探析隧道开挖对地下管线的影响

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 探析隧道开挖对地下管线的影响 摘要：基于非线性有限元方法， 探讨了隧道施工对地下管线的影响。 中国论文网 /2/view-12791758.htm 关键词：隧道施工，地下管线， 沉降，有限元。 中图分类号： U455 文献标识码： A 文章编号： 1 引言 随着城市化进程的加速，城市地 面交通变得越来越拥挤，我国很多大城 市已经开始修建地下隧道，开通地铁以 缓解地面的交通压力。通常城市市区道 路下面分布着密集的地下管线，其维系 着现代化城市的正常运转，是城市基础 设施的重要组成部分。隧道施工可引起 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 邻近地下管线发生弯曲、压缩、拉伸、 剪切、翘曲和扭转等变形，导致地下管 线损坏，从而引起停水、停气、停热、 停电和通讯中断等事故的发生。据不完 全统计，全国每年因施工而引发的管线 事故所造成的直接经济损失达 50 亿元， 间接经济失达 400 亿元。因此，研究隧 道施工对地下管线的影响具有重要的意 义。 本文基于非线性有限元方法， 通过变化管线模量、管线与隧洞的距离、 隧道半径等参数，考察了隧道施工对邻 近地下管线的影响，并分析了两种常见 处理措施的效果，为邻近地下管线的隧 道施工提供参考。 2 有限元计算模型的建立 现考察隧道开挖方向与管线走向 相互垂直的情况，如图 1 所示。鉴于该 工况的特征，可采用二维有限元进行分 析。有限元计算中假定:(1)视地下管线 为等直径、等壁厚的线弹性体，且不考 虑管道接头的影响;(2) 土体在自重作用 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 下下产生的变形与应力在开挖前已完成; (3)土体符合 Mohr-Coulomb 破坏准则;(4) 为 便于讨论，土体不考虑分层情况，为一 均质黏土层;(5) 管线与周围土体始终紧 密接触。 地下水位 在距地面 1.0m 的深度处。计算 中考虑不同管材的影响，各种材料的物 理力学参数见表 1。采用盾构法进行隧 道开挖，其特点是在一个圆筒形移动式 金属支撑的掩护下开挖地层及安装衬砌。 可用“地层损失 ”的概念来模拟隧道开挖 及衬砌环与围岩间注浆接触过程中荷载 的释放(即变形释放) 。计算中地层损失 取值 2.5%。衬砌的计算参数为:EA=1.45 X 10kN/m, EI=1.43 X 10 KN m2/m。 有限元模拟过程包括:(1)先利用 单元生死技术，杀死衬砌单元，得到存 在地下管线工况下的初始应力场;(2)杀 死开挖土体单元，激活衬砌单元，得到 无地层损失情况下的理想应力一应变场; -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 (3)衬砌发生地层损失，得到应力释放后 的最终应力一应变场。 计算中取足够大的计算范围，以 消除尺寸对计算结果的影响。左右边界 不发生水平向位移，底面边界不发生竖 向位移。采用 15 节点的三角形对计算 域进行网格剖分，图 2 给出了 Zo=6.0m, R=4.5m，H=12.5m 情况下的网格划分 情况(单元 1670 个) 。 图 3 一图 5 给出了:Zo=6.0m, R=4.5m, H=12.5m 条件下的位移增量、 竖向沉降、剪应力分布情况。可见，隧 道开挖导致工作面上方的土体产生较大 的位移增量，其方向指向工作面处。图 4 中的数值中负值表示向下沉降，正值 代表向上隆起。分析知，隧道开挖导致 工作面上方土体产生较大的竖向沉降， 最大值可达 3.8 cm，而隧道下方的土体 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 由于卸荷作用而产生隆起，最大隆起量 可达 5.6cm。过大的沉降量可导致邻近 地下管线的破坏。土体内的剪应力最大 值分布于隧道左右两侧，这也是容易产 生塑性变形与塑性破坏的区域。 