輸氣管道改遷工程對既有隧道的影響分析

朱明 ， 胥穩

（1.江蘇省地質礦產局第一地質大隊，南京 210041；2.江蘇省地質隧道與地下工程科技有限公司，南京 210041；3.江蘇南京地質工程勘察院，南京 210041）

0 引言

由于輸氣管道改造工程是城市運維管理中最常發生的工程項目之一，較其他城市建設項目對其有建設周期短、速度快、干擾少的要求[1]。管道改造工程通常采用明挖法鋪設[2]，當土體開挖后，臨空面產生的應力釋放和土體變形會影響到鄰近區域，若盾構隧道恰巧在此影響范圍內，則盾構隧道可能產生過大變形，從而影響結構安全[3]。目前，國內外很多學者對鄰近地鐵施工對隧道結構影響開展了研究，鄭剛等[4]分析了天津某鄰近既有隧道基坑開挖對既有隧道變形影響。Huang等[5]研究發現下臥隧道在上方基坑開挖時會產生明顯的上浮變形。Liu等[6]研究了環氧樹脂粘合纖維加固隧道的技術。Yang等[7]將新型復合結構應用于隧道管片。

文中以某輸氣管道改造工程為工程背景，提出一次性進行管溝開挖并回填方案，展開三維數值模擬分析，并提出采用分段開挖并及時回填的方案，將兩種方案進行對比分析，在原有方案的基礎上得到了推升優化，為輸氣管道改造工程提供設計與施工指導。

1 工程概況

工程改線起點為地鐵五號線高峰站北側、劍南大道西側人行道旁原管道，改線管道與原管道碰口后向北敷設80m后穿越B14路后折向西沿B14規劃道路北側綠化帶敷設，隨后穿越環湖路后沿環湖路西側綠化帶、天保大道北側綠化帶敷設至迎賓大道與天保大道交叉口東北角附近與原管道碰口，管道與地鐵的平面位置如圖1所示。

圖1 管道改遷項目施工與地鐵平面關系

管道遷改工程均位于隧道區間頂部埋深范圍以內，項目分四段開挖（C1～C2、C2～C3、C3～C4、C4～C5），采用明挖法施工，開挖深度分別為3、3.8、4.5、4.5m。C1～C3段走向與地鐵隧道軸線近平行，開挖邊線距離區間結構最小水平凈距為3.63m，最小豎向距離為4.9m；C3～C5段走向與地鐵隧道軸線近垂直，橫跨兩條隧道，開挖邊線距離區間結構最小豎向距離為4.8m，C1～C2段與地鐵5號線盾構區間剖面關系如圖2所示。

圖2 C1～C2段與地鐵5號線盾構區間剖面關系（單位：mm）

工程場地范圍地勢相對較平坦，地貌單元為岷江水系一級階地與第四系堆積臺地，高程為475.73～491.28m，平均為479.30m。輸氣管道改造以及盾構隧道所在區域土層范圍內，各土層自上而下的依次是：1-1雜填土，灰色、灰褐等雜色，致密狀，層厚0.9～6.4m；4-1黏土，褐黃色、棕黃色，硬塑，層厚2.7～11m；4-9-1松散卵石，灰黃色為主，濕-飽和，層厚0.6～5.7m；4-9-2稍密卵石，灰黃色，潮濕-飽和，稍密，層厚0.9～3m；5-2強風化泥巖，暗紅色、紫紅色，巖質軟；5-3中等風化泥巖，暗紅色、紫紅色，泥質結構，塊狀構造，巖質較軟。各巖土層的主要物理力學性質指標見表1。

