管頂埋深2 m，管道與隧道之間土層間隔厚度為8 m，初始夾角為90°。管道及盾構施工參數如表1所示。

基于上述參數模擬管道上部道面在承受飛機荷載時的受力狀態，其中以B747－400飛機靜荷載為例，選取輪胎胎壓為1.35 MPa，輪印長寬分別為58.89 cm和35.33 cm，該荷載的最不利位置為管道正上方。其有限元模型如圖2所示。

表1 有限元模型計算參數Table 1 Calculation parameters for finite element model

圖2 航油管道下穿盾構施工時受力有限元分析模型Fig.2 FEM of shield boring crossing underneath aviation oil pipeline

2.2 管道下盾構施工的ABAQUS模擬

2.2.1 盾構施工對管道影響的ABAQUS模擬過程

利用ABAQUS有限元軟件研究地埋管道下盾構施工的土體沉降變形，以及由其引起管道的變形及受力狀態變化，以管道底部與土體接觸面為監測點，管道初始位移為0，第1分析步為地應力平衡，使管道的初始位移接近于0。第2分析步開始作用飛機荷載，此時管道出現較大幅度的沉降。隧道開挖過程中考慮到盾構對待開挖土體的擾動效應在開挖前對其進行卸荷［11］，然后再開挖相應的土體并激活襯砌與注漿體，該卸荷過程同樣使管道出現向下的位移。然而，開挖引起的隧道下部土體回彈由剛度較大的襯砌向上擴散進而使管道產生向上的位移增量，因而管道沉降呈現鋸齒形的波動狀態，但總位移量是向下并且逐步增加，隨著開挖面的遠離管道沉降趨于穩定。

數值模擬中首先在道面板上施加飛機荷載，然后進行盾構隧道的開挖，當管道上覆蓋道面并施加飛機附加荷載時，使管道具有較大的初期應力水平，在隧道開挖面逐漸逼近并遠離管道的過程中，管道應力逐步增大。當開挖面處于管道軸線兩側時，應力增幅達到最大。隨著開挖面逐漸遠離，管道應力增幅逐漸減小且應力水平趨于穩定。

2.2.2 埋地管道下盾構施工擾動時的理論計算分析

數值模擬首先對無道面結構的土面區進行盾構隧道施工開挖模擬。根據式(4)解得i8=7.51m，將地層損失率及i8值帶入式(6)進而求得地表橫向最大沉降量為9.56 mm。最后將地表沉降的Peck公式理論解與數值計算解繪制成圖(如圖3所示)。

圖3 沉降理論計算值與數值模擬分析值對比圖Fig.3 Comparison and contrast between theoretically-calculated settlement and numerically-simulated settlement

由圖3可知，隧道中心軸線兩側的沉降呈對稱分布，解析計算和數值模擬結果分布相近。而盾構施工過程中支護和壁后注漿難以完全彌補開挖面臨空所形成的內縮，造成數值模擬土體損失過大而使地表沉降值更大。

2.2.3 停機坪道面板及飛機荷載影響分析

盾構施工分別在無上部附加荷載的土面區、存在飛機附加荷載的機坪下進行時，施工過程對土體位移及管道變形影響具有較明顯的差異。

無附加荷載土面區管道的埋深處土體沉降理論值及數值計算，已知管道埋深2.5 m，由式(6)得2.5 m深度處最大沉降量Smax=10.13mm，由式(4)得i=7.96 m。

當埋置于道面板下管道的下方進行盾構施工時，飛機荷載作用與盾構施工作用相耦合必然會導致管道遭受更大的附加應力。特別是在機場不停航施工情況下，飛機著陸或滑行中顛簸振動所產生沖擊荷載效應更會加劇管道的附加應力，假設處于一般顛簸狀態下運行的飛機振動沖擊系數為1.1，則取豎向荷載為靜載的1.1倍進行數值模擬分析，可得出該管道所遭受的附加應力效應。

