[工学]H004-论文全文.docVIP

学科代码：H004暗挖隧道施工对平行地下管线性状影响研究康杰1，王绍君1，衣玉春 2(1. 哈尔滨工业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090；2. 山东正元建设工程有限责任公司，山东 济南 250014)摘要：地铁、路桥桩基以及高层建筑深基坑开挖等地下工程项目的施工，对城市既有地下管网的安全运行带来了巨大影响。针对地铁暗挖过程中由于土体应力损失造成的既有管线结构性状影响展开研究，采用控制地表沉降的方法，分析了暗挖施工掌子面推进过程中平行于区间隧道的地下管线的应力变化，同时考虑了施工步序的影响。通过建立理想暗挖隧道模型，分析地表差异沉降，不仅有利于控制浅埋地下管道的安全性并判断暗挖断面前后沉降曲线的拐点，而且可有效控制暗挖掌子面的推进速度。建立了理想暗挖隧道模型，可以表征地表沉降差异分析有利于控制浅埋地下管道的安全性并判断暗挖断面前后沉降曲线的拐点，从而有效控制暗挖掌子面的推进速度。关键词：区间隧道；地下管网；衬砌；施工步序；地表沉降中图分类号：TU.745.3 文献标识码：A 文章编号：Influence of tunneling construction on buried pipelines parallelled with running tunnelKANG Jie1, WANG Shao-Jun1, YI Yu-xiang2(1.School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090,China;2.Shandong Zhenyuan Construction Engineering Corporation Limited, Jinan 250014,China)Abstract: Safe operation of existing underground pipe network is greatly affected by underground engineering project construction. The stress changes of buried pipelines parallelled with running tunnel are investigated using ground surface settlement control method during the tunnel face advance, and the influence factors of the stress change of buried pipelines, containing construction step, lining, anchor and grouting are analyzed. The results show that areas of the pre-post excavation face where ground loss changes the biggest are the sensitive areas of pipe settlement changes, and the change of pipe settlement tends to be stable exceed that areas. The ideal model of mined tunnel is established to analyze the difference of ground surface settlement, which is beneficial to ensure security of shallow underground pipeline and judge the inflection point of settlement curve of pre and post excavation face, thus control advance speed of tunnel face effectively . Key words: running tunnel;underground pipe network; lining; construction step; surface subsidence国内外一些大城市及超大城市为有效解决城市人口增长、交通堵塞、城市环境等综合问题，正在收稿日期：基金项目：十一五科技支撑项 (2006BAJ01B04-01-01)作者简介：康杰（1985）男，硕士，从事基坑支护研究工作。E-mail: . 通讯联系人：康杰导师：王绍君（1972）女，博士，副教授. E-mail: 大力发展地下轨道交通。地铁区间隧道和车站施工中穿越地下管线现象非常普遍。