基于midas GTS NX對管道上穿雙線隧道的穩定性影響分析

楊傳亮，呂秋玲，汪東林，劉 成

（安徽建筑大學土木工程學院，合肥230601）

伴隨著城市交通的不斷發展，地下交通已經成為大城市的一種主流交通方式。但是，地鐵管道等地下設施的建設，嚴重影響了在其上部的給水管道等淺層管道的施工，對其施工安全性以及整體的穩定性產生一定影響，對管道的使用年限以及下部隧道的設計使用年限和穩定性也都產生了一定影響。

通過檢索文獻發現，當前相關研究成果以隧道施工對臨近管道或者建筑的影響研究居多，而關于管道施工對已有地下隧道影響的研究卻很少。本文以合肥地鐵3號線阜陽路站-淮南路站區間為研究對象，運用midas GTS NX有限元分析軟件和Origin Pro數值分析軟件模擬分析了雙隧道上穿給排水管道，通過對不同有限元斷面相對位置的數據分析模擬，得出該給排水管道的開挖對下部隧道雖然有一定的影響，但這種是在設計允許范圍之內的，對隧道的整體穩定性以及設計使用年限不會構成影響的結論。

筆者認為，這一“給水管道-雙隧道”模型、施工工況設置和結果分析是準確的，為類似工程的結構模型建立、安全穩定測定分析等提供了指導[1]。

1 工程概況及土質環境

該工程位于合肥地鐵3號線阜陽路站-淮南路站區間，本區間穿越建（構）筑物較少，區間沿線重要地下障礙物為場地內及附近地下管線，主要有給排水管等。該區域主要地貌為一級、二級階地，地形較平坦，并微向河床傾斜，其上河塘密布。由于長期經受剝蝕沖刷，形成崗地與坳谷相間的壟崗地貌。崗地平緩開闊，自然坡度約3°～5°，絕對標高在12～45 m之間，呈緩坡狀與坳谷接觸；坳谷一般沿崗地之間狹長分布，較為平坦。場地地下土層分布豐富，首層是素填土，灰黃色，松散稍密，微潮濕，混雜大量灰渣、碎石等，地表為混凝土或瀝青路面，該層連續分布，層底標高10.6～20.7m，層厚約0.6～5.9 m。第二層基本為粉質黏土，灰褐色，可塑，含少量鐵錳結核，切面光滑，有光澤，干強度及韌性高，該層局部分布，層底標高7.4～10.1 m，層厚約1.3～11.2 m；粉土，灰黃色，密實，濕，切面粗糙，搖振反應中等，該層連續分布，層底標高-0.56～6.0 m，層厚約1.8～10.2 m；黏土，灰黃色，硬塑偏軟，含灰白色的高嶺土團塊和少量鐵錳結核，層底標高8.9～14.7 m，層厚約4.3～8.3 m；強風化砂巖，紅棕色，全風化，巖芯呈硬塑土狀，層底標高-5.3～1.2 m，層厚約0.7～7.3 m。給排水管道與雙線隧道位置關系如圖1所示。

2 數值模擬計算與分析

2.1 關于midas GTS NX的介紹及使用

圖1 某排水管道與隧道平面關系

Midas GTS NX是一款能在短時間內完成巖土隧道等相關問題研究的有限元分析軟件，在實際工程項目中能提供較為準確的數值分析結果，并為進一步研究提供理論依據。Origin Pro是一款集數據統計和數據分析于一體的高性能分析軟件，擁有對大數據自動整理分析的強大功能，具有多種輸出形式，操作簡單，使用方便，適用于巖土數據統計和分析。由于該研究對象為管道，所以對模型中板單元的設置至關重要。鑒此，本模型采用板界面單元來分析巖土和結構的關系。板界面單元與簡單的梁單元性質和作用相似，而且使用方便，效果顯著，在實際模擬分析中具有很重要的作用[2]。

