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地铁盾构隧道施工对天然气管道的影响
周廷鹤
（中国燃气控股有限公司 安全监察部， 广东 深圳 518001）
随着城市地铁及天然气管道建设规模及范围不断扩大，新建地铁隧道下穿天然气管道的案例越来越多。盾构隧道施工是城市地铁建设中普遍采用的方法，在施工过程中会对隧道上方及周边地层造成一定程度的扰动，进而不可避免地引起地层沉降，使地层中埋设的天然气管道产生沉降和变形。当变形严重时，将会影响天然气管道的安全可靠运行。
近些年，研究者针对地下施工造成的地层沉降及其对天然气管道的影响开展了大量的研究。为获得符合上海地区地质特点的地层沉降经验公式，沈培良等人［1］根据上海某盾构施工现场实测的地层沉降数据，分析了Peck公式对上海软土地区的适用性并对Peck公式进行了修正，使其更加符合上海地区的地质特点。李大勇等人［2］采用有限元分析软件，在考虑基坑围护结构的基础上建立了耦合土壤与埋地管道变形的三维仿真模型，对常规加固措施对于地下管道的保护作用进行数值仿真和分析。吴波等人［3］针对深圳某地下隧道施工项目，采用土工离心模型模拟隧道施工对地下管道的影响，并利用三维模拟软件分析了地下管道对外部干扰的动态响应。现场实测数据表明，仿真的结果基本是可靠的，可以对制定施工方案起到理论指导作用。石杰红等人［4］以双地下隧道穿管工况为研究对象，对比了Peck公式与数值仿真分析结果之间的差异，结果表明，Peck公式及数值仿真均能较好地计算地下施工过程中地层的沉降。杨晓辉等人［5］以地下输气管道为研究对象，分析了地层不均匀沉降对管道应力及许可相对沉降值的影响。
根据GB 50157—2013《地铁设计规范》第11.1.12条的要求并结合地铁施工实践经验：一般情况下，盾构法施工的区间隧道的覆土厚度不宜小于隧道外轮廓直径［6］，主要是考虑盾构法施工对周边环境的影响及建成后隧道的安全使用问题，但并未考虑施工过程对地下邻近管道的影响。本文采用Peck公式以及有限元分析软件，分析地铁盾构隧道施工对天然气管道的影响。
某新建双线地铁采用盾构法施工，需下穿既有高压A天然气管道。天然气管道设计压力4.0 MPa，规格为D610×11.9，钢级为L415M，地区等级为三级地区。在本文中，将管道所在地层称为管道层。地铁盾构隧道与天然气管道位置见图1。
r——地铁盾构隧道外半径，m，本文取3.2 m
d——天然气管道轴线与地面的距离（即管道层深度），m，本文取1.8 m
b——地铁盾构隧道双线隧道中心宽度，m，本文取14.0 m
根据地勘报告，地铁盾构隧道与天然气管道交叉处地层土质依次为填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉土和粉砂，地层土质参数见表1。
管道层的沉降是引起管道沉降进而导致管道局部变形最直接的因素，沉降量直接影响管道局部应力。目前，地铁盾构隧道施工引起的地层沉降可采用Peck提出的地面沉降曲线理论进行预测。该理论假定地铁盾构隧道施工引起的地面沉降是在不排水情况下发生的，地面沉降槽的体积应等于地层损失的体积，地层沉降视地层土质条件、地铁盾构隧道深度、盾构机类型、操作水平等因素而不同。坐标原点在地铁盾构隧道的正上方，地铁盾构隧道右边的点坐标为正值，左边的点坐标为负值。管道层沉降量的横向分布符合高斯正态分布，Peck公式为［7-8］：
Smax——管道层最大沉降量，m
x——坐标，m
id——地层沉降槽宽度系数，m
Vs——单位长度地层损失量，m3/m
η——地层损失率，一般取0.3%~0.5%，本文取0.5%
V——单位长度理论出土量，m3/m
φ——土壤摩擦角，（°），一般多个地层的摩擦角按各地层厚度进行加权计算，本文取15°
虽然Peck公式最初用来计算地面的沉降量，但实践证明，该公式也可以计算地铁盾构隧道轴线上方不同地层的沉降量。令式（4）中的d取0，则式（1）计算出来的S即为地面的沉降量。Peck公式所需参数少，计算简单，其沉降曲线与实测地层沉降曲线吻合程度较高，但也存在一些不足［9］：只能计算瞬时沉降，不能考虑土体扰动引起的再固结沉降；只能计算横向地层沉降，不能计算纵向变形；没有考虑盾构施工工艺和土质条件；单位长度地层损失量Vs较难确定，地层损失率η主要通过实际检测统计取得。
