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1、地铁车站施工对邻近管线影响的三维数值模拟摘 要:随着城市建设步伐的加快,地铁工程施工对邻近管线的影响问题日趋突出.本文以北京地铁某车站工程为背景,借助大型有限元程序ABAQUS建立了三维隧道-管道-土体耦合模型,详细模拟了车站施工过程对邻近管线的影响.计算结果与现场量测数据基本吻合,验证了数值分析的可靠性.通过管道应力、局部倾斜、附加最大弯矩和地表沉降槽限值的验算,对管线的安全性进行了评估. 关键词:地铁工程;地下管线;数值模拟;管-土相互作用 目前,北京多条地铁线路同时开工,地铁工程影响邻近管线问题已成为地铁施工的重点和难点.地铁开挖
2、引起邻近煤气管泄露、水管爆裂、电缆断裂的情况,国内外均有报道.如何在施工中有效控制开挖引起的地层移动,保护邻近管线的安全,并对管线安全性做出合理的判断,已经成为地铁工程中迫切需要解决的问题.由于具体工程的地层情况、开挖方式、支护形式、管线材质、接头类型、管道-隧道相对位置变化较大,无论是弹性地基梁法还是工程类比法均无法取得令人满意的预测结果.随着有限元、有限差分以及边界元的发展,数值方法可以有效弥补上述方法存在的局限性.本文作者针对北京地铁的具体工程,用ABAQUS程序进行车站施工影响邻近管线的三维非线性弹塑性分析,预测各施工阶段管道的沉降
3、,结合现场监控量测数据对管道的安全性进行评价.1工程概况在建的某地铁车站,主体双层暗挖段采用上下4导洞的洞桩法施工.施工导洞初期支护均为马蹄形结构,下导洞采用双侧壁导坑法开挖,上导洞采用交叉中隔壁法施工.车站的施工环境非常复杂,周围存在大量的地下管线.选取距离隧道结构最近的雨水管作为研究对象,其与相对车站的位置关系如图1所示.详细的施工步骤见图2,其中1~14为开挖面序号.2管线控制标准与安全判别方法目前我国还没有统一的管线变形控制标准.一方面,管线现状承载能力和抵抗变形的能力难以确定,因此直接决定了管线控制标准难以确定.另一方面,国内外可
4、以借鉴的地下管线控制标准比较少,除2)雨水管为钢筋混凝土管,由于多年腐蚀造成承载变形能力降低,取原设计弹性模量的80%进行计算.管道采用承插式接口,承口环和插口环均用扁钢压制成型,与钢筒焊成一体.因此,可近似忽略管道的接口影响,用具有轴弯性能的空间等参壳单元模拟.3)边桩为钻孔灌注桩,设计直径为600mm,间距1000mm,考虑到桩间的注浆作用,将边桩模拟为300mm的壳单元,初期支护采用具有轴弯性能的空间等参壳单元模拟.4)地层采用遵循非线性弹塑性本构关系和莫尔-库仑屈服准则的空间等参实体单元模拟.二次衬砌采用弹性本构关系的空间等参实体单
5、元模拟.5)由于实际开挖过程采用降水施工,故不考虑地下水在开挖过程中的影响.4.2横向地表沉降与管道沉降地表沉降槽曲线如图4所示.车站计算最大地表沉降为84.4mm,地表沉降槽宽度约为80m,管道最大沉降量为46mm,该处地层的最大沉降为48mm,管道沉降与地层沉降基本一致.图5为管道沉降的时程曲线.表2为各施工阶段地表和管道累计沉降最大点的沉降量及沉降比例. 通过与监测结果的对比,发现沉降槽计算结果与实测数据趋势上基本吻合,计算结果比实测结果偏大近9mm,且实测管道沉降有局部上抬现象.这主要是由于施工中的初支回填注浆作用在计算中没有考虑
6、,故计算管道沉降大于监测值.4.3管道纵向沉降1)不同施工阶段管道的纵向变形·不同开挖步序下管道纵向变形如图6所示,雨水管与隧道开挖方向平行,管道在车站施工过程中纵向变形不断变化,在上部左导洞第4部开挖时出现纵向最大局部倾斜.车站施工完毕后管道纵向不均匀沉降值为8mm.2)管道纵向最不利情况分析·管道在上左导洞开挖时出现最不利变形,此时的纵向坡角达到最大值,如图7所示,局部倾斜最大值为40.2/20000=0.002.5管道安全性验算5.1管道应力验算根据混凝土结构设计规范查得,混凝土强度设计值为1.1MPa,计算所得最大管道拉应力为0.8
7、MPa,小于混凝土的强度设计值,故从管道应力的角度可以判断管道是安全的.5.2局部倾斜验算根据