2.2 設置參數與施工階段模擬

依據該工程的實際背景情況，在建模階段分為兩個步驟。首先，設置巖土和結構參數，確定好本構關系。巖土材料采用修正莫爾-庫倫模型，結構材料采用彈性模型。其次，根據研究需要，確定各部分基本屬性，劃分網格。由于本模型是三維的，所以一般采用混合網格生成器，使網格劃分更細致，分析結果更準確。參照現場地勘報告，各地層/結構構件上使用的材料參數和屬性如表1-表4所示，有限元模型整體網格劃分如圖1、圖2所示。

表1 巖土參數

表2 結構參數

表3 巖土屬性

表4 結構屬性

我們所研究的是施工管道對隧道的影響，所以在定義施工階段時主要以模擬管道施工為主：施工階段組-1（原場地激活[素填土]、[粉質黏土]、[粉土]、[黏土]、[全風化砂巖]、[地基邊界]、[自重]，初始應力場分析，位移清零）；開挖（鈍化[管道]）；激活管道砌襯，按管道施工每2米進行開挖1次，共50次依次進行。

圖1 模型整體網格如圖所示

圖2 隧道及管道網格建立如圖所示

2.3 模擬結果與數值分析

2.3.1 Midas GTS NX軟件設置工況對下層隧道的變形影響

通過idas GTS NX軟件對施工過程的模擬，設置每一個有限單元長度為2 m，分為S1-S50共計50個施工階段，選取S20、S26、S30這三個施工階段進行詳細分析，分析開挖進程的管道總位移情況。通過idas GTS NX對這三個施工階段進行了模擬，包括水平橫向和縱向位移、豎向位移、總位移。圖3、圖4為S20施工階段過后的總位移云圖和總旋轉位移云圖。

圖3 S20施工階段總位移云圖

從圖3、圖4中可以看出S20施工階段剛開始施工的時候，管道的總位移和總旋轉位移特別大，總位移的最大值為1.2 mm，最小值為0.2 mm，隨著施工階段的進行，總位移和總旋轉位移的整體呈現一種下降的趨勢。

圖4 S20施工階段總旋轉位移云圖

通過midas GTS NX工況模擬發現，當進行到S26施工階段結束時，此時給排水管道開挖到了2條隧道的中部，此時外部環境和施工條件復雜。模擬分析S26施工階段到其結束的總位移和總旋轉位移圖如圖5、圖6。

圖5 S26施工階段總位移云圖

圖6 S26施工階段總旋轉位移云圖

S26施工階段剛經過第一條隧道上部施工，緊接著就要面對第二條隧道，是一個施工過渡階段的代表。在這種復雜的土體環境和施工環境中，需要特別注意管道位移的變化對隧道管壁的影響[2]。通過idas GTS NX分析可知，S26階段的最大位移為3.1 mm，最小位移為0.3 mm，整體看來位移變化波動較大。

緊接著是S30施工階段，這一個階段是剛離開第二條隧道的第一個施工階段。midas GTS NX模擬分析其總位移云圖和總旋轉位移云圖如圖7、圖8。

通過midas GTS NX模擬工況可知，在S30階段位移變化很大，最大位移為5.5 mm，最小位移為0.3 mm。通過這一階段位移的變化，可以推測其穩定性相比于其他兩個階段而言處于一個相對較差的施工階段。

圖7 S30階段的總位移云圖

圖8 S30階段的總旋轉位移云圖

在新建給排水管道施工過程中，給排水管道對已建盾構隧道的相對位置和凈距處于相對變化之中，因此，可以針對不同的斷面相對位置進行數據分析模擬[4]。分別在2條隧道上部選取4個施工段中間點（S21、S22、S23、S24和S27、S28、S29、S30等8個施工段的中點）進行總體相對位移分析，每一個階段的所有位移（水平橫向和縱向位移，豎向位移，以及合位移）均采用midas GTS NX模擬所得數值在Excel表格整理后，通過Origin Pro 2017數值分析軟件進行分析，圖9為所得的折線統計圖。

圖9 8個施工段中點所有位移的折線統計圖（豎軸為位移變化，橫軸為施工段）

從圖9中可以看出，給水管道施工在剛開始經過隧道時和離開隧道時的位移變化差值并不是很大，但是在施工階段到S23、S24、S25、S26、S27兩條隧道的中建施工段時位移變化差值明顯增大，整個過程中最大位移值可達9 mm，最小位移值可達-7 mm，位移差值16 mm，由此可以推斷出在這幾段施工中周圍土體的穩定性較差，施工時要注意做好土體穩定性的防護工作[5]。

