安全監測及數值分析在隧道穿越輸水管道工程的綜合應用

唐遠東

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

隨著我國城市化進程的加快，城市交通緊張狀況已完全顯現出來，一些大中型城市交通道路的通行條件已嚴重惡化，隨著汽車保有量的迅速增長，道路交通阻塞、城市空氣污染、街區噪聲污染已對城市居民造成了嚴重的困擾。因此在城市地下修建地鐵已成為緩解城市交通問題的有效手段之一，目前我國許多大城市的地鐵線路幾乎可以覆蓋全城，但在地下鐵路交通網不斷拓撲延伸的同時，也帶來了一些相關問題，特別是隧洞開挖對上部已有工程的影響逐漸暴露，偶有報道地鐵施工產生的地面沉陷，管道破壞等安全事故發生。

本文以具體交叉穿越工程為例，通過對受地鐵施工影響的輸水管道工程安全監測及數值分析計算，著重闡述了地鐵隧洞施工期間，輸水管道及周圍土體受力、位移變化情況，依據理論方法進行參數選取，并應用 MIDAS GTS NX軟件進行有限元分析，通過模擬開挖過程，分析管道的整體穩定性，驗證所選開挖方案的合理性，比較監測數據，驗證了監測結果的合理性。

1 總體監測方案

1.1 工程概況

某地鐵區間全長1200m，采用盾構法施工穿越輸水管線B、A。盾構段在兩端端頭處各設一個盾構井。下穿輸水管線為兩根預應力鋼筒混凝土承插管，分節長度為5m，內徑為3.2m，外徑為3.8m，水平中心間距為15m，覆土厚度約為3.6m，水壓力為0.6MPa。

出入線與管線平面投影斜交，左、右線與管線呈53°交角，下穿管線斜長23.7m。出入線右線與既有管線B、A交點處豎向凈距3.54、3.32m，管頂覆土深度1.5～1.6m；出入線左線與管線B、A交點處豎向凈距3.09、3.07m，管頂覆土深度1.79～1.92m,如圖1所示。

圖1 管線與盾構施工路線位置關系圖

1.2 監測設計

1.2.1監測點位布設原則

根據本工程結構形式、施工工況、荷載條件等基本資料，預估盾構施工過程中輸水管線受周圍土體壓力、土體位移等變化影響，管線必然存在沉降、隆起等變形趨勢。有針對性地布置了管頂水平位移及沉降監測、管線上方地表監測、及土體分層位移監測，獲取施工過程中輸水管線基礎性狀信息，防止管線受到外部荷載作用后產生破壞。各監測項目布設點位力求兼顧全局、統一規劃、目的明確、控制關鍵。

1.2.2點位布設及數據采集

影響區域外布設4個強制對中觀測基準點，施工現場布設1個自動變形監測工作基點?；鶞庶c、工作基點均與已有高程控制點進行聯測形成閉合導線。所有監測數據均自動采集、傳輸、計算。

盾構法施工下穿輸水管線時，沿B、A兩根輸水管線水流方向65m內(單根管節長5m，共計26節管道)，在管節承插口處左右各布設2個測點，共計布設56個水平位移及沉降位移監測點。在每節輸水管線上部布設1個測點，監測管線上方各層土體的水平位移及沉降。沿隧道開挖方向中線處布設測點，共計22個測孔，每個測孔設置3個測點，監測管道與隧道間的土體分層位移,見表1。

表1 自動化監測項目、監測點匯總表

1.2.3地表沉降監測

地表沉降基準點與管頂沉降監測人工檢核基準點共用，每5m布置一組，且與管線上方地表測點處于同一直線布置。

將全站儀放在工作基點上，以另一個工作基點為后視方向，儀器按各測點的初始坐標自動尋找目標點，自動進行下一個測點的監測及記錄，全站儀采集的數據可隨后在計算中心進行后處理從而得到地表各點的沉降位移量。

1.2.4土體分層沉降監測

管道與隧道間土體分層沉降基準點與管頂沉降監測人工檢核基準點共用，管道與隧道之間設置3個測點，分別監測土體分層沉降，各測點距隧道頂面1、2、3m。

土體分層沉降監測采用水準測量法，三級點位，兩級控制。三級點位即設置水準基點、起測基點、沉降監測點三種測點。兩級控制既由水準基點校測起測基點，由起測基點監測垂直位移測點。測量孔口標高時，先在沉降管孔口位置做標記，利用精密電子水準儀測量孔口標高，作為沉降監測初始值。土體分層沉降監測時將測頭放入導管內，當測頭接觸到土層中磁環時，記錄進程測讀(Ji)和回程測讀(Hi)數據。通過以下公式即可計算出土體分層沉降量。

