盾构隧道深基坑开挖对邻近超高压燃气管道的影响研究.pdf

第1期（总第232期）2024 年 2 月CHINA MUNICIPAL ENGINEERINGN o.1 (S e r i a l N o.2 3 2)F e d.2 0 2 4121盾构隧道深基坑开挖对邻近超高压燃气管道的影响研究任 辉1，毕 金 锋2，郭 保 和1，李 雁1，蒲 万 里11.珠海市轨道交通有限公司，广东 珠海 519000；2.上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海 200125摘要：以珠海隧道始发井及车架段深基坑开挖工程为背景，利用数值模拟，研究基坑开挖引起的地表沉降对邻近既有燃气管道内力的影响。利用有限元方法，将监测得到的燃气管道沉降数据作为数值模型的边界条件，反算燃气管道的内力变化。根据数值模拟结果，选取管道局部内力突变与内力较高的部位，进行现场监测。模拟结果表明，地层沉降引起的燃气管道内力增加有限。现场监测结果也证明，管道整体内力水平处于安全范围内，暂不需要对燃气管道采取防护措施。关键词：盾构隧道；基坑开挖；燃气管道；数值模拟；现场监测；珠海隧道中图分类号：TU996.7 文献标志码：A 文章编号：1004-4655（2024）01-0121-04收稿日期：2023-04-03第一作者简介：任辉（1986），男，高级工程师，硕士，主要从事隧道建设管理工作。DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2024.01.027目前，我国基础建设快速发展，地下空间建设和高层建筑的基坑开挖会对邻近已有管道造成影响。基坑开挖和降水而引起地层沉降，会导致管道内部产生附加应力和变形，对于连接方式薄弱的管道，容易由于不均匀沉降而造成断裂或错台等破坏。对于燃气管道，一旦由于应力集中而发生泄漏，极易引发燃烧爆炸事故，不仅带来重大经济损失，而且威胁附近居民的人身安全。因此，在各类工程中，有必要利用理论分析、数值模拟或室内试验分析深基坑开挖对邻近管道的影响。目前，已有一些关于基坑开挖对燃气管道影响的研究结果。冯立雷1根据郑州惠济管廊工程，提出对既有高压燃气管道进行保护的技术方案。王进先2提出 1 种地铁车站基坑开挖过程中对燃气管道的悬吊保护措施。郭延辉等3通过改进基坑支护强度来降低对天然气管道的影响。董捷等4基于有限元分析，给出燃气管道与基坑开挖边界的安全距离建议值。杨罗等5分别对冲击钻孔桩施工、基坑施工及盾构施工情况，提出在役埋地燃气管道的临近防护措施。周剑6依托成都轨道交通 L8 基坑开挖工程，提出针对燃气管道的围护桩、冠梁和管道迁改的保护措施。朱琴君等7研究了土体加固措施对降低天然气管线受基坑开挖的影响程度。除此之外，针对其他类型的管道受基坑开挖等影响的模拟研究及防护措施的研究则更为常见8-16。虽然珠海隧道的始发井及车架段与燃气管道有一定距离，但是，场地内存在深厚软土层，基坑开挖深度大，降水深度较深，仍可能引起燃气管道所在位置的沉降变形，导致管道内力增大，超过正常使用的容许范围。研究针对珠海隧道始发井及车架段深基坑开挖降水对邻近燃气管道的影响进行数值模拟，取基坑开挖至最深处、降水至最低点时为最不利工况，利用实测的沉降数据作为已知条件，反算邻近燃气管道的内力，并与监测结果进行对比分析，为管道的检测及安全评价提供依据。1 珠海隧道始发井及车架段基本情况1.1 工程概况珠海隧道工程西起珠海大桥西侧，东至珠海大桥东侧，线位平行于现状珠海大桥南侧布置，规划为城市快速路，采用双向 6 车道规模。工程全长约1222024 年第 1 期任辉，毕金锋，郭保和，李雁，蒲万里：盾构隧道深基坑开挖对邻近超高压燃气管道的影响研究5.1 km，其中隧道段长度约 4.5 km。隧道穿越磨刀门水道采用盾构法实施，为双管单层盾构，盾构段长度约 3.0 km，盾构始发井位于磨刀门水道西岸珠海大桥南侧，盾构接收井位于磨刀门水道东岸珠海大桥南侧。始发井尺寸为 24.4 m48.4 m，深 度 29.64 m；车 架 段 基 坑 长 113.8 m，基 坑 宽37.2139.37 m，深 16.6126.56 m。基坑开挖范围内存在 2233 m 厚的软土层，地层受施工扰动后易发生强度降低和变形增大，对周边环境影响较大。场地内同时存在潜水和承压水，基坑降水过程中，对地层内的承压水水位影响较大，也是周围地层产生沉降的主要原因。始发井位置的地层分布情况见表 1。表 1 始发井地层分布情况土层名称层底标高/m土层厚度/m4填砂-0.132.534粉砂-4.134.002淤泥质黏土-20.6316.5021淤泥质黏土-36.1315.503粉质黏土-45.139.002中粗砂-47.832.703砾砂-57.139.301全风化花岗岩-60.133.001.2 基坑邻近燃气管道变形情况基坑北侧存在 1 条超高压燃气管道，距离现状路基边缘最近约 2030 m，为珠海、中山和澳门输送天然气。