由于建设和施工单位往往忽视采取相应技术措施保护地下管线，导致地下管线损坏，严重影响了城市环境和人民生产生活，甚至造成重大经济损失。管线迁移是最安全有效的保护方法，但是迁移生成的费用高达相应工程土建投资的2030，并且在一定区间段内给附近的居民生活造成严重影响。研究地铁施工对周围地下管线的影响，并对管线进行合理保护是地铁等地下工程建设建设面临的一项重要课题。城市地下管线包括煤气管、水管、雨水管、污水管、热力管、通信电缆、电力电缆、电车电缆等其埋设深度一般都在在0.53.0m 范围内。导致管线损坏的主要因素除了综合考虑管线的使用功能、埋设年代、材质情况等诸多因素外，主要是土体位移或变形使管线变形超过极限值或受力过大，应力超过强度极限而发生的破坏。我们很多管线没有统一置于地下结构体中而是直接埋于地下，区间隧道或站体基坑开挖产生地层损失扰动周围地层，引起地层变形，带动地层中的地下管线共同变形1-2。地下管线的存在又限制了周围土体的变形，改变了隧道周围土体的位移场分布。因而，施工中的隧道、土体及管线三者之间存在着相互耦合作用。但是如果直接以管线的变形和应变作为控制目标则存在着一些困难。因为管线埋置于地下，不易量测其变形和应变，即便是位于地面的建筑物，要量测其沉降、倾斜或应变也会受到很多因素的影响，测量不易准确。因此试图通过控制地表沉降来探索控制管线变形和应变的有效方法。1 工程背景北京轨道交通10号线某标段区间隧道下穿污水方沟，污水方沟的尺寸为18002300mm，位于车站东洞结构上方，平行于结构轴线，对地层不均匀沉降敏感，如图1。污水方沟年久失修，方沟中水深1.5m，水流湍急。DN1200 雨污合流管道位于隧道侧上方，管道走向都平行于结构轴线，与结构施工相互影响很大，通过详细分析管线的材质、埋深、水流状况及与结构的位置关系，认为18002300mm污水方沟是施工风险很大的位置，如图2。2 工程地质条件区间与污水管所在地层为人工填土层包括粉土填土层，杂填土1层，该层层底标高为31.1040.42m，杂色，稍密，稍湿湿，含砖块、石块，局部为生活垃圾。粉土层，属中压缩性低压缩性土，含云母、氧化铁、姜石，局部夹粉质粘土、粉砂透镜体。粉质粘土1层，粉细砂3层；该层层底标高为26.4234.65m。圆砾卵石层，杂色，密实，饱和。粉质粘土层，粘土1层，粉土2层，卵石圆砾层，杂色，密实，饱和。中粗砂1层，粉细砂2层，粉质粘土层，粘土1层，属中低压缩性低压缩性土，含云母、氧化铁。数值模型计算土层如图33。土层物理力学参数按表1选取。图1 地铁10号线与污水方沟平面位置图Fig. 1 General location map of sewer and the subway Line 10图2 污水方沟与区间隧道位置剖面图Fig. 2 General location map of sewer and running tunnel图3 数值模型计算土层简化图Fig. 3 Numerical model and reduced graph for soillayer表1 数值计算土层物理力学参数Table 1 Physical-mechanical parameters to Numeric Calculation for soillayer土层名称压缩模量（Mpa）弹性模量/Mpa泊松比凝聚力/Kpa摩擦角（）密度（Kg/m3）抗拉强度/Kpa附加压力（Kpa）P0 P0+100P0 P0+200杂填土5.9697.03870.321010165010粉质粘土17.19058.045780.323020190030粉细砂19.77420.552200.293.53220503.5细砂卵石34.01042.1774400.270.354021500.35粉质粘土210.36412.1737120.325020195050中粗砂卵石50.84361.0116500.280.354021500.353 数值模型区间隧道关于过隧道中心的竖向平面对称，选取隧道的一半进行模拟，考虑到开挖范围的影响，选取模型沿隧道轴线方向长度60m，宽度30m，深度60m，坐标原点位于隧道底板平面，z轴向上，y轴指向隧道延伸方向，其FLAC3D的网格图见图4。用壳体结构单元（shell）模拟预支护管棚和喷射混凝土，混凝土衬砌厚度（初衬和二衬）相对于隧道净半径不宜忽略，采用围岩网格表示混凝土衬砌，把衬砌材料的参数赋给网格，因此，每个网格都由两层覆盖的五个四面体的子网格组成，从而实现了模拟厚衬砌的弯曲。考虑污水管道无内压力，采用二维桩单元分析模型如图4 所示4-7,10。隧道施工遵循“小分块、短台阶、多循环、快封闭”的原则，分步分台阶开挖8-9。将所计算的污水方沟换算为圆形截面的圆管进行计算，直径为2.3m，壁厚0.2m，内径2.1m。随着隧道开挖的进程，管道的弯矩随着开挖进程的进行不断变化，但是Mx 的数值很小，为10-14 数量级，说明埋在土体中的混凝土污水管在隧道支护、掘进、衬砌过程中所受到的扭矩很小，可忽略不计。