表1 各巖土層物理力學參數

2 基礎方案

2.1 數值計算模型

采用MIDAS-GTS有限元數值分析軟件建立“地層-結構”三維分析模型，土體采用HSS小應變本構模型，模擬輸氣管道管溝明挖對盾構隧道的變形影響。模型幾何尺寸為X×Y×Z=90m×150m×60m，土體前后左右4個面設置X、Y兩個方向的水平約束，在土體底部設置X、Y、Z三個方向的位移約束，模型計算荷載主要為自重和地面施工荷載。如圖3所示。輸氣道遷改工程主要涉及管溝土石方開挖、涵洞砌筑、鋼筋混凝土套管敷設、管道敷設及管溝回填。

圖3 計算模型

有限元計算工況：①初始應力場分析；②地鐵隧道建立（地應力平衡）；③C4～C5段管溝開挖；④C3～C4段管溝開挖；⑤C2～C3段管溝開挖；C1～C2段整平土方；C1～C2段管溝開挖；全部開挖完以后進行涵洞砌筑、鋼筋混凝土套管敷設、管道敷設；管溝回填。施工過程中最不利的階段為全部管溝開挖完成。

2.2 計算結果分析

經計算得到每一步施工引起的隧道結構變形如表2、表3所示。管溝開挖后地鐵區間隧道左線最大水平位移為0.7mm，隧道右線最大水平位移為0.4mm，區間隧道左線最大隆起量為3.2mm，區間隧道右線最大隆起量為2.6mm，如圖4、圖5所示，變形均小于4mm，滿足區間變形控制要求。沿盾構隧道左、右線軸線統計盾構隧道結構總變形量，如圖6、圖7所示。

表2 不同工況下隧道右線變形 mm

表3 不同工況下隧道左線變形mm

圖4 管溝開挖引起地鐵區間結構水平位移

圖6 沿隧道左線軸線隧道結構變形

圖7 沿隧道右線軸線隧道結構變形

左、右線隧道結構變形最大位置均在管道上穿位置，變形量分別為2.94、2.57mm；左線隧道變形曲線沿C3～C2段不斷下降而在沿C2～C1段有一明顯隆起，最大值為2.67mm；右線隧道變形曲線沿C3～C2段不斷下降而沿C2～C1段較平緩，變化較小。分析工程概況得C2～C1段有5m土坡，開挖管溝時將其整平，因而C2～C1段開挖土方量較其他區段大，土體卸荷大。由此可見，盾構隧道結構變形與土體開挖量關系密切，開挖量越大變形越大；隧道結構變形還與土體開挖位置有關，距離開挖位置越近，對隧道結構變形影響越大。

3 優化設計

3.1 數值計算模型

基礎方案的模型上進行設計優化，主要是開挖完一段立即進行回填，再進行下一步的開挖，有限元計算步驟為：初始應力場分析（位移清零）；地鐵隧道建立（地應力平衡）；C4～C5段管溝開挖；C4～C5段涵洞砌筑、管道敷設、管溝回填；C3～C4段管溝開挖；C3～C4段鋼筋混凝土套管敷設、管道敷設、管溝回填；C2～C3段管溝開挖；C2～C3段鋼筋混凝土套管敷設、管道敷設、管溝回填；C1～C2段整平土方；C1～C2段管溝開挖；C1～C2段涵洞砌筑、管道敷設、管溝回填。施工過程中最不利的階段為全部管溝開挖完成，如圖8所示。

圖8 管溝開挖完成

3.2 計算結果分析

經計算得到每一步施工引起的隧道結構變形如表4、表5所示，可以看出C1～C2段管溝開挖后地鐵區間隧道左線最大水平位移為0.7mm，隧道右線最大水平位移為0.4mm，區間隧道左線最大隆起量為3mm，區間隧道右線最大隆起量為1.05mm，變形均小于4mm，如圖9、圖10所示，滿足區間變形控制要求。沿盾構隧道左、右線軸線統計盾構隧道結構總變形量，如圖11、圖12所示。