管道外径 660 mm，壁厚 17.5 mm，输送介质为净化天然气，输送温度为 045，设计压力为 9.2 MPa，材质为 L450MB（X65）直缝埋弧焊钢管。管道与基坑之间的位置关系见图 1。o R14 R13 R12 R11 R10 R9 R8 R7 R5 R4R6燃气管道开挖区域yx图 1 燃气管道与隧道始发井之间的位置关系燃气管道若发生破坏，不仅影响相关城市的天然气使用，而且存在较大安全风险。为探明管道的位置，并监测基坑开挖过程中管道的变形与内力变化，在基坑附近管道上布设 14 个位移监测点（R1R14）。本研究仅关注 R4R14 测点范围内的变形情况。根据监测结果，基坑开挖前，该区间的管道的水平和竖向空间位置见图 2，图中 y/z 坐标以数值模型中 x=0 处的管道位置为参考。0 400 800R14 R13 R12 R11 R10 R9 R8 R7 R5 R40.80.40-0.4-0.8-1.2-1.6-2x 坐标/my/z 坐标/mz 坐标y 坐标R6图 2 燃气管道的水平和竖向空间位置关系（开挖前）在基坑开挖过程中，监测燃气管道的沉降，开挖至最低点后，管道沉降量见图 3，最大沉降量为44.09 mm，位于测点 R8。R14 R13 R12 R11 R10 R9 R8 R7 R5 R4R6-10-15-20-25-30-35-40-450 400 800 x 坐标/m沉降变形/mm图 3 燃气管道量沉降（隧道始发井开挖完成后）2 燃气管道内力的数值模拟分析参考 GB 502512015输气管道工程设计规范，管道在设计压力下工作的内力远低于所使用钢材的屈服强度，研究依此假设：由于土体沉降，管道在变形过程中始终未达到塑性变形状态。数值模型以图 1 中 O 点为原点，沿燃气管道走向的长度取 800 m、横向宽度取 50 m，竖向厚度取 5 m，模型尺寸见图 4。管壁厚度仅为 17.5 mm，远小于整体尺寸，利用结构单元壳单元对管道进行模拟。并且假设土体与管道接触面协调变形，不发生滑移。为减少网格数量，在管道截面所在的边界上先进行 2D 三角形网格划分，将得到的平面网格沿着管道走向进行扫掠，划分网格 134 750 个。800 m50 m5 mR14R13R12R11R10R9R8R7R4R5R6燃气管道0.66 m图 4 数值模型的几何尺寸1232024 年第 1 期模型中土体和管道的材料参数见表 2。表 2 材料参数参数土体管道弹性模量/MPa20 205 000泊松比0.350.30密度/(kgm-3)1 9007 8503 地基沉降对燃气管道的影响为进一步分析燃气管道上的应力分布，取管道截面上下左右 4 个点进行分析，位置见图 5。P1、P2 分别为靠近基坑一侧和远离基坑一侧的点，而P3、P4 为上侧和下侧的点，重力方向沿图中坐标 z的反方向。P3P2P1P4zyR=0.33 m重力远离基坑一侧靠近基坑一侧图 5 燃气管道分析点的位置图根据相关规范，输气管道的壁厚 与设计压力P 的关系，见式（1）。=PD2sFt （1）其中管道外径 D=660 mm，s为钢管的最小屈服强度，为焊缝系数，F 为强度设计系数，t 为温度折减系数。根据该燃气管道的实际情况，钢管材料为 L450MB（X65），按四级地区计算，管道设计承载能力为 180 MPa。P1、P2 两处沿管道轴线方向的最大主应力分布见图 6 图 7。通过数值模拟，不考虑地层约束作用和沉降影响，管道壁内的应力主要来源是燃气的气压，管道两侧的最大主应力接近 180 MPa。加入地层的约束作用后，沿管道走向最大主应力整体升高，达到 185 MPa 左右。施加沉降位移边界条件后，管道两侧的应力分布与仅考虑土体作用时相比，略有增大，但整体不超过 1 MPa。图 6 P1 点（靠近基坑一侧）沿管道轴线方向的最大主应力分布R14 R13 R12 R11 R10 R9 R8 R7 R5 R4R6200 400 600坐标/m最大主应力/MPa185180175仅气压气压+地层气压+地层+沉降图 7 P2 点（远离基坑一侧）沿管道轴线方向的最大主应力分布P3、P4 两处沿管道轴线方向的最大主应力分布见图 8 图 9。仅考虑管道内的燃气压力，管道上、下侧的最大主应力与水平向的量值基本一致，均接近 180 MPa。增加地层作用后，由于土压力的竖向荷载作用大于水平荷载作用，管道在竖向的压缩量大于水平方向，上、下侧的最大主应力降低。考虑气压、地层和沉降的综合作用后，竖向的最大主应力进一步降低，但与前一工况相比，差异并不大。R14 R13 R12 R11 R10 R9 R8 R7 R5 R4200 400 600坐标/mR6最大主应力/MPa180175170仅气压气压+地层气压+地层+沉降图 8 P3（管道上侧）沿管道轴线方向的最大主应力分布任辉，毕金锋，郭保和，李雁，蒲万里：盾构隧道深基坑开挖对邻近超高压燃气管道的影响研究R6200 400 600坐标/m最大主应力/MPa190185180175仅气压气压+地层气压+地层+沉降R14 R13 R12 R11 R10 R9 R8 R7 R5 R41242024 年第 1 期R14 R13 R12 R11 R10 R9 R8 R7 R5 R4180175170最大主应力/MPa200 400 600坐标/mR6仅气压气压+地层气压+地层+沉降图 9 P4（管道下侧）沿管道轴线方向的最大主应力分布4 燃气管道应力检测为确定燃气管道受地基沉降影响的程度，根据数值模拟结果，选取局部应力变化大的部位和应力水平高的部位进行现场测试。