图4 区间隧道与管道数值分析模型Fig. 4 Numerical model for running tunnel and tunnel4 数值分析结果4.1开挖对管底应力的影响图57 分别表示了掌子面为15m，30m，45m 处管底（x=0处）的应力历史。随着掌子面的向前开挖、支护、衬砌，管底应力逐渐变化，但是以管道某点为参考点（如x=0处）沿纵向随着掌子面渐远，其应力变化趋于稳定，在掌子面开挖至15m时该点的应力变化稳定。这是由于掌子面的渐远，隧道体系衬砌封闭完成，开挖隧洞上部土体沉降趋于平缓稳定。图5 掌子面开挖至15m处管底应力-时间步曲线Fig. 5 Curve of stress-timestep for tunnel bottom with working face excavated to 15m图6掌子面开挖至30m处管底应力-时间步曲线Fig. 6 Curve of stress-timestep for tunnel bottom with working face excavated to 30m图7掌子面开挖至45m处管底应力-时间步曲线Fig. 7 Curve of stress-timestep for tunnel bottom with working face excavated to 45m4.2 暗挖引起的管道沉降与地表沉降地下污水管道损坏常表现为接头部位错位、脱节、整体断裂。主要原因是土体挤压变形引起，当变形量超过管线变形极限时, 就会发生管线损坏；或者由于地下洞室开挖，由于地层损失地表沉降槽的影响使得土层沉降，当沉降不均匀时，可能引起管道断裂或接头错位。由地表沉降变化反馈地下管道沉降变化，从而控制土体挤压变形和不均匀沉降对地下管道的安全性十分必要。图810分别为掌子面开挖至15m，30m，45m处地表沉降与管道沉降曲线，当掌子面向前推进时，管道沉降趋势与地表沉降趋势相吻合，这为控制地表沉降保证地下管道（纵向）安全的问题研究奠定了基础，当掌子面向前推进时，地表沉降与管道沉降速率变化很快，开挖至15m处时，其开挖区段管道及地表沉降速率为53，开挖至30m处，沉降速率趋于平缓为30，当继续向前推进时，其沉降速率为15，为此可以判断在开挖初期土体扰动对上部管线沉降影响很大，随着开挖进行，管线与地表沉降趋于平缓。开挖速度、施工方法、支护衬砌的封闭是影响后期开挖过程中管线沉降的重要因素11-13。通过对比地表沉降与管道沉降的分析结果，结合管线接缝张开值控制标准分析，地表最大沉降控制一般标准30mm 对控制混凝土管道沉降时在不同施工环境下过于呆板。地表最大沉降达到30mm 时，管道各部位还处于安全状态，当地表最大沉降小于30mm 时，管道有的位置也可能发生渗漏，关键是结合管线实际情况分析控制掌子面前后的地表沉降差异。图8掌子面至15m处地表与管道沉降曲线Fig. 8 Settling curve for the earths surface and tunnel with working face excavated to 15m图9掌子面至30m处地表与管道沉降曲线Fig. 8 Settling curve for the earths surface and tunnel with working face excavated to 30m图10掌子面至45m处地表与管道沉降曲线Fig. 10 Settling curve for the earths surface and tunnel with working face excavated to 45m5 结论(1) 对车站暗挖段的地下管线，主要通过施工中地层的超前加固和监控量测等控制措施来保证安全。管道底部应力历史说明，在暗挖面前后一定范围是地层损失变化最大的区域，超出该范围其土体沉降后变化趋于稳定。(2) 研究地表沉降差异有利于控制浅埋地下管道的安全性。地表与污水方沟沉降关系表明，近地表与区间隧道平行的地下管道沉降与地表沉降变化一致，这有利于施工单位在施工中通过地表的监测保证地下管道的安全。(3) 弹性杆件位移分析中认为位移是杆件各部分变形累加的结果，但是污水管道分区段，而且在横截面处的约束影响其变形的累加，有变形不一定处处有位移，有位移也不一定有变形。为此，分区段研究管道的差异沉降有利于研究不均匀沉降引起的管道破坏。从管底沉降记录可以看出，管道沉降的最大斜率均发生在沉降曲线的拐点处，因此在工程中要监控掌子面推进的速度，掌子面前后沉降曲线的拐点。参考文献(References)1 韦凯. 雷震宇. 周顺华. 盾构隧道下穿地下管线的变形控制因素分析J. 地下空间与工程学报. 2008, 4(2): 325-330.WEI Kai LEI Zhen-yu ZHOU Shun-hua. 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