表4 不同工況下隧道右線變形 mm

表5 不同工況下隧道左線變形 mm

圖9 管溝開挖引起地鐵區間結構水平位移

圖10 管溝開挖引起地鐵區間結構豎向位移

圖11 沿隧道左線軸線隧道結構變形

圖12 沿隧道右線軸線隧道結構變形

左線隧道與右線隧道除變形量大小差異外變形規律相同，均表現為變形量先增大后減小，結構變形最大位置均在C1～C2段管溝開挖位置，變形量分別為2.7、1mm?？梢钥闯?，由于右線隧道較左線隧道離開挖邊線遠，因此變形量較??；在C2～C5段管溝開挖管道施工并進行回填后，隧道結構變形主要由C1～C2段管溝開挖引起，隨著隧道與開挖位置距離增大，變形逐漸減小。

3.3 方案對比分析

由上述結果可得，采用一次性進行管溝開挖后再進行管道施工、管溝回填時，施工過程中引起隧道結構最大水平位移為0.7mm，最大隆起值為3.2mm；采用分段開挖管溝并進行施工回填時，隧道結構最大水平位移為0.7mm，最大隆起值為3.0mm。雖然兩種方案均滿足隧道結構控制要求，但通過模擬結果的對比可以看出，優化方案的施工過程中隧道結構整體變形比基礎方案小，施工對隧道結構的影響小，施工安全風險低，采用該種方式施工比較安全，因此當管道改造工程距離較長時，宜采用分段開挖并及時回填的方案。

4 管道爆炸情對地鐵結構安全性影響

管道建成后會通過集中控制系統對整個管段的壓力等參數進行監控，在管道兩端設置有緊急放散系統，遇到緊急情況（如壓力超標等）時開啟緊急放散系統，保證項目管段的壓力在安全運行的范圍，項目管道發生蒸汽云爆炸的可能性極小。

為確保地鐵結構安全，報告對極端情況下管道發生爆炸時地鐵結構安全性進行評估。

（1）C1～C2、C4～C5段結構安全性評估。蓋板涵尺寸為1.5m×1.5m，壁厚300mm，輸氣管從管涵內穿行通過，輸氣管道與管涵間的空隙以細土回填。計算考慮極端情況，爆破超壓為0.25MPa，爆破氣壓直接作用于管涵內側，選取橫斷面1延米進行受力分析，計算結果如圖13所示。

圖13 管涵內力圖

根據計算結果可得爆破超壓作用下管涵最大彎矩40.74kN·m，最大剪力186.04kN，由于V＜0.7ftbho故采用彎矩進行配筋驗算，如表6所示。分析表明燃氣發生爆炸時，蓋板涵承載力滿足要求，其爆壓控制在管涵內部，不會影響到地鐵結構安全。

表6 管涵配筋結果驗算

（2）C2～C3、C3～C4段結構安全性評估。輸氣管道外套鋼筋混凝土套管，套管為直徑800mm，壁厚80mm鋼筋混凝土套管，套管與輸氣管間以細砂填充。計算考慮極端情況，爆破超壓為0.25MPa，爆破氣壓直接作用于套管內壁，計算結果如圖14所示。

圖14 套管內力圖

根據計算結果可得爆破超壓作用下套管外側最大彎矩7.91kN·m，最大剪力為57kN，由于V＜0.7ftbho故采用彎矩進行配筋驗算，如表6、表7所示。

表7 管涵配筋結果驗算

分析表明燃氣發生爆炸時，套管承載力滿足要求，爆壓控制在套管內部，不會影響到地鐵結構安全。

5 結語

通過對某輸氣管道改造工程進行三維數值模擬分析，得到管溝開挖對盾構隧道結構的影響規律，可以得出：

（1）通過模擬結果發現土方開挖量與隧道結構變形正相關，開挖量越大，變形越大。

（2）盾構隧道結構變形受周圍土體開挖直接影響，土方開挖位置距盾構隧道越近，隧道結構變形越大。

（3）對比兩種不同的施工方案，建議管道改造工程優化開挖施工步驟，采取分段開挖，施工完一段立即進行回填再進行下一段開挖，盡量減小卸荷引起地鐵區間結構變形。