在 R4R14 监测段选取 5 处检测，分别为 R7+6 m、R8+10 m、R9-12 m、R11+19 m 和 R14-22 m。测试设备为超声波应力测试仪，利用实测管道中的超声波速与应力之间的关系表征管道受力状态，应力测试精度为 10 MPa。每个检测位置上沿管道环向布设 7 个测点，分别位于管道截面的 0、45、90、135、225、270和 315。现场检测照片见图 10，检测结果见图 11，各检测点的最大应力值与位置见表 3。测点位置介质流向图 10 现场超声应力检测照片R7+6 mR8+10 mR9-12 mR11+19 mR14-22 m18022527031513590451500100500图 11 燃气管道应力检测结果（MPa）表 3 应力检测截面的最大应力及所在方位检测点最大应力值/MPa位置R7+6 m119.445R8+10 m123.80R9-12 m126.3270R11+19 m100.1315R14-22 m124.6225根据规范公式与数值模拟结果，在以设计气压9 MPa 运行时的管道最大轴向应力约为 50 MPa。已知当前的运行压力为 67 MPa，实际轴向应力应更小。几个测试截面的实测应力均远高于理论值，说明除了高压燃气的压力以外，管道还受到较大的附加应力。不同测点之间的平均应力的差异不大，沉降最大的位置(R8+10 m)的平均轴向应力为 107 MPa，而远离基坑开挖位置且沉降较小的测点(R14-22 m)的平均轴向应力为 106 MPa，说明管道的附加应力并不是由于不均匀沉降引起的。推测来源可能有2 个：1）由于管道施工或地面荷载使管道的受力与理想状态存在差异，该部分附加应力在隧道基坑开挖前已经存在；2）测点附近开挖后，管道周围土压力的约束作用消失，影响管道上应力分布。根据 GB 502532014输油管道工程设计规范要求，管道由于永久荷载、可变荷载所产生的轴向应力之和，不应超过钢管最低屈服强度的80%。对于本次研究的管道，其轴向应力远小于许用应力 360 MPa，处于安全状态。5 结语不考虑沉降引起管道变形的影响，燃气管道最大主应力接近 185 MPa，虽然比设计的临界值 180 MPa 略大，但距离屈服强度 450 MPa 还有较大的裕度。考虑沉降引起管道变形的影响，燃气管道两侧的最大主应力比不考虑沉降时增加不超过 1 MPa，说明基坑开挖降水等引起的沉降对管道的应力影响十分微小。在基坑开挖过程中，燃气管道的应力始终处于安全范围内；在基坑开挖结束后，地下水位恢复后，地层沉降会有所回弹，从而降低地层沉降的影响。数值模拟结果和现场检测结果中，管道的轴向应力均远低于许用应力（360 MPa）。基坑开挖过程中，管片处于安全运行状态，需对管道进行持续监测，暂不需要对管道采取额外保护措施。任辉，毕金锋，郭保和，李雁，蒲万里：盾构隧道深基坑开挖对邻近超高压燃气管道的影响研究（下转第 130 页）1302024 年第 1 期环境排放效益对比结果见图 6 b）。图中所示处和处的结论与图 6 a）相似，不同之处为处在福泉路在可变车道优化后，晚高峰时段的环境排放效益优化比例为19%，较通行效率提升比例显著。相比单条可变车道评估结果，可变车道集群优化稳定性更优。4 结语对上海临空广顺北路、协和路、福泉路和金钟路的可变车道进行实例研究与 VISSIM 仿真分析，分别针对不同道路进行逐一评估和对临空区域路网进行评估。针对区域路网评估，建立考虑通行效率和环境排放效益多目标规划模型，使用 AHP-EWM求解模型权重，得到目标函数最大化下的区域可变车道控制方案；以多交叉口车辆平均延误时间最小为目标建立信号配时优化函数，采用混合遗传算法求解。分别从通行效率和环境排放效益 2 个维度，将单条道路与整体路网可变车道设置前后及优化后的仿真结果进行量化对比。得出以下结论。1）采用可变车道控制策略及信号优化方案，对提高临空通行效率、降低能耗方面有显著效果。2）单条道路优化最大值为道路提升极限，高于整体区域路网优化值。3）整体路网优化相比单条道路优化稳定性增加，结果将更符合实际路网提升情况。本研究提出的方法可用于城市可变车道集群优化，为城市可变车道集群的智能化管控提供理论支撑与借鉴。参考文献：1 SHEUJB,RITCHIE S G.Stochastic modeling and real-time prediction of vehicular lane-changing behaviorJ.Transportation Research Part B:Methodological,2001,35B(7):695-716.2 WONGC K,WONG S C.Lane-based optimization of signal timings for isolated junctionsJ.Transportation Research Part B:Methodological,2003,37B(1):63-84.3 马莹莹,曾令宇,陈纲梅,等.