通过式（1）~（4）不仅可以计算管道层最大沉降量，还可以确定沉降的影响范围，即5id+b。地铁盾构隧道施工引起的管道层沉降曲线见图2。
对于双线地铁盾构隧道，先分别计算左、右线地铁盾构隧道引起的管道层沉降曲线，然后进行叠加。左线地铁盾构隧道的正上方的坐标为0。可得到该工程双线地铁盾构隧道施工引起的管道层沉降曲线，见图3。
为了分析工程中管道层的沉降造成管道的弹性变形，其曲率半径是否满足管道强度要求，需要计算管道的曲率半径。在管道层沉降影响范围内，随着管道层沉降，管道产生弹性变形，忽略管道的刚性约束，则管道竖向变形量即为管道层沉降量。沉降影响范围两侧的天然气管道，受中间管道变形的影响，处于微弹性反应状态。弹性变形状态的管道曲线基本与管道层的变形曲线一致，管道层沉降作用下的天然气管道形状见图4［9］。
因管道层最大沉降量Smax远小于沉降影响范围5id+b，所以天然气管道形状近似于弧，图4中相关参数计算式为：
LAC——点A、C间的长度，m
LAB——点A、B间的长度，m
LBC——点B、C间的长度，m
R——管道曲率半径，m
由式（5）~（7）可得：
GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》第4.3.15条规定，弹性敷设管道的曲率半径应满足管子强度要求，且不应小于钢管外径的1 000倍，垂直面上弹性敷设管子的曲率半径还应大于其在自重作用下产生的挠度曲线的曲率半径。GB 50423—2013《油气输送管道穿越工程设计规范》第5.1.2条规定，采用弹性敷设时，穿越管段的曲率半径不宜小于1 500倍钢管外径，且不应小于1 200倍钢管外径。所以，综合上述两个规范的要求，曲率半径R应满足计算式：
将相关参数代入式（1）~（9），本工程天然气管道最大沉降量为11.77 mm，沉降影响范围约为43.1 m，管道曲率半径R为19 705 m，满足式（10）的要求。
Midas GTS是一款三维岩土有限元分析软件，主要用于岩土隧道领域的结构分析。根据工程实际情况和特点，在进行有限元分析时做如下简化：将地层简化为水平层状分布的弹塑性材料，土体采用二维实体单元，盾构管片采用梁单元，混凝土采用线弹性模型，模型的前后左右边界分别施加水平位移约束，底部施加竖向位移约束，顶面不施加约束。
为减少边界效应对计算的影响，本文利用Midas GTS软件建立了尺寸（x×y×z）为80 m×45 m×30 m的三维有限元计算模型，见图5，用于模拟地铁盾构隧道施工对天然气管道的影响，其中x为天然气管道的轴向方向，y为地铁盾构隧道掘进方向。计算模型范围内，模型边界距离地铁盾构隧道与天然气管道交叉位置已足够远，在计算模式上进行法向约束，即模型左右、前后边界，假设x、y方向位移均为0，模型底部边界，假设z方向位移为0，模型上部边界为自然边界，假设各方向位移不约束。同时，综合考虑计算精度及计算时间，在模型重点关注区域将网格划分得细一些，在非重点区域将网格划分得粗一些。本计算模型中，管道网格尺寸取0.2 m，盾构网格尺寸取1 m，土体网格尺寸取3 m。三维有限元计算模型中隧道与天然气管道相对位置见图6。
天然气管道变形情况及应力分布云图见图7。在地铁盾构隧道施工过程中，天然气管道的沉降曲线形态符合高斯正态分布，沉降曲线以两隧道连线中点对称。沉降影响范围约为50.0 m，管道最大沉降量为13.9 mm，弯曲变形曲率为0.028%，管道变形产生的最大拉应力为16.02 MPa，小于管道许用应力（强度设计系数取0.4，管道许用应力为166 MPa）。由此可以判断，本工程地铁盾构隧道施工造成的管道沉降，对管道基本不产生影响，满足高压天然气管道安全运行要求。
① 利用Peck公式计算得到沉降影响范围以及管道层最大沉降量，其中沉降影响范围约为43.1 m，管道层最大沉降量为11.77 mm。据此，可以计算得出管道的曲率半径为19 705 m，满足标准的要求。
② 利用三维岩土有限元分析软件Midas GTS对天然气管道进行仿真模拟，得到沉降影响范围约为50.0 m，管道最大沉降量为13.9 mm。Peck公式计算结果与仿真模拟结果接近，Peck公式及仿真模拟均能较好地计算地下施工过程中地层的沉降。
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