输气管道改迁工程对既有隧道的影响分析

朱明 ， 胥稳

（1.江苏省地质矿产局第一地质大队，南京 210041；2.江苏省地质隧道与地下工程科技有限公司，南京 210041；3.江苏南京地质工程勘察院，南京 210041）

0 引言

由于输气管道改造工程是城市运维管理中最常发生的工程项目之一，较其他城市建设项目对其有建设周期短、速度快、干扰少的要求[1]。管道改造工程通常采用明挖法铺设[2]，当土体开挖后，临空面产生的应力释放和土体变形会影响到邻近区域，若盾构隧道恰巧在此影响范围内，则盾构隧道可能产生过大变形，从而影响结构安全[3]。目前，国内外很多学者对邻近地铁施工对隧道结构影响开展了研究，郑刚等[4]分析了天津某邻近既有隧道基坑开挖对既有隧道变形影响。Huang等[5]研究发现下卧隧道在上方基坑开挖时会产生明显的上浮变形。Liu等[6]研究了环氧树脂粘合纤维加固隧道的技术。Yang等[7]将新型复合结构应用于隧道管片。

文中以某输气管道改造工程为工程背景，提出一次性进行管沟开挖并回填方案，展开三维数值模拟分析，并提出采用分段开挖并及时回填的方案，将两种方案进行对比分析，在原有方案的基础上得到了推升优化，为输气管道改造工程提供设计与施工指导。

1 工程概况

工程改线起点为地铁五号线高峰站北侧、剑南大道西侧人行道旁原管道，改线管道与原管道碰口后向北敷设80m后穿越B14路后折向西沿B14规划道路北侧绿化带敷设，随后穿越环湖路后沿环湖路西侧绿化带、天保大道北侧绿化带敷设至迎宾大道与天保大道交叉口东北角附近与原管道碰口，管道与地铁的平面位置如图1所示。

图1 管道改迁项目施工与地铁平面关系

管道迁改工程均位于隧道区间顶部埋深范围以内，项目分四段开挖（C1～C2、C2～C3、C3～C4、C4～C5），采用明挖法施工，开挖深度分别为3、3.8、4.5、4.5m。C1～C3段走向与地铁隧道轴线近平行，开挖边线距离区间结构最小水平净距为3.63m，最小竖向距离为4.9m；C3～C5段走向与地铁隧道轴线近垂直，横跨两条隧道，开挖边线距离区间结构最小竖向距离为4.8m，C1～C2段与地铁5号线盾构区间剖面关系如图2所示。

图2 C1～C2段与地铁5号线盾构区间剖面关系（单位：mm）

工程场地范围地势相对较平坦，地貌单元为岷江水系一级阶地与第四系堆积台地，高程为475.73～491.28m，平均为479.30m。输气管道改造以及盾构隧道所在区域土层范围内，各土层自上而下的依次是：1-1杂填土，灰色、灰褐等杂色，致密状，层厚0.9～6.4m；4-1黏土，褐黄色、棕黄色，硬塑，层厚2.7～11m；4-9-1松散卵石，灰黄色为主，湿-饱和，层厚0.6～5.7m；4-9-2稍密卵石，灰黄色，潮湿-饱和，稍密，层厚0.9～3m；5-2强风化泥岩，暗红色、紫红色，岩质软；5-3中等风化泥岩，暗红色、紫红色，泥质结构，块状构造，岩质较软。各岩土层的主要物理力学性质指标见表1。

表1 各岩土层物理力学参数

2 基础方案

2.1 数值计算模型

采用MIDAS-GTS有限元数值分析软件建立“地层-结构”三维分析模型，土体采用HSS小应变本构模型，模拟输气管道管沟明挖对盾构隧道的变形影响。模型几何尺寸为X×Y×Z=90m×150m×60m，土体前后左右4个面设置X、Y两个方向的水平约束，在土体底部设置X、Y、Z三个方向的位移约束，模型计算荷载主要为自重和地面施工荷载。如图3所示。输气道迁改工程主要涉及管沟土石方开挖、涵洞砌筑、钢筋混凝土套管敷设、管道敷设及管沟回填。

图3 计算模型

有限元计算工况：①初始应力场分析；②地铁隧道建立（地应力平衡）；③C4～C5段管沟开挖；④C3～C4段管沟开挖；⑤C2～C3段管沟开挖；C1～C2段整平土方；C1～C2段管沟开挖；全部开挖完以后进行涵洞砌筑、钢筋混凝土套管敷设、管道敷设；管沟回填。施工过程中最不利的阶段为全部管沟开挖完成。

2.2 计算结果分析

经计算得到每一步施工引起的隧道结构变形如表2、表3所示。管沟开挖后地铁区间隧道左线最大水平位移为0.7mm，隧道右线最大水平位移为0.4mm，区间隧道左线最大隆起量为3.2mm，区间隧道右线最大隆起量为2.6mm，如图4、图5所示，变形均小于4mm，满足区间变形控制要求。沿盾构隧道左、右线轴线统计盾构隧道结构总变形量，如图6、图7所示。

表2 不同工况下隧道右线变形 mm

表3 不同工况下隧道左线变形mm

图4 管沟开挖引起地铁区间结构水平位移

图6 沿隧道左线轴线隧道结构变形

图7 沿隧道右线轴线隧道结构变形

左、右线隧道结构变形最大位置均在管道上穿位置，变形量分别为2.94、2.57mm；左线隧道变形曲线沿C3～C2段不断下降而在沿C2～C1段有一明显隆起，最大值为2.67mm；右线隧道变形曲线沿C3～C2段不断下降而沿C2～C1段较平缓，变化较小。分析工程概况得C2～C1段有5m土坡，开挖管沟时将其整平，因而C2～C1段开挖土方量较其他区段大，土体卸荷大。由此可见，盾构隧道结构变形与土体开挖量关系密切，开挖量越大变形越大；隧道结构变形还与土体开挖位置有关，距离开挖位置越近，对隧道结构变形影响越大。