2.3.2 midas GTS NX軟件設置工況對下層隧道的內力影響

對本次施工影響最大的就是沿管道方向的彎矩和管道正截面方向的剪力。利用midas GTS NX模擬工況截取S20、S26、S30階段的沿管道方向的彎矩圖和正截面所受剪力來分析其受力情況。圖10、圖11為S20施工階段的沿管道施工方向（Y軸）的彎矩圖以及管道正截面(坐標軸XZ面)所受的剪力圖。

圖10 S20施工階段Y軸方向的彎矩云圖

圖11 S20施工階段XZ坐標軸面的剪力云圖

使用midas GTS NX模擬工況截取S26施工階段受力分析云圖。圖12、圖13為S26施工階段的沿管道施工方向（Y軸）的彎矩圖以及管道正截面（坐標軸XZ面）所受的剪力圖。

圖12 S26施工階段Y軸方向的彎矩云圖

圖13 S26施工階段XZ坐標軸面的剪力云圖

通過使用midas GTS NX模擬工況截取S30施工階段受力分析云圖。圖14、圖15為S30施工階段的沿管道施工方向（Y軸）的位移圖以及管道正截面(坐標軸XZ面)所受的剪力圖。

圖14 S30施工階段Y軸方向的彎矩云圖

圖15 S30施工階段XZ坐標軸面的剪力云圖

由S20、S26、S30施工階段的沿管道施工方向（Y軸）的位移云圖以及管道正截面（坐標軸XZ面）所受的剪力云圖可知，3個施工階段施工過程中所受到的彎矩均會對2條管道產生影響，右邊管道受到的影響要比左邊管道受到的影響大。S20、S26、S30這3個施工階段施工過程中所受到的正截面剪力只對右邊隧道有影響（給水管道施工順序從右到左），右邊隧道受剪力的變化情況占總剪力的0.4%左右。綜上可知，上部給水管道的開挖對右邊隧道的影響可以作為研究雙整體穩定性的一個基準值，分析總位移變化和正截面受剪以及沿管道方向受彎的云圖可知，雖然給水管道開挖對右側隧道有一定的影響，但是影響程度在本工程設計范圍之內，并不會對整體穩定性產生太大的影響。基于上述考慮，在采取措施以保證施工正常進行的同時，需要對周圍土體進行監測[6]。

3 總結

在不考慮其他應力條件下，通過觀察給排水管道開挖過程中的位移和變形情況，使用midas GTS NX模擬其變形受力的情況，通過力的反作用原理推測周圍土體所承受的力的大小。如果周圍土體的強度大于其所受的應力，則給排水管道的開挖對下部隧道影響較小，整體的穩定性較好；如果周圍土體的強度小于其所受的應力，則給排水管道的開挖會使周圍的土體或者巖體產生較大的塑性變形，進而會向深處發展，破壞整體的穩定性，對下邊的隧道產生較大的影響。通過midas GTS NX工況模擬可得出以下結論：

①在整體開挖過程中，當進行到S20階段時會產生一個位移突變的階段，土體的穩定性遭到了一定的破壞，但是對下部隧道的影響較小。位移突變可能是由于土體二次施工造成的土體不穩定造成的，需要做好保證穩定性的防范措施。

②當施工階段進行到S26階段時，管道的變形呈一種降低的趨勢，此時周圍土體受力情況復雜。通過midas GTS NX模擬分析可以知道，2條隧道中間幾段的施工對整體穩定性的影響最大。通過圖9所示的8個施工段中點所有位移折線統計圖可以看出，在4、5、6這三個點的變形差值最大，對整體穩定性的影響也是最大。

③當施工階段進行到S30階段時，變形情況趨于穩定下降的狀，對整體穩定性的影響越來越小。

④通過對節點位移、整體位移和三軸受力分析可知，本次給水管道開挖對下部隧道的影響在可控制范圍內，給排水管道正常進行施工對2條隧道的整體穩定性影響在設計范圍內。