TBM管道隧道下穿施工对既有管道影响规律研究.pdf

天然气与石油202023年6 月NATURALGAS ANDOILTBM管道隧道下穿施工对既有管道影响规律研究undercrossing TBM pipeline tunnel1.CPECC Southwest Company,Chengdu,Sichuan,610041,China;Qingdao,Shandong,266580,China付欣胡文君三王晓峰黄黄鹏李衍昭程旭东？1.中国石油工程建设有限公司西南分公司，四川成都610041;2.中国石油大学（华东)储运与建筑工程学院，山东青岛266580摘要：为研究小断面管道隧道（Tunnel BoringMachine，T BM）施工工法下穿施工条件下上覆既有管道的变形特征，以某工程为背景，采用数值模拟方法分析了在管道隧道下穿施工过程中上覆既有管道的变形过程。在此基础上，进一步研究了管道隧道与上覆既有管道的垂直净距H和交又角度对上覆既有管道的影响。结果表明：H主要影响上覆既有管道的剪切应变，主要影响上覆既有管道的变形范围，在管道隧道规划设计时，应重点考虑H的影响；管道隧道交又位置前2 D至后4D(D为管道隧道直径）是影响上覆既有管道变形的敏感施工范围，造成上覆既有管道主要变形范围为管道隧道左右5D，在施工至敏感范围时，应在上覆既有管道的主要变形范围内加强沉降监测，若测量结果达到警戒值，应采取补强措施。研究结果可为后续类似工程的设计与施工提供参考。关键词：数值模拟;TBM隧道；下穿管道；影响分析D0I:10.3969/j.issn.1006-5539.2023.03.004Study on the deformation influence pattern to existing pipeline caused byFU Xin,HU Wenjun,WANG Xiaofeng,HUANG Peng,LI Yanzhao,CHENG Xudong”2.College of Pipeline and Civil Engineering,China University of Petroleum(East China),Abstract:In order to study the deformation characteristics of existing pipeline overlying under theconstruction conditions of TBM(Tunnel Boring Machine)method for small-section pipeline tunnel,thispaper is based on a certain project as the background to analyze the deformation process of existingpipeline during the construction of pipeline tunnel by numerical simulation.On this basis,the influenceon existing pipeline of vertical clearance H and crossing angle between pipeline tunnel and existingpipeline is further studied.The results show that H mainly affects the shear strain of existing pipeline,and mainly affects the deformation range of existing pipeline,and the influence of H should beconsidered during the planning and design of pipeline tunnel.The front 2Dto the last 4D(D is thediameter of the pipeline tunnel)of the pipeline tunnel crossing position is a sensitive construction zonethat affects the deformation of the existing pipeline,resulting in the main deformation range of the existing收稿日期:2 0 2 2-11-16基金项目：中国石油工程建设有限公司“复杂环境油气管道TBM隧道建造关键技术”（FKY2022-205）；深圳市白石岭区域天然气管线调整工程（S2021273E）作者简介：付欣（1994-），女，四川成都人，助理工程师，硕士，主要从事隧道研究与设计工作。