可变车道行驶方向的动态控制方法研究 J.控制理论与应用,2016,33(11):1457-1462.4 ASSI K J,RATROUT N T.Proposed quick method for applying dynamic lane assignment at signalized intersectionsJ.IATSS research,2018,42(1):1-7.5 ALHAJYASEEN W K M,NAJJAR M,RATROUT N T,et al.The effectiveness of applying dynamic lane assignment at all approaches of signalized intersectionJ.Case studies on transport policy,2017,5(2):224-232.6 YAO R,ZHANG X,WU N,et al.Modeling and control of variable approach lanes on an arterial road:a case study of dalianJ.Canadian Journal of Civil Engineering,2018,45(11):986-1003.7 郜轶敏,张存保,韦媛媛,等.考虑可变导向车道的干线交叉口协调控制方法 J.交通信息与安全,2019,37(5):54-62.8 赵超.基于可变导向车道的多路口信号自适应控制方法 D.江苏大学,2019.9 李昌泽.考虑可变导向车道的网络交通信号协调方法 D.东南大学,2020.10 刘怡,常玉林,毛少东.设置逆向可变车道的交叉口信号配时优化研究 J.重庆理工大学学报(自然科学),2018,32(10):40-46.11 柳长源,任宇艳,毕晓君.基于改进萤火虫算法的区域交通信号配时优化.控制与决策,2020,35(12):2829-2834.12 牟亮,赵红,崔翔宇,袁焕涛,李燕,仇俊政.基于改进 Lagrange乘子法的交通信号配时优化研究 J.复杂系统与复杂性科学,2021,18(1):80-87.13 刘伟,谢忠金,陈科全.基于 NSGA-II 算法的逆向可变车道信号配时优化 J.重庆交通大学学报(自然科学版),2018,37(6):92-97.陈希，邹婕：基于多目标规划和混合遗传算法的上海临空可变车道集群控制优化研究参考文献：1 冯立雷.综合管廊施工中对既有高压燃气管线的保护技术 J.建筑施工,2019,41(1):156-158,175.2 王进先.地铁车站基坑开挖对燃气管线技术保护措施 J.价值工程,2019,38(35):174-176.3 郭延辉,严明,宋琴,等.深基坑开挖对临近既有高压天然气管道的影响 J.地下空间与工程学报,2021,17(S2):840-847.4 董捷,黄小美,张永兴.燃气管道与悬臂桩基坑安全间距研究 J.煤气与热力,2009,29(6):38-42.5 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position,and the temporary pier plays a crucial role.Key words:temporary pier;arch bridge;top pushing construction;guide beam;stress;deflectionResearch on Intelligent Review Technology Path Based on PDF Drawing FilesZHANG Xiao-song1,YANG Hai-tao1,LI Zhen-zhong1,NI Yi1,LI Yi-fan2,WANG Jian1(1.Shanghai Urban Construction Design&Research Institute Group Co.,Ltd.,Shanghai 200125,China;2.Shanghai Pinlan Data Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200040,China)Abstract:Taking the open cut tunnel engineering drawings as an example,it studies the technical path for intelligent review of PDF format drawings.Based on the technical