盾构下穿地下燃气管线施工控制的有限元模拟分析

谢皆睿

（中铁十六局集团轨道公司，北京 通州 101100）

0 引言

盾构法施工不仅安全、可靠、平稳，而且施工速度快，在地铁隧道的建设中得到了广泛运用。但是各大城市中，不可迁改的管线一定程度上制约着地铁建设的施工速度，增大了建设风险[1]。

本文基于具体施工案例，对盾构掘进参数进行详细的研究分析，通过有限元建模进行仿真模拟，给出合理的施工参数组合，以求尽量减小掘进参数对地层的扰动，限制地层变形的产生并抑制变形的发展，从而保护地下高压燃气管线。该研究对类似盾构下穿工程具有一定指导意义。

1 工程概况及水文地质条件

1.1 工程概况

桥头堡站～盾构转换井区间，左右线长116.892m，97 环（环宽1.2m，外径6.2m，内径5.5m，厚0.35m，错缝拼装，环缝接触面设凹凸榫，弯螺栓连接）；区间最大埋深10.8m，最小埋深9.7m；线路间距10.12～15.7m，曲线半径为：2500m。两台铁建重工公司生产的ZTE6410土压平衡盾构机，桥头堡站始发，盾构转换井接收。

1.2 杭甬线管道DN813概况

已建天然气杭甬线管道为西气东输重要管线，本段为萧山段，2007年完成并投入运行。

管线设计压力：6.3MPa；管径及材质：D813×11.9mm，L450 螺旋缝埋弧焊钢管；区间隧道在右33、左3 下穿，管道埋深约1.2～3.6m，距离盾构顶6.35～7.52m，与左线隧道交叉角度为86°，与右线隧道交叉角度为76°，交叉段管线埋深为左线3.44m，右线2.26m。

1.3 水文地质条件

隧道开挖土层中以粉土、砂质土为主，且施工涉及高压燃气管线位于第二层，开挖隧道位于第三层，因此以粉砂土层为研究对象。隧道与管线相对位置平面图如图1所示。

（1）第二大层：“硬壳层”（al-mQ43）：可分为②31层黏质粉土、②32 层砂质粉土、②42 层砂质粉土夹粉砂3个工程地质亚层。

（2）第三大层：钱塘江冲海积层（al-mQ42）。全新统中段河口相沉积地层，岩性多以粉（黏）性土为主，可分为③5层粉砂、③6层砂质粉土2个工程地质亚层。

地下水类型主要为松散岩类孔隙潜水，主要赋存于浅（中）部填土层、粉（砂）性土中。潜水稳定水位埋深为地面下1.40～2.80m，平均高程为3.41m。

2 基本计算原理和方法

区间粉砂土层是含水量大、压缩性高、承载力低的一种软塑到流塑状态软土[2]。采用的本构模型有：（1）Mohr-Coulomb 模型，模拟围岩土体；（2）修正剑桥模型（MCC）。同时，采用依据盾构穿越地层的地质剖面图，建立能够反映各土层分布特征的初始地应力分析模型，在模拟时只考虑重力产生的初始地应力场。

2.1 材料与荷载的模拟方法

在模拟盾构施工时，不同位置单元材料示意图如图2 所示。通过变换相应位置单元的材料反映盾构向前推进。

图2 不同位置单元材料示意图

2.2 施工步模拟方法

采用有限元软件ABAQUS作为计算工具，应用生死单元法来模拟盾构开挖掘进过程；土体采用Mohr-Coulomb 本构及MCC 模型进行模拟；用线弹性本构模拟混凝土衬砌。盾构隧洞的施工过程可概括为工作面开挖、盾尾衬砌环的拼装和盾尾空隙注浆充填几个步骤，工作面开挖和衬砌的拼装交替进行，直至整条隧洞完成[3]。

3 盾构掘进参数的计算

盾构掘进的土压力、盾构推进力、刀盘扭矩、刀盘转速均与盾构推进速度有着密切的关系。而盾构推进速度与施工地段的地层沉降有着密切联系。本文的仿真模拟即是基于此，通过调整盾构施工中的相关参数来改变盾构推进速度，以不同的盾构推进速度进行隧道开挖的模拟[4]。将盾构施工掘进的理论参数与杭州某地铁施工实际相结合，通过一系列计算，将盾构施工掘进参数的范围大致确定下来，如表1所示。

表1 盾构施工掘进参数范围（理论预算值）

4 盾构开挖对地下高压燃气管线沉降影响模拟

研究中涉及衬砌和地下高压燃气管线采用线弹性模型，施工段土体采用弹塑性模型即摩尔-库伦（Mohr-Coulomb）屈服准则[1]。以上本构模型可以较好地反映土体的应力应变特性，且参数相对较少，在实际的岩土工程中应用比较普遍。