3 优化设计

3.1 数值计算模型

基础方案的模型上进行设计优化，主要是开挖完一段立即进行回填，再进行下一步的开挖，有限元计算步骤为：初始应力场分析（位移清零）；地铁隧道建立（地应力平衡）；C4～C5段管沟开挖；C4～C5段涵洞砌筑、管道敷设、管沟回填；C3～C4段管沟开挖；C3～C4段钢筋混凝土套管敷设、管道敷设、管沟回填；C2～C3段管沟开挖；C2～C3段钢筋混凝土套管敷设、管道敷设、管沟回填；C1～C2段整平土方；C1～C2段管沟开挖；C1～C2段涵洞砌筑、管道敷设、管沟回填。施工过程中最不利的阶段为全部管沟开挖完成，如图8所示。

图8 管沟开挖完成

3.2 计算结果分析

经计算得到每一步施工引起的隧道结构变形如表4、表5所示，可以看出C1～C2段管沟开挖后地铁区间隧道左线最大水平位移为0.7mm，隧道右线最大水平位移为0.4mm，区间隧道左线最大隆起量为3mm，区间隧道右线最大隆起量为1.05mm，变形均小于4mm，如图9、图10所示，满足区间变形控制要求。沿盾构隧道左、右线轴线统计盾构隧道结构总变形量，如图11、图12所示。

表4 不同工况下隧道右线变形 mm

表5 不同工况下隧道左线变形 mm

图9 管沟开挖引起地铁区间结构水平位移

图10 管沟开挖引起地铁区间结构竖向位移

图11 沿隧道左线轴线隧道结构变形

图12 沿隧道右线轴线隧道结构变形

左线隧道与右线隧道除变形量大小差异外变形规律相同，均表现为变形量先增大后减小，结构变形最大位置均在C1～C2段管沟开挖位置，变形量分别为2.7、1mm。可以看出，由于右线隧道较左线隧道离开挖边线远，因此变形量较小；在C2～C5段管沟开挖管道施工并进行回填后，隧道结构变形主要由C1～C2段管沟开挖引起，随着隧道与开挖位置距离增大，变形逐渐减小。

3.3 方案对比分析

由上述结果可得，采用一次性进行管沟开挖后再进行管道施工、管沟回填时，施工过程中引起隧道结构最大水平位移为0.7mm，最大隆起值为3.2mm；采用分段开挖管沟并进行施工回填时，隧道结构最大水平位移为0.7mm，最大隆起值为3.0mm。虽然两种方案均满足隧道结构控制要求，但通过模拟结果的对比可以看出，优化方案的施工过程中隧道结构整体变形比基础方案小，施工对隧道结构的影响小，施工安全风险低，采用该种方式施工比较安全，因此当管道改造工程距离较长时，宜采用分段开挖并及时回填的方案。

4 管道爆炸情对地铁结构安全性影响

管道建成后会通过集中控制系统对整个管段的压力等参数进行监控，在管道两端设置有紧急放散系统，遇到紧急情况（如压力超标等）时开启紧急放散系统，保证项目管段的压力在安全运行的范围，项目管道发生蒸汽云爆炸的可能性极小。

为确保地铁结构安全，报告对极端情况下管道发生爆炸时地铁结构安全性进行评估。

（1）C1～C2、C4～C5段结构安全性评估。盖板涵尺寸为1.5m×1.5m，壁厚300mm，输气管从管涵内穿行通过，输气管道与管涵间的空隙以细土回填。计算考虑极端情况，爆破超压为0.25MPa，爆破气压直接作用于管涵内侧，选取横断面1延米进行受力分析，计算结果如图13所示。

图13 管涵内力图

根据计算结果可得爆破超压作用下管涵最大弯矩40.74kN·m，最大剪力186.04kN，由于V＜0.7ftbho故采用弯矩进行配筋验算，如表6所示。分析表明燃气发生爆炸时，盖板涵承载力满足要求，其爆压控制在管涵内部，不会影响到地铁结构安全。

表6 管涵配筋结果验算

（2）C2～C3、C3～C4段结构安全性评估。输气管道外套钢筋混凝土套管，套管为直径800mm，壁厚80mm钢筋混凝土套管，套管与输气管间以细砂填充。计算考虑极端情况，爆破超压为0.25MPa，爆破气压直接作用于套管内壁，计算结果如图14所示。

图14 套管内力图

根据计算结果可得爆破超压作用下套管外侧最大弯矩7.91kN·m，最大剪力为57kN，由于V＜0.7ftbho故采用弯矩进行配筋验算，如表6、表7所示。

表7 管涵配筋结果验算

分析表明燃气发生爆炸时，套管承载力满足要求，爆压控制在套管内部，不会影响到地铁结构安全。

5 结语

通过对某输气管道改造工程进行三维数值模拟分析，得到管沟开挖对盾构隧道结构的影响规律，可以得出：

（1）通过模拟结果发现土方开挖量与隧道结构变形正相关，开挖量越大，变形越大。

（2）盾构隧道结构变形受周围土体开挖直接影响，土方开挖位置距盾构隧道越近，隧道结构变形越大。

（3）对比两种不同的施工方案，建议管道改造工程优化开挖施工步骤，采取分段开挖，施工完一段立即进行回填再进行下一段开挖，尽量减小卸荷引起地铁区间结构变形。