Si=(Ji+Hi)/2

式中，i—一孔中測讀的點數，即土層中磁環個數；Si—i測點距管口的實際深度，mm；Ji—i測點在進程測讀時距管口的深度，mm；Hi—i測點在回程測讀時距管口的深度，mm。

1.2.5監測頻率

依據GB50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》，結合工程特點，管線監測頻率、基坑開挖監測頻率見表2。

表2 管線監測頻率

2 監測數據分析

2.1 管頂水平位移及沉降

盾構法施工隧洞穿越輸水管線施工期，管頂水平位移及沉降發展過程如圖2所示(X軸為管線走向方向(東西方向)，Y軸與管線走向垂直方向(南北方向)，Z軸為豎向方向)。由于土體受盾構機推進擾動的不同，兩根預應力鋼筒混凝土承插管的管頂各測點水平位移及沉降亦有所不同(1—23為管線B、24—56為管線A)，但兩條管線的水平位移均控制在±1mm，管頂沉降位移均控制在±0.5mm。輸水管線管頂位移及趨于穩定，管線周圍土體的沉降、隆起均在允許波動范圍內。

圖2 輸水管線水平位移及沉降監測量

2.2 管線上方地表沉降監測

由于地下土體受盾構機推進而遭受擾動的不同，相應反映到地表土體擾動亦不相同。但總體而言，管線上方地表沉降量變化趨勢與管頂沉降量變化趨勢相同，沉降位移變化基本一致，只是數值略小。兩條管線上方的地表沉降位移均控制在±0.4mm(1—13為管線B、14—26為管線A)，如圖3所示。輸水管線上方地表沉降趨于穩定，管線上方地表土體的沉降、隆起均在允許波動范圍內。

圖3 輸水管線上方地表監測量

2.3 管道與隧道間土體分層位移監測

由于各層土體孔隙率、含水率略有不同，相應每層土體產生的位移亦不完全相同。土體距離管線越遠，土體分層位移變化趨勢越平緩，各測點變形發展趨勢與地表監測量位移變化規律基本一致。各土體分層位移趨于穩定，不同土層的沉降、隆起均在允許波動范圍內，如圖4所示。

圖4 土體分層位移監測量

2.4 監測數據分析

通過實測監測數據表明，各監測數據成果呈線性變化，符合實際規律，滿足相關規范要求及管道運行安全要求。所選隧洞施工方案不會對管道安全產生影響。

3 數值模擬分析

3.1 模型建立

MIDAS GTS NX作為一款專用于巖土及地下工程的有限元分析軟件，包含線性與非線性靜力分析/動力分析、滲流固結分析、施工階段分析等多種分析類型，廣泛應用于水工、地鐵、礦山、隧道等領域的有限元分析。

本工程有限元分析為三維數值模擬，模型采用四面體單元建模，對管道及隧洞混凝土材料進行了等效替代及結構簡化，主要物理力學參數見表3。

計算主要任務為分析管道與隧道間土體沉降，因此選取兩條隧道中的一條與上部輸水管線作為建模對象，并將數值模型周圍土體向外做了一定程度的拓展，模型底長設定為50m，底寬34.8m，高25.2m，計算模型共劃分為60324個單元，11179個節點。建模完成后，輸入土體物理力學參數、隧道及管道材料參數以便軟件運行計算。網格模型如圖5所示。

表3 結構物理力學參數表

圖5 計算網格模型

3.2 應力應變計算

求解運行后，軟件直接計算出位移及應力結果。位移結果如圖6所示，最大豎向位移發生在管道承插口底部，位置值為0.34mm。

圖6 豎向位移云圖

軟件切換至計算結果顯示管道承插口底部局部產生的應力最大值為23MPa。應力云圖如圖7所示：

圖7 應力云圖

分析位移應力云圖可知，隨著埋深增加，豎向位移不斷增大，最大豎向位移發生在管道底部，均小于管道工程允許安全沉降限值2.5mm；應力值增大后亦小于管道混凝土設計開裂強度允許值34MPa。

3.3 結果分析

通過軟件數值分析結果表明，對本工程模擬的位移場分布和應力場分布規律較為合理，地下隧道施工期間不會造成管道沉降過大及應力破壞，安全裕度較大。隧道結構施工方案能夠滿足管道的整體穩定及運行安全要求。

4 結語

通過監測施工期管道應力、位移變化及二者變化趨勢等波動情況，并參照以往工程監測實例，表明在隧道穿越輸水管線施工時，通過采用合理的施工工藝，能夠保證管道的運行安全。

應用MIDAS GTS NX建模，數值分析結果驗證了長系列監測數據的合理性。分步計算實現了對施工安全和既有建筑物安全性態的實時跟蹤評判，及時發現問題，解決問題，達到檢驗和優化設計、指導施工的目的。

以上結果表明，應用安全監測與數值分析聯合驗證的方法，已成為此類交叉穿越工程安全施工的有效手段。