3 地下管线的变形特征分析 3.1 管线埋深对其变形的影响 图 6 表达了在 R=2.5m, H =12.5m 条件下混凝土管线埋深分别为 2.0m, 4.0m, 6.0m 时的管线竖向沉降分布图。 可见，地下管线埋深越大(离隧道开挖 工作面越近)，其产生的不均匀沉降越 大，管线越容易破坏。沉降最大值发生 在隧道开挖面的正上方。故工程中为了 确保地下管线的安全性，应使隧道开挖 面尽可能远离地下管线位置。 3.2 隧道开挖半径对管线变形的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 影响 在:Zo=6.0m, H=12.5m 条件下， 隧道开挖半径分别为 1.5m, 2.5m, 3.5m, 4.5m 时混凝土管的竖向沉降分布见图 7。由图可知，隧道开挖半径对地下管 线的沉降有较大的影响，隧道半径为 1.5m 时管线的最大沉降为 0.60cm，而 隧道半径为 4.5m 时的管线最大沉降达 4.20cm。因此，工程实际中应尽量考虑 采用较小的开挖半径，这样对土体的扰 动较小，有利于保护地下管线。 3.3 管线材质对其变形的影响 图 8 表达了在 Zo=6.0m, R=2.5m, H=12.5m 条件下钢管、混凝土管、PVC 管、铸铁管线的竖向沉降分布图。各管 线参数取值见表 1。可见，管线材质对 其沉降的影响非常小，可以忽略不计。 这是由于地下管线的直径通常较小(一 般小于 0.50m)，其刚度的强弱较难改变 或影响其周边土体的变形，管线的变形 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 主要取决于四周土体的应力环境。当然， 在实际工程中，应尽量采用刚度较高的 管线，其安全贮备相对于柔性管线必然 大些。 3.4 保护管线的效果分析 上海等城市在地铁盾构法施工中 积累的经验表明，地表下沉值应控制在 3cm 以内才较安全。而在上文图表中己 显示，在 Zo=6.0m ,R=4.5m ,H=12.5m 条 件下混凝土管的沉降最大值可达 4.2cm，显然在该情况下地下管线由于 不均匀沉降而导致破坏的可能性极大。 为此，应采取相关措施保护地下管线的 安全性。 通常，可采取隔离法、土体加固、 卸荷保护、悬吊法等措施对地下管线进 行保护。现考察开挖卸荷对管线沉降的 影响。在隧道竖向对称轴左右两侧 14m 范围内开挖 lm 与 2m 土体后，混凝土 管的竖向沉降见图 9,隧道衬砌环体内弯 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 矩分布情况见图 l0。 对比数据可知，局部开挖 lm 后 管线的最大沉降变为 2.75 cm ,比不作开 挖处理情况下减小了 34.5%;开挖 2m 后 管线的最大沉降变为 1.22 cm,比不作开 挖处理情况下减小了 70.9%。开挖处理 后隧道衬砌体内的轴力、剪力、弯矩最 大值也大大减小，有利于防止开挖过程 中隧道的坍塌失稳破坏。可见，开挖卸 荷方法可有效减小地下管线的沉降并提 高隧道的安全性，在施工条件允许的情 况下可优先采用该措施对地下管线进行 保护处理。 当然，在有些施工地段无法对隧 道上方的土体进行开挖卸荷处理，此时 可采取注浆加固土体的方法，施工前对 地下管线四周土体进行注浆加固，以提 高该局部土体的强度与刚度。对隧道竖 向对称轴左右两侧 14m 宽度范围内、埋 深 7.0m 以内的土体进行注浆加固，加 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 固后土体的参数为:弹性模量 8.0x 10kPa，泊松比 0.26，粘聚力 25.0kPa， 内摩擦角 35。注浆加固前后混凝土管 的竖向沉降分布对比分析见图 11。可见， 注浆加固后管线的最大沉降为 3.3cm， 比未加固前减小了 21.4%。注浆加固提 高了土体的强度，减小了土体不均匀沉 降，是保护地下管线的有效措施之一。 4 结论 地下管线离隧道开挖工作面越 近，其产生的不均匀沉降越大，管线越 容易破坏。沉降最大值发生在隧道开挖 面的正上方。故