foundation of AI drawing review for current CAD files,two intelligent review technology paths are proposed:one is based on PDF conversion to CAD drawing review,and the other is directly based on PDF drawing review.Analyze the various graphic information features of PDF drawings,conduct feasibility and effectiveness studies on two technical paths,and ultimately choose the latter as the implementation path to build an intelligent review platform for open cut tunnels and conduct technical verification.Key words:engineering design;drawing;CAD;PDF;intelligent drawing reviewResearch on the Impact of Deep Excavation of Shield Tunnels on Adjacent Ultra-High Pressure Gas PipelinesREN Hui1,BI Jin-feng2,GUO Bao-he1,LI Yan1,PU Wan-li1(1.Zhuhai Rail Transit Co.,Ltd.,Zhuhai 519000,China;2.Shanghai Urban Construction Design&Research Institute Group Co.,Ltd.,Shanghai 200125,China)Abstract:Taking the excavation project of the starting shaft and frame section of the Zhuhai Tunnel as the background,numerical simulation is used to study the influence of surface settlement caused by excavation on the internal forces of adjacent existing gas pipelines.Using the finite element method,the monitored gas pipeline settlement data is used as the boundary condition of the numerical model to calculate the internal force changes of the gas pipeline.Based on the numerical simulation results,select the parts of the pipeline with sudden changes in local internal forces and high internal forces for on-site monitoring.The simulation results indicate that the increase in internal forces of gas pipelines caused by geological subsidence is limited.The on-site monitoring results also prove that the overall internal force level of the pipeline is within the safe range,and there is no need to take protective measures for the gas pipeline temporarily.Key words:shield tunnel;excavation of foundation pits;gas pipeline;numerical simulation;on site monitoring;Zhuhai TunnelOptimization of Shanghai Variable Lane Cluster Control Based on Multi-Objective Programming&Hybrid Genetic AlgorithmCHEN Xi1,ZOU Jie2(1.Shanghai Urban Construction Design&