4.1 计算模型

建立地铁盾构下穿高压燃气管线有限元模型，在ABAQUS 中构建数值分析模型时选取隧道开挖经过地下高压燃气管线的洞段为研究对象，重点分析盾构施工过程中包括土压力、盾构推进力、推进速度、刀盘转速等盾构掘进参数变化在开挖过程中造成的地下高压燃气管线沉降量。网格的划分采用C3D8R八结点线性六面体单元划分技术，整个模型共划分137964个单元。赋予不同的材料参数。利用生死单元法分步移除和激活不同的单元，动态模拟工程施工过程。

整个模型共划分137964个单元，以管线与开挖隧道成90°角的工况为例，所建立模型如图3所示。

图3 盾构下穿地下管线有限元模型图

4.2 盾构掘进模拟步骤

（1）计算盾构开挖前土体的初始应力，得到土体的初始应力应变状态；

（2）利用ABAQUS生死单元杀死一个衬砌管片宽度的待开挖土体单元，由盾构壳体支承隧洞一周的未开挖土体，在盾构尾部处进行衬砌管片的铺设；

（3）盾构开挖推进到下一步长，利用ABAQUS 生死单元激活衬砌单元，利用衬砌管片的支承来替代开挖处土体，施加注浆产生的均布压力于盾尾。

重复以上第2、3步的过程，直至盾构开挖通过高压燃气管线一定距离。

4.3 不同盾构掘进参数对管线沉降影响

改变盾构推进过程中土压力、盾构推进力、刀盘转速以及刀盘扭矩等掘进参数使盾构机以不同的推进速度向前推进，通过ABAQUS有限元数值模拟仿真，得到沿管线轴线的水平坐标上管线的沉降变形（即管线竖向位移）情况，水平坐标以开挖面在管线正下方为起点，分别观测两端50m范围内管线的变形情况。

4.3.1 土压力的影响

由图4分析可知：左线对管线的沉降变形均较右线的沉降变形大。考虑管线的安全性以及盾构施工的效率，如果选取土压力过小将导致在施工过程中管线的沉降变形超过理论计算的管线安全变形值，且盾构开挖的效率慢，影响施工进度，选取的土压力过大将会导致施工段地面隆起。故选取1.1～1.25bar作为盾构隧道施工土压力的参考范围。

图4 土压力对管线沉降的影响

4.3.2 盾构推进力的影响

由图5分析可知，如选取盾构推进力过小，将导致施工过程中管线的沉降变形超过理论计算的管线安全变形值，且盾构开挖的效率慢，影响施工进度；选取的盾构推进力过大会导致施工段地面隆起。故选取11000～12500kN作为盾构隧道施工时盾构推进力的参考范围。

图5 盾构推进力对管线沉降的影响

4.3.3 刀盘扭矩的影响

由图6分析可知，考虑管线在盾构施工中的安全性以及盾构施工的效率，如果选取盾构刀盘扭矩过小将使施工过程中管线的沉降变形超过理论计算的管线安全变形值；选取的盾构刀盘扭矩过大，将导致盾构开挖过程中的阻力增大，影响施工进度，且扭矩过大还将导致开挖面前方地面隆起。故选取1500～1700kN·m 作为盾构隧道施中盾构刀盘扭矩的参考范围。

图6 刀盘扭矩对管线沉降的影响

4.3.4 刀盘转速的影响

由图7分析可知，如果选取盾构刀盘转速过小将使盾构开挖的效率慢，影响施工进度，选取的盾构刀盘转速过大，将导致在施工过程中管线的沉降变形超过理论计算的管线安全变形值。故选取1.0～1.2r/min 作为盾构隧道施中盾构刀盘转速的参考范围。

图7 刀盘转速对管线沉降的影响

4.4 盾构施工掘进参数组合范围的确定

由以上ABAQUS数值模拟的结果分析，结合实际施工经验最终确定的盾构掘进参数的组合范围见表2。

表2 盾构施工掘进参数范围（数值模拟值）

5 盾构下穿高压燃气管线沉降结果

2020年1月5日，盾构顺利下穿杭甬高压燃气管，期间检测数据显示，累计最大沉降13.6mm。由于此区间距离短，纠偏困难，始发阶段盾构机调整好姿态，参考相关参数，避免在掘进中姿态变化，顺利快速完成穿越，未对高压燃气管线造成影响。

6 结束语

通过ABAQUS 有限元数值模拟软件可对盾构隧道穿越高压燃气管线的施工全过程进行模拟，并对包括土压力、盾构推进力、推进速度、刀盘转速等盾构掘进参数对地下高压燃气管线的沉降影响进行安全范围的确定。通过分析得出结论，高压燃气管线与开挖隧道夹角越大，盾构推进过程中对管线的沉降影响越大。实践证明，有限元数值模拟为该工程盾构施工参数控制提供了科学支撑，为地下管线的沉降控制提供了安全保障。