按照上述計算方法，分別計算出上覆土面層、道面板并附加B 747－400飛機靜載或動載情況下的管道底部土體的沉降值、沉降反彎點距管道中心軸線的水平距離(如圖4所示)以及管道所遭受的最大附加應力情況(如表2所示)。

圖4表明:當飛機附加荷載作用于管道上方并且進行下部盾構施工時，飛機荷載通過道面板及土介質傳遞的集中荷載，會顯著加劇盾構施工過程中管道的的下沉位移，最多可使管道局部下沉10 mm。管道局部下沉的后果直接導致管道遭受更大的附加應力。

表2的數值模擬結果表明:在飛機荷載作用下，若在管道下穿越盾構施工，將直接導致處于其間管道的應力增大;特別是當飛機處于滑行狀態時，由于振動沖擊所產生荷載效應，使得下埋管道的最大軸向應力增量可達到38.4 MPa，附加應力要比一般土面埋置區高1倍以上，而其環向附加應力增量幅度提高近1倍。

圖4 管道沉降對比圖Fig.4 Calculated settlement of aviation oil pipeline

表2 不同上覆荷載時下穿盾構對管道產生的附加應力Table 2 Additional stress on aviation oil pipeline induced by shield boring under different loads MPa

2.2.4 地下穿越對不同埋深管道的擾動效應

利用ABAQUS軟件進行有限元數值模擬的結果表明，當地表附加飛機荷載的情況下，在地下10.67 m深處的穿越施工，當管道軸線距地表埋深分別為1.5，2.5，3.5 m時，盾構施工對管道擾動所產生的沉降和內部應力狀態如表3所示。

表3 道面上有飛機荷載時下穿隧道對不同埋深管道的擾動效應Table 3 Disturbance effect of shield boring crossing underneath aviation oil pipeline with different cover depths when there is airplane on the ground surface

從數值模擬結果來看:隨著管道埋深的不斷增大，管道距離隧道間距越來越小，而上部飛機荷載的作用效應則會降低。埋深增大時由于與盾構隧道間距更近使環向應力有所增加，同樣下部盾構施工所造成的軸向應力也明顯增大。

另外，數值模擬結果顯示:管道的水平徑向變形隨著管道埋深的增大先變小然后逐漸變大，這是由于埋深較淺管道受飛機荷載影響徑向變形較大，隨著埋深變大飛機荷載效應得以擴散而逐漸變小，隨著埋深進一步增大管道受隧道開挖影響逐漸顯著而使徑向變形開始變大。當管隧間距為4 m時徑向變形最大，其值為直徑的1.8%，管道雖未破壞但安全性受到很大威脅。

特別是道面上飛機荷載與地下穿越施工共同作用下管道的沉降及軸向應力均隨埋深呈增大的趨勢。管道埋深較淺時，距離隧道間距較大，受力形態更接近于受壓構件;而當埋深增大時，由于距離盾構隧道間距較小，在飛機荷載與施工共同作用下更接近于受彎構件。

從上述影響規律來看，管道軸向應力的大小主要取決于管道底部與下部穿越隧道頂部之間的垂直間距。有限元數值模擬的結果表明，埋深為2 m的管道底部距隧道頂端垂直距離分別是8，10，12，14，16 m時，管道底部土體的沉降變形規律如圖5所示。

圖5 不同管－隧垂直間距時的管道沉降規律Fig.5 Rules of settlement of aviation oil pipeline under different vertical distance between shield tunnel and aviation oil pipeline

由圖5所反映規律可見，由于土拱效應的存在，隨著隧道埋深的加大(如間距從8 m增大到16 m后)，管道沉降呈現變小的趨勢。因此，管道與穿越隧道之間的垂直距離不應太小，為盡可能減少管道的沉降量和管道遭受的附加應力，需要選擇適當的管道埋深以及管道底部到盾構頂部之間的垂直距離。

3 結論與討論

在Peck經驗公式的基礎上，通過對埋置管道下隧道開挖所形成的土體變形分析，構建了盾構施工過程中管道沉降簡化表達式，用于計算不同深度處管道沉降。利用建立的盾構隧道三維模型對盾構施工及飛機耦合作用下管道力學規律進行研究，模擬結果表明管－隧垂直間距一定時增加管道埋深;埋深一定時，增加管－隧間距能保證管道使用安全。以安全評價方法為指標，在特定的工程概況下能確定管道的臨界埋深與管－隧間距。

