安全监测及数值分析在隧道穿越输水管道工程的综合应用

唐远东

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

随着我国城市化进程的加快，城市交通紧张状况已完全显现出来，一些大中型城市交通道路的通行条件已严重恶化，随着汽车保有量的迅速增长，道路交通阻塞、城市空气污染、街区噪声污染已对城市居民造成了严重的困扰。因此在城市地下修建地铁已成为缓解城市交通问题的有效手段之一，目前我国许多大城市的地铁线路几乎可以覆盖全城，但在地下铁路交通网不断拓扑延伸的同时，也带来了一些相关问题，特别是隧洞开挖对上部已有工程的影响逐渐暴露，偶有报道地铁施工产生的地面沉陷，管道破坏等安全事故发生。

本文以具体交叉穿越工程为例，通过对受地铁施工影响的输水管道工程安全监测及数值分析计算，着重阐述了地铁隧洞施工期间，输水管道及周围土体受力、位移变化情况，依据理论方法进行参数选取，并应用 MIDAS GTS NX软件进行有限元分析，通过模拟开挖过程，分析管道的整体稳定性，验证所选开挖方案的合理性，比较监测数据，验证了监测结果的合理性。

1 总体监测方案

1.1 工程概况

某地铁区间全长1200m，采用盾构法施工穿越输水管线B、A。盾构段在两端端头处各设一个盾构井。下穿输水管线为两根预应力钢筒混凝土承插管，分节长度为5m，内径为3.2m，外径为3.8m，水平中心间距为15m，覆土厚度约为3.6m，水压力为0.6MPa。

出入线与管线平面投影斜交，左、右线与管线呈53°交角，下穿管线斜长23.7m。出入线右线与既有管线B、A交点处竖向净距3.54、3.32m，管顶覆土深度1.5～1.6m；出入线左线与管线B、A交点处竖向净距3.09、3.07m，管顶覆土深度1.79～1.92m,如图1所示。

图1 管线与盾构施工路线位置关系图

1.2 监测设计

1.2.1监测点位布设原则

根据本工程结构形式、施工工况、荷载条件等基本资料，预估盾构施工过程中输水管线受周围土体压力、土体位移等变化影响，管线必然存在沉降、隆起等变形趋势。有针对性地布置了管顶水平位移及沉降监测、管线上方地表监测、及土体分层位移监测，获取施工过程中输水管线基础性状信息，防止管线受到外部荷载作用后产生破坏。各监测项目布设点位力求兼顾全局、统一规划、目的明确、控制关键。

1.2.2点位布设及数据采集

影响区域外布设4个强制对中观测基准点，施工现场布设1个自动变形监测工作基点。基准点、工作基点均与已有高程控制点进行联测形成闭合导线。所有监测数据均自动采集、传输、计算。

盾构法施工下穿输水管线时，沿B、A两根输水管线水流方向65m内(单根管节长5m，共计26节管道)，在管节承插口处左右各布设2个测点，共计布设56个水平位移及沉降位移监测点。在每节输水管线上部布设1个测点，监测管线上方各层土体的水平位移及沉降。沿隧道开挖方向中线处布设测点，共计22个测孔，每个测孔设置3个测点，监测管道与隧道间的土体分层位移,见表1。

表1 自动化监测项目、监测点汇总表

1.2.3地表沉降监测

地表沉降基准点与管顶沉降监测人工检核基准点共用，每5m布置一组，且与管线上方地表测点处于同一直线布置。

将全站仪放在工作基点上，以另一个工作基点为后视方向，仪器按各测点的初始坐标自动寻找目标点，自动进行下一个测点的监测及记录，全站仪采集的数据可随后在计算中心进行后处理从而得到地表各点的沉降位移量。

1.2.4土体分层沉降监测

管道与隧道间土体分层沉降基准点与管顶沉降监测人工检核基准点共用，管道与隧道之间设置3个测点，分别监测土体分层沉降，各测点距隧道顶面1、2、3m。

土体分层沉降监测采用水准测量法，三级点位，两级控制。三级点位即设置水准基点、起测基点、沉降监测点三种测点。两级控制既由水准基点校测起测基点，由起测基点监测垂直位移测点。测量孔口标高时，先在沉降管孔口位置做标记，利用精密电子水准仪测量孔口标高，作为沉降监测初始值。土体分层沉降监测时将测头放入导管内，当测头接触到土层中磁环时，记录进程测读(Ji)和回程测读(Hi)数据。通过以下公式即可计算出土体分层沉降量。