E-mail:第41卷第3期OIL&GASGATHERING，T RA NSPO RT A T I O NA ND T REA T M ENT I 油气储运与处理pipeline about 5D left and right of the pipeline tunnel.When the construction approaches the sensitivezone,the settlement monitoring should be strengthened within the main deformation range of the existingpipeline.If the measurement results reach the warning set point,reinforcement measures should betaken.The research results can provide a reference for the engineering design and construction of similarprojects in the future.Keywords:Numerical simulation;TBM tunnel;Undercrossing pipeline;Impact analysis21铺设管道方式穿越山区。拟建管道隧道下穿既有成品0前言油管道，为减小施工过程中对既有管道的影响，管道隧为解决天然气管道两侧2 0 0 m范围内高后果区限制城市发展用地问题，天然气管道改线是解决问题的根本方法。由于城市周边自然保护区、水源保护地、生态红线等因素,通常采用隧道内铺设管道的方式。然而新建管道隧道不可避免地与既有公路隧道、铁路隧道、市政工程管道等存在交叉关系。新建管道隧道的施工必然会扰动原有岩土体，破坏岩土体的初始应力状态，对既有建（构)筑物产生影响。当前，关于新建管道隧道与既有隧道之间的安全净距已有规范明确规定，但对于新建管道隧道与既有管道的安全净距尚未有规范涉及。相比隧道，管道刚度一般较小，更容易受到周边环境的扰动。如果施工处理不当，会导致既有管道的附加应力和变形过大，进而导致既有管道发生爆裂和泄漏的现象2。因此，有必要分析隧道施工对临近既有管道的影响，以确保施工过程中临近既有管道的安全运行。目前，国内外学者使用理论分析3-4、模型实验5-6、数值模拟7-14等不同方法开展了隧道施工对管线影响的研究。但研究方向主要集中在城市地区地铁隧道施工对既有管道的影响，而对于山岭地区管道隧道施工对既有管道的影响还鲜有研究，其不同点在于：相比于城市地区地铁隧道，山岭地区管道隧道断面较小，且大多为石质隧道。虽然这种工况下隧道施工对周边环境扰动较小，但下穿既有管道必须确保其安全，因为既有管道的破环不仅会造成巨大的经济损失，还会对生态环境产生严重污染。针对以上问题，本文以某工程为背景,使用MidasGTSNX软件建立了整体三维模型，模拟了隧道下穿既有管道的完整施工过程。在此基础上，进一步研究了管道隧道与既有管道的垂直净距H和交叉角度对既有管道的影响,以期为类似工程的设计与施工提供参考。1工程概况为释放某片区规划建设用地，对片区内天然气管道进行调整改线，提出了某工程项目，该项目采用隧道内道采用小断面管道隧道（TunnelBoringMachine，T BM）施工工法开挖,在两者交叉位置处，垂直净距H33.1m,交叉角度55,其空间位置关系的有限元模型见图1。参考GB504232013油气输送管道穿越工程设计规范【15第3.3.7 条3款规定：管道隧道与公路隧道、铁路隧道净距不宜小于30 m”，由于管道相对隧道刚度较小,且净距接近30 m，有必要分析在TBM施工工法下管道隧道施工过程中既有管道的安全性。根据地质勘察报告，管道隧道下穿既有管道范围内的地层主要为微风化花岗岩，从地面标高开始，向下至隧道施工埋深处地层依次为砂质粘性土、强风化花岗岩、中风化花岗岩和微风化花岗岩。管道隧道采用预制管片衬砌，管片混凝土等级为C50,外径5.0 m，厚度2 50 mm,环宽1.4m，管片衬砌外为150 mm厚豆砾石回填注浆层。既有管道材质为L360(X52),管径32 3.9mm,壁厚6.4mm,埋深2 m。既有管道走向工管道隧道ZFig.1 Finite element model diagram2有限元模型建立2.1基基本假设为简化分析，有限元模型的基本假设如下：不考虑既有管道的内部压力；初始地应力只考虑自重应力，忽略岩土体的构造应力；不考虑岩体变形的时间效应和地下水的影响。管道隧道施工方向既有管道砾质粘性土强风化花岗岩中风花花岗岩微风化花岗岩图1有限元模型图天然气与石油222023年6 月NATURALGAS ANDOIL2.2有限元模型几何参数及材料属性为方便建立有限元模型，对岩土层进行优化处理，取交叉区段的平均厚度作为有限元模型中岩土层的厚度16。另外，由工程经验得知，计算有限元模型左右边界取隧道跨度的3 4倍17，本有限元模型隧道左右水平计算范围均取2 5m，垂直计算范围向下取2 5m，向上取至地表。沿隧道开挖方向以隧道与既有管道相交位置处所在截面为中面，前后各取2 1m（15个进尺)作为研究范围。计算模型x向50 m、y 向42 m、z 向62.75m，模型尺寸为50 m42m62.75m。有限元表1岩土层材料参数表Tab.1 Material parameters of rock and soil layers岩土层砾质粘性土强风化花岗岩中风化花岗岩微风化花岗岩模型见图1。岩土层采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，各岩土层材料参数见表1,材料属性见表2。