文中管道沉降計算公式的得出沒有考慮管土相互作用，后續研究中可以為突破口將這種因素進行量化并得出理論解。研究中僅考慮了飛機的靜荷載效用，沒有對飛機運動情況下管道的動態力學響應進行研究，這一方面還有待深入探討。

［1］ 公孫銘.機場跑道下盾構隧道施工的力學性能研究［D］.上海:上海大學土木工程系，2010.(GONG Sunming.Mechanical analysis on shield tunneling under airport runway［D］.Shanghai:Department of Civil Engineering，Shanghai University，2010.(in Chinese))

［2］ 梅樂勝.隧道下穿機場跑道開挖模擬分析［D］.重慶:重慶交通大學土木建筑學院，2012.(MEI Lesheng.The excavation simulation analysis of the tunnel pass through airport runway［D］.Chongqing:School of Civil Engineering and Architecture，Chongqing Jiaotong University，2012.(in Chinese))

［3］ 畢繼紅，劉偉，江志峰.隧道開挖對地下管線的影響分析［J］.巖土力學，2006，27(8):1317 － 1321.(BI Jihong，LIU Wei，JIANG Zhifeng.Analysis of effects of tunnel excavation on underground pipeline［J］.Rock and Soil Mechanics，2006，27(8):1317 －1321.(in Chinese))

［4］ 洪琦.盾構隧道施工對既有管線影響研究［D］.杭州:浙江大學建筑工程學院，2012.(HONG Qi.The effects of the shield tunneling on the existing underground pipelines［D］.Hangzhou:College of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang University，2012.(in Chinese))

［5］ 于詠妍，高永濤，吳順川.列車荷載下新地鐵隧道開挖對周邊管線的影響［J］.地下空間與工程學報，2013，9(2):359 － 364.(YU Yongyan，GAO Yongtao，WU Shunchuan.Study on influence of subway tunnel excavation on the pipeline under the existing subway vibrating load［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2013，9(2):359 －364.(in Chinese))

［6］ 楊朋.地鐵隧道施工對既有管線影響研究［D］.成都:西南交通大學土木工程學院，2012.(YANG Peng.Research on the impact of urban Metro tunnel construction on the pipelines［D］.Chengdu:SchoolofCivilEngineering，Southwest Jiaotong University，2012.(in Chinese))

［7］ GB 50253—2003輸油管道工程設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2007.(GB 50253—2003 Code for design of oil transportation pipeline engineering［S］.Beijing:China Plan Publishing Company，2007.(in Chinese))

［8］ Peck R B.Deep excavation and tunneling in soft ground［C］//Proceedings on siolmechanics and foundation engineering.Mexico，1969:225 －290.

［9］ 姜忻良，趙志民，李園.隧道開挖引起土層沉降槽曲線形態的分析與計算［J］.巖土力學，2004，25(10):1542－1544.(JIANG Xinliang，ZHAO Zhimin，LI Yuan.Analysis and calculation of surface and subsurface settlement trough profiles due to tunneling［J］.Rock and Soil Mechanics，2004，25(10):1542 －1544.(in Chinese))

［10］ 馬亞航.隧道開挖引起的地層變形及其對地下管線的影響分析［D］.長沙:湖南大學土木工程學院，2011.(MA Yahang.Effects of tunneling on ground movement and underground pipelines［D］.Changsha:School of Civil Engineering，Hunan University，2011.(in Chinese))

［11］ 侯公羽，劉宏偉，李晶晶，等.基于開挖卸荷效應的地鐵隧道施工過程數值模擬［J］.巖石力學與工程學報，2013，32(1):2915 － 2924.(HOU Gongyu，LIU Hongwei，LI Jingjing，et al.Numerical analysis of subway tunnel construction process based on excavation unloading effect［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32(1):2915 －2924.(in Chinese))