Si=(Ji+Hi)/2

式中，i—一孔中测读的点数，即土层中磁环个数；Si—i测点距管口的实际深度，mm；Ji—i测点在进程测读时距管口的深度，mm；Hi—i测点在回程测读时距管口的深度，mm。

1.2.5监测频率

依据GB50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》，结合工程特点，管线监测频率、基坑开挖监测频率见表2。

表2 管线监测频率

2 监测数据分析

2.1 管顶水平位移及沉降

盾构法施工隧洞穿越输水管线施工期，管顶水平位移及沉降发展过程如图2所示(X轴为管线走向方向(东西方向)，Y轴与管线走向垂直方向(南北方向)，Z轴为竖向方向)。由于土体受盾构机推进扰动的不同，两根预应力钢筒混凝土承插管的管顶各测点水平位移及沉降亦有所不同(1—23为管线B、24—56为管线A)，但两条管线的水平位移均控制在±1mm，管顶沉降位移均控制在±0.5mm。输水管线管顶位移及趋于稳定，管线周围土体的沉降、隆起均在允许波动范围内。

图2 输水管线水平位移及沉降监测量

2.2 管线上方地表沉降监测

由于地下土体受盾构机推进而遭受扰动的不同，相应反映到地表土体扰动亦不相同。但总体而言，管线上方地表沉降量变化趋势与管顶沉降量变化趋势相同，沉降位移变化基本一致，只是数值略小。两条管线上方的地表沉降位移均控制在±0.4mm(1—13为管线B、14—26为管线A)，如图3所示。输水管线上方地表沉降趋于稳定，管线上方地表土体的沉降、隆起均在允许波动范围内。

图3 输水管线上方地表监测量

2.3 管道与隧道间土体分层位移监测

由于各层土体孔隙率、含水率略有不同，相应每层土体产生的位移亦不完全相同。土体距离管线越远，土体分层位移变化趋势越平缓，各测点变形发展趋势与地表监测量位移变化规律基本一致。各土体分层位移趋于稳定，不同土层的沉降、隆起均在允许波动范围内，如图4所示。

图4 土体分层位移监测量

2.4 监测数据分析

通过实测监测数据表明，各监测数据成果呈线性变化，符合实际规律，满足相关规范要求及管道运行安全要求。所选隧洞施工方案不会对管道安全产生影响。

3 数值模拟分析

3.1 模型建立

MIDAS GTS NX作为一款专用于岩土及地下工程的有限元分析软件，包含线性与非线性静力分析/动力分析、渗流固结分析、施工阶段分析等多种分析类型，广泛应用于水工、地铁、矿山、隧道等领域的有限元分析。

本工程有限元分析为三维数值模拟，模型采用四面体单元建模，对管道及隧洞混凝土材料进行了等效替代及结构简化，主要物理力学参数见表3。

计算主要任务为分析管道与隧道间土体沉降，因此选取两条隧道中的一条与上部输水管线作为建模对象，并将数值模型周围土体向外做了一定程度的拓展，模型底长设定为50m，底宽34.8m，高25.2m，计算模型共划分为60324个单元，11179个节点。建模完成后，输入土体物理力学参数、隧道及管道材料参数以便软件运行计算。网格模型如图5所示。

表3 结构物理力学参数表

图5 计算网格模型

3.2 应力应变计算

求解运行后，软件直接计算出位移及应力结果。位移结果如图6所示，最大竖向位移发生在管道承插口底部，位置值为0.34mm。

图6 竖向位移云图

软件切换至计算结果显示管道承插口底部局部产生的应力最大值为23MPa。应力云图如图7所示：

图7 应力云图

分析位移应力云图可知，随着埋深增加，竖向位移不断增大，最大竖向位移发生在管道底部，均小于管道工程允许安全沉降限值2.5mm；应力值增大后亦小于管道混凝土设计开裂强度允许值34MPa。

3.3 结果分析

通过软件数值分析结果表明，对本工程模拟的位移场分布和应力场分布规律较为合理，地下隧道施工期间不会造成管道沉降过大及应力破坏，安全裕度较大。隧道结构施工方案能够满足管道的整体稳定及运行安全要求。

4 结语

通过监测施工期管道应力、位移变化及二者变化趋势等波动情况，并参照以往工程监测实例，表明在隧道穿越输水管线施工时，通过采用合理的施工工艺，能够保证管道的运行安全。

应用MIDAS GTS NX建模，数值分析结果验证了长系列监测数据的合理性。分步计算实现了对施工安全和既有建筑物安全性态的实时跟踪评判，及时发现问题，解决问题，达到检验和优化设计、指导施工的目的。

以上结果表明，应用安全监测与数值分析联合验证的方法，已成为此类交叉穿越工程安全施工的有效手段。