TBM管片、注浆层，既有管道等结构构件模型采用实际设计尺寸，弹性模型。另外,考虑到TBM管片衬砌接头对结构整体刚度的影响,将衬砌环刚度乘以0.8 的折减系数。本有限元模型采用板界面单元来分析岩土和既有管道的关系，板界面单元与简单的梁单元性质和作用相似，在实际模拟分析中具有很重要的作用18。各结构构件材料参数见表3。弹性模量/CPa草重度/（kNm3）内摩擦角/（）0.0219.00.1621.00.6025.51.0026.5黏聚力/kPa1921363038700461.400泊松比0.450.390.270.25层厚/m4.001.5019.5037.75挖，每次开挖1.4m（一环管片的宽度），模拟30 个开挖表2 岩土层及结构构件材料属性表Tab.2 Material properties of rock and soil layers and structuralcomponents部件砂质粘性土强风化花岗岩中风化花岗岩微风化花岗岩TBM外壳注浆层管片衬砌既有管道表3结构构件材料参数表Tab.3Material parameters of structural components弹性模量/重度/结构构件GPaTBM外壳210.0注浆层1.0管片衬砌27.6既有管道210.02.3荷载及边界条件在有限元模型中仅考虑自重荷载及刀盘推力的作用,刀盘推力参考类似工程取50 0 kPa,施加在开挖面上。材料模型属性各向同性一摩尔库伦3d各向同性一摩尔库伦3d各向同性一摩尔库伦3d各向同性一摩尔库伦3d各向同性一弹性2d板各向同性一弹性3d各向同性一弹性3d各向同性一弹性2d板泊松厚度/外径/(kNm3）比mmm78.50.316.00.325.00.278.50.3在边界条件设置上,岩土体上表面为自由面,约束岩土体前后左右4个表面的x、y 两个方向自由度及下表面的、三个方向的自由度192.4施工阶段模拟在Midas GTS NX软件中可以设置施工阶段，通过每个施工阶段中的“钝化”与“激活”功能实现对开挖和支护过程的模拟，模拟过程包括初始地应力平衡、既有管道的建立、TBM掘进开挖、注浆层与管片衬砌的支护等。详细步骤有以下几点。1)首先在初始施工阶段S1中激活岩土层、边界条件和自重，并且位移清零，得到有限元模型的初始地应力。2)在施工阶段S2中钝化既有管道内部土体，激活既有管道，模拟既有管道施工后的状态。同时位移清零，假设隧道开挖前，土体和既有管道先期固结沉降已完成，只研究隧道施工后的影响。3）从施工阶段S3开始，按照TBM施工工法进行开50.05.3150.05.3250.05.06.40.3239步骤,共40 个施工阶段。每个开挖步骤的具体设置如下：钝化开挖范围内的岩体单元；激活TBM外壳和刀盘推力；钝化TBM盾尾外壳；激活TBM盾尾的注浆层和管片衬砌。第41卷第3期OIL&GASGATHERING，T RA NSPO RT A T I O NA ND T REA T M ENT I 油气储运与处理变形前一3计算结果及分析变形后根据上述有限元模型的建立，模拟计算得到既有管DISPLACEMNT道在管道隧道下穿施工过程中的变形结果。基于此结IZ,mm-3.55359e-001果,提取具有代表性的管道位置和施工阶段进行既有管17.5%3%3633e-001道的影响规律分析。10.0%391907e-00110.0%管道典型位置：以既有管道走向方向建立管道轴:4,10180e-0015.0%线，并建立坐标点以表示管道各典型位置；同理，以管道10.0%-4.28454e-001-4,46728e-001隧道施工方向建立隧道轴线，并建立坐标点以表示隧道5.0%4,65002e-001各典型位置，见图2。5.0%-4.83275e-00110.0%3.01549e-001-218.5%既有管道一管道隧道-14B-20-710071421图2既有管道典型位置图Fig.2 Typical location map of existing pipelines典型施工阶段：以开挖7 m（五环管片宽度）为1个阶段，共设置7 个典型施工阶段，各典型施工阶段的具体位置见表4。表4典型施工阶段表Tab.4Typical construction stage典型施工阶段S7S12S17S22S27S32S403.1既有管道总体变形结果分析图3为管道隧道施工完成后既有管道竖向位移云图。由图3可知在管道隧道下穿施工的影响下,既有管道产生了不同程度的沉降情况，最大沉降值出现在管道隧道与既有管道的交叉位置处，最大值为0.54mm。沉降量由交叉位置向两侧递减，最小值为0.36 mm。233:19823e-00119.0%-3.38096e-001AFig.3 Vertical deformation diagram of existing pipelines交叉位置处管道横截面120J一一环管片开挖长隧道开挖面距交叉度/m位置距离/m71414721028-735-1442-21支护结束图3既有管道竖向位移图3.2开挖距离对既有管道变形影响分析图4为既有管道在7 个典型施工阶段中的沉降变化情况。由图4可知，在S7施工阶段，即隧道开始开挖7m后，靠近开挖侧的管道出现明显沉降。随着开挖施工的进行,中间位置管道开始沉降，且最大沉降量逐渐增30加，最大沉降位置也向隧道与既有管道交叉位置处靠近。