探讨有限元分析在临近工程施工风险评估中的应用

林 权

（广州市交通设计研究院有限公司,广东 广州 511430）

0 前言

随着国内基础设施建设的不断完善，出现越来越多新旧工程相互影响的项目，其中，承载着城市化、工业化重要保障功能的各类管道、管线，与作为地下管线重要通道的道路桥梁的关联项目也越来越多、越来越复杂。由于地下设施具有隐蔽性的特征，施工质量会直接影响道路桥梁的质量和运营安全。因此，道路管理部门对管道敷设的施工风险管理的力度也逐年增加，尤其是新建管道下穿现状桥梁的项目，成为了施工风险管理的重点对象。

目前，相关管理部门主要以施工风险评估的方式作为前期风险管理，且自2011年颁布《公路安全保护条例》以来，对涉公路项目均需提供《保障公路、公路附属设施质量和安全技术评价报告》。但目前的施工风险评估主要还是以专家调查法、层次分析法、模糊综合评价为主线的方法为主，这些方法大部分是以定性或定量与定性相结合的评估方法，以施工工序为对象，通过工序分解，分析评估单元中可能发生的典型风险事故类型，形成风险辨识清单，构建安全专项风险评估指标体系，确定各个风险源的风险等级。但目前上述评估方法中所用的定量分析，仍极易受个人主观因素所影响。

20世纪60年代初，国际上开始投入大量的人力和物力开发有限元分析程序，1965年，“有限元”这个名词第一次出现。近年来，随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视。根据当前的发展现状，有限元分析方法有以下几个优势：与CAD软件的无缝集成；更为强大的网格处理能力；由求解线性问题发展到求解非线性问题；程序面向用户的开放性程度高。通过有限元分析，可以增加产品和工程的可靠性，并且在产品或项目的设计阶段发现潜在的问题，经过分析计算，采用优化设计方案，减少试验次数，从而减少试验经费[1]。

1 工程实例

1.1 研究方法

该文以工程实例为依托，以Midas GTS NX有限元分析软件作为分析工具，建立有限元模型，研究新建管道顶管施工对临近结构物（桥梁）稳定性的影响，以此探讨有限元分析在临近工程施工风险评估中的应用性。

1.2 工程概况

XX项目新建污水管道WZ17-WZ18采用顶管施工，施工长度108 m，管顶覆土4.30～5.65 m，管材采用Ⅲ级钢筋混凝土顶管，管径为DN1000，顶进采用泥水平衡法施工。该顶管段需要穿越XX立交现状高架桥，施工前需要论证该次污水管道顶管施工对现状桥梁运营安全的影响程度，判断管道路由是否需要变更或是否需要对桥梁基础增加相应的防护措施。

顶管与高架桥的位置关系如图1所示。

图1 顶管与桥梁基础的位置关系

1.3 有限元建模分析

1.3.1 模型建立

计算简图：根据项目施工图设计文件中顶管与桥梁基础的相对位置关系，综合确定了平面计算简图。

地层划分：根据项目岩土工程勘察报告中的地层资料，充分考虑顶管施工的不利情况将地层自上而下简化为填土、淤泥、粉质黏土、中砂、强风化泥质粉砂岩岩、中风化泥质粉砂岩六层。

该次模型计算范围为桥梁基础前后各10 m范围内的顶管施工，模型边界水平方向取至桥梁基础两侧各15 m，水平方向取至桩底10 m，充分消除模型的边界效应；模拟计算过程中约束模型底面竖向位移，约束模型侧面的法向位移。

最终建立模型尺寸为67 m*55 m*35 m，采用混合网格生成器划分网格，共包含个57 042个单元和39 254个节点，具体如图2、图3所示。

图2 整体模型

图3 顶管与桥梁基础位置关系俯视图

1.3.2 工况划分

根据项目顶管施工专项方案中的相关要求，结合该次建模分析的实际需要，该次计算共划分59个施工阶段，具体内容如下：

工况1：初始地应力平衡。模拟场地初始地应力情况，并清空位移场。

工况2：既有桥梁施工。顶管在施工前，场地存在初始应力场，该初始应力场应考虑既有桥梁施工时导致的土体自重应力场的变化，故需要在土体自重应力场的基础上模拟桥梁施工过程。

工况3：位移清零。顶管掘进作为后续施工，在顶管掘进之前它们之间无变形的相互影响，所以在上述工况2应力场基础上，初始化所有位移为零，仅保存其变化的应力场作为顶管施工模拟的初始应力场。

工况4～工况59：顶管施工。每个顶管掘进步长为2 m，共分28个掘进步。每个掘进步分两个阶段，第一个阶段钝化开挖范围内的土体，在掌子面添加正面推进力；第二个阶段激活管片单元，实现管节顶进，并激活注浆部分土体和改变属性边界条件，以实现同步注浆效果。

1.3.3 计算结果

为了方便结果的表达，将坐标系及桥梁基础编号规定如图4～图7所示。

图4 桥梁基础编号及坐标系规定

图7 顶管施工结束后桥梁基础Z方向变形云图

图5 顶管施工结束后桥梁基础X方向变形云图

1.4 结果分析

（1）根据结果云图来看，顶管顶进施工对周围土体产生了一定的扰动，并且顶管隧道开挖过程中产生的地层变形传递到了既有桩基上，桩基周围土体的力学性质与应力场相应的发生了变化，桥梁基础也产生了一定程度的变形。水平方向主要表现为朝向顶管隧道变形，竖直方向主要表现为沉降。将各工况桥梁基础变形最大值整理如表1所示。

表1 顶管下穿立交高架桥计算结果 /mm

对比相关规范，桥梁基础变形满足安全要求。

（2）该次数值模拟分析计算结果表明该项目WZ17-WZ18污水顶管顶进施工引起邻近立交高架桥桥梁基础的变形符合规范限制，其安全风险程度在可接受范围内。

（3）该次数值模拟结果可为施工安全风险评估提供参考，也可用于指导设计和施工。

（4）该次新建污水管道顶管施工对既有桥梁的运营安全影响可控，不需变更管道路由，可进一步探讨就地保护措施。

2 总结

随着科技的不断进步，有限元分析软件在功能、易用性等方面有了长足的进步，并且与建筑行业的技术融合趋势也越来越明显。有限元分析是一个有很大潜力的行业实践，尤其是在城市建设进入更新改造阶段，有大量的新旧相邻的项目，通过有限元的建模分析，可以减少繁重的试验工作，降低项目投资。

该文结合工程实例，利用有限元软件分析了新建工程施工对临近结构物稳定性的影响程度，实现了施工前的项目风险控制，为项目建设节约了资金投入。希望通过该文的研究为将来该类型的项目提供安全管理思路和研究借鉴。