隧道施工结束后，即S40施工阶段，既有管道整体沉降情况分布为交叉位置处沉降量最大，距离交叉位置越远，沉降越小，说明隧道施工对其扰动也越小。距交叉位置距离/m-30-20-1000HHO-O-O-O-C-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5L图4既有管道沉降变化图Fig.4Settlement change diagram of existing pipelines为进一步研究既有管道的变形与开挖距离之间的关系,提取变形最大的交叉位置处既有管道的竖向变形进行分析。图5为交叉位置处既有管道管底A和管顶B（图2 A、B)在整个施工阶段中的沉降变化情况。由图5可知，管底A与管顶B两点变形情况几乎相同，随着隧道施工的进行，竖向变形逐渐增大，其沉降变化可分为三个阶段,每一阶段都接近线性分布。第一阶段：S2S10施工阶段，管底A和管顶B沉降值增加较缓；第二阶段：S10S32施工阶段，即距离交叉位置前9.8 m（约等于2 D,D为管道隧道直径）,后2 1m（约等于4D）之间，102030$7-O-OHC$12$17$22O-O-527$32S40天然气与石油242023年6 月NATURALGAS ANDOIL沉降值增加较快，在隧道施工时应加强地表沉降监测，提前对既有管道做好补强方案；第三阶段：S32S40 施工阶段，随着隧道施工距离交叉位置渐远，沉降值增加变缓，最后趋于稳定，即隧道施工不再影响既有管道的变形。0S5S10-S15-S20-S25-S30S35-S400.1-0-管底A管顶B0.2-0.3F-0.4-0.5-0.6L图5管底A和管顶B沉降变化图Fig.5 Setlement change diagram at tube bottom A and tube top B3.3开挖距离对既有管道应变影响分析既有管道的沉降变形关乎到安全性问题，应变作为反映变形程度的大小已成为判断管道是否破坏的一个重要标准。为分析既有管道的安全性以及应变规律，选取变形最大的交叉位置处管底A和管顶B两点进行应变分析,图6 为两点在整个TBM施工阶段中的应变变化情况。7.0106.010管底A一管顶B5.010-64.010?3.0102.01061.010-60S5S10S15S20S25S30S35S40施工阶段图6 管底A和管顶B应变变化图Fig.6Strain change diagram at tube bottom A and tube top B由图6 可知，管底A和管顶B应变随着TBM施工的进行逐渐增加，与变形规律相同，也呈现三阶段分布。最终既有管道最大应变值为6.410-,根据油气输送管道线路工程抗震技术规范【2 0 1规定，计算得出既有管道容许拉伸应变为0.5%，容许压缩应变为0.55%。计算结果远小于规范规定的容许应变，因此从应变上分析，管道隧道下穿TBM施工不会影响既有管道的安全性。3.4H与对既有管道变形影响分析上述研究结果证明研究案例设计及TBM法施工是安全的，但有时管道隧道因为路由可能会和既有管道出现不同的H和,为深人分析H和对既有管道竖向变形与应变之间的影响作用,H与分别取6 种工况进行有限元模型求解计算，其中H依次取1D、2 D、3D、4D、5D和6 D,依次取15、30 456 0、7 5和90。H与如图1所示，典型位置与典型工况设置与图2 和表4相同。3.4.1H影响分析施工阶段图7 为=90、H=1D 6 D 条件下,隧道施工完成后,既有管道的变形结果。距交叉距离/m-300-20-1001020300.31D0.22D83D0.14D05D0.16D0.2-0.3-0.4-0.5L图7 不同H下既有管道沉降曲线图（=90）Fig.7 Setlement curves of existing pipelines at dfferent H(=90)由图7 可知,随着H增加,沉降曲线变平缓,最大斜率变小,反映出既有管道单位长度内的竖向沉降量减小,即最大剪切应变减小,其原因为H的增大使既有管道渐渐脱离隧道施工的扰动区域。另外，当H=1D时，既有管道交叉位置两侧10 m处有向上弯曲现象。原因-0-8-0-0可能为隧道开挖后，开挖上侧土体沉降，随后周围土体向中间挤压所致，伴随H的变大,该影响逐渐减小。当H4D时,既有管道会出现上浮情况，原因可能为垂直净距过小，刀盘推力的影响。从整体沉降曲线上分析，既有管道的主要变形范围在距交叉点左右2 5m,为隧道左右5D范围内,在管道隧道施工时,应对该范围进行重点监测和预处理。3.4.2影响分析图8 为H=3D、=15 90 条件下，隧道施工完成后，既有管道的变形结果。距交叉距离/m-30-20-1001020300.130045。60005。90-0.1-0.2-0.3L图8 不同下既有管道沉降曲线图（H=3DFig.8 Settlement curves of existing pipelines at different(H=3D)15第41卷第3期OIL&GASGATHERING，T RA NSPO RT A T I O NA ND T REA T M ENT|油气储运与处理由图8 可知，不同情况下，既有管道的最大沉降位ZHOU Xin,YANG Jianhui,LIU Tao.Analysis on the置与沉降大小都相同，最大沉降位置在交叉位置处，最influence of shield construction on lateral and closely cross大沉降值为0.2 9mm；随着减小，既有管道的沉降曲线bridge pile foundation J.Chinese Journal of Underground斜率减小,相应的剪切应变降低，但既有管道的变形范Space and Engineering,2022,18(2):586-595.围增大,原因为的存在使得既有管道在管道隧道左右2任艳荣，王少钦.基于Abaqus软件盾构法隧道施工下的市5D范围内的长度增加。政管线的动力分析J.建筑技术,2 0 16,47(2）：16 0-16 2.3.5结果讨论REN Yanrong,WANG Shaoqin.Abaqus-based dynamical数值模拟的计算结果很小，这与很多原因有关。首analysis of municipal pipeline in shield method tunnel先,该工程地质情况较好，管道隧道在级围岩中开挖construction J.A r c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y，2 0 16，47施工,围岩本身具有较高的自身稳定性；第二，管道隧道(2):160-162.采用TBM施工工法，相比于传统的矿山法，会很大程度3姜玲,汪中卫,王旭东.隧道开挖引起地下管线竖向位移减小对周围的影响；第三,既有管道直径较小,相比于大的初参数法求解J.南京工业大学学报（自然科学版），直径管道，自身的径厚比较大，使其刚度相对较大，不易2010,32(4):72-76.产生变形；第四,在数值模拟中,既有管道为理想化的均JIANG Ling,WANG Zhongwei,WANG Xudong.Initial质材料，没有考虑既有管道在长期运行下产生的质量缺parameter method for solving vertical displacement of buried陷。基于以上原因,使得既有管道数值模拟结果偏小，pipelines caused by tunnel excavation J.Journal of Nanjing但所体现出的规律是客观的，可以为类似工程的设计、University of Technology(Natural Science Edition),2010,32施工及相关规范的编制提供借鉴。(4):72-76.4结论4刘晓强,梁发云,张浩,等.隧道穿越引起地下管线竖向位移的能量变分分析方法J.岩土力学,2 0 14,35（增刊2)：1)通过建立有限元模型，可以精确模拟TBM施工工217-222.法管道隧道下穿既有管道的施工过程，结果表明本文案LIU Xiaoqiang,LIANG Fayun,ZHANG Hao,et al.Energy例工程中既有管道是安全的。但实际施工时，既有管道variational solution for settlement of buried pipeline induced可能随运营时间而出现不同程度退化，相关要求更加by tunnelingJ.Rock and Soil Mechanics,2014,35(Suppl严格。2):217-222.2)对既有管道具有明显影响的施工范围为管道隧5黄晓康，卢坤林，朱大勇.盾构施工对不同位置地下管线变道交叉位置前2 D至后4D,在该范围内施工时,既有管道形的影响模拟试验研究J.岩土力学,2 0 17,38（增刊的沉降变化很快，应加强地表沉降监测，若测量结果达1):123-130.到警戒值，应对既有管道采取补强措施。如果采用石质HUANG Xiaokang,LU Kunlin,ZHU Dayong.Simulation test隧道的矿山法施工，由于爆破、支护较慢等原因,对既有管道具有明显影响的施工范围会增大。3）管道隧道下穿施工引起的既有管道主要变形范围为管道隧道左右5D,是既有管道采取补强措施的重点范围。如果换成大断面隧道，由于其对地层扰动较大，施工引起的既有管道主要变形范围也会增大。4)垂直净距H与既有管道的最大剪切应变成反比，是关乎既有管道安全性的重要影响因素，在规划设计阶段应重点考虑。交叉角度与既有管道的最大剪切应变成正比，与最大沉降位置和沉降大小无关，但的减小，会增大既有管道的变形范围。参考文献：1周鑫,杨建辉,刘涛.盾构法施工对近距离侧穿桥梁桩基的影响分析J.地下空间与工程学报,2 0 2 2，18(2);586-595.25study of deformations of pipelines located at different geometricpositions arising from shield tunneling J.Rock and SoilMechanics,2017,38(Suppl 1):123-130.6马少坤,刘莹,邵羽,等.盾构双隧道不同开挖顺序及不同布置形式对管线的影响研究J岩土工程学报，2018,40(4):689-697.MA Shaokun,LIU Ying,SHAO Yu,et 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