（岩土工程专业论文）隧道工程施工对城市管网和建筑物的影响及控制.pdf

北方交通大学2 0 0 0 届硕士研究生学位论文 摘要 摘要 本文分析归纳了隧道工程施工对地下管线和地面建筑物的影响，找 出了地表最大沉降值w 与地下管线和地面建筑物的变形及应变的关 系，以便能够根据管线和建筑物的安全要求来确定地表最大允许沉降值 w “。 以地表最大允许沉降值w 一作为目标控制值，设计了一个用于制定 隧道工程环境影响控制策略的动态优化模型，同时对目标限定值的规律 进行了分析研究。作为这一动态优化模型的具体实现，本文利用v i s u a l b a s i c5 0 编制了一套计算机程序。此程序可以进行地下工程施工方案的 选择、设计、优化及反馈调整，还可以计算地层变形对管线等的影响。 关键词：地下工程，隧道，环境影响，优化，控制 北方交通大学2 0 0 0 届硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i no r d e rt od e t e r m i n et h em a x i m u mg r o u n ds e t t l e m e n ta tt h ee a r t h s s u r f a c ea c c o r d i n gt ot h es a f e t yr e q u i r e m e n to fp i p e l i n e sa n db u i l d i n g s ，t h e e f f e c to nu n d e r g r o u n dp i p e l i n e sa n db u i l d i n g so nt h eg r o u n dc a u s e db yt u n n e l w o r ki sa n a l y z e da n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h em a x i m u mg r o u n ds e t t l e m e n ta t t h ee a r t h ss u r f a c ea n dt h ed e f l e c t i o na n ds t r a i no fp i p e l i n e sa n db u i l d i n g s s u r r o u n d i n gi sf o u n do u ti nt h i sp a p e r w i t ht h em a x i m u mg r o u n ds e t t l e m e n ta tt h ee a r t h ss u r f a c ea s t a r g e t v a l u e ，ad y n a m i co p t i m i z a t i o nm o d e lu s i n gt od r a wu pt h es t r a t e g yc o n t r o l l i n g t h ee f f e c to ne n v i r o n m e n tc a u s e db yt u n n e lw o r ki sd e s i g n e d ，a tt h es a m et i m e t h er u l eo ft h e l i m i t i n g v a l u ei ss t u d i e di no r d e rt or e a l i z et h em o d e l ，a c o m p u t e rp r o g r a mi s m a d eu s i n gv i s u a lb a s i c50 ，i tn o to n l yc a ns e l e c t ， d e s i g n ，o p t i m i z e ，f e e d b a c ka n da d j u s tt h et u n n e lw o r ks c h e m e ，b u ta l s o c a n c a l c u l a t et h ee f f e c to n u n d e r g r o u n dp i p e l i n e sc a u s e db yg r o u n dm o v e m e n t k e y w o r d s ：u n d e r g r o u n dc o n s t r u c t i o n ，t u n n e l ，e f f e c t o ne n v i r o n m e n t o p t i m i z a t i o n ，c o n t r 0 1 i i 北方交通大学2 0 0 0 届硕士研究生学位论文 第一章 第一章绪论 1 1地下工程环境影响动态优化控制问题的现实意义 随着城市建设的迅猛发展，开发利用地下空间已成为我国城市现代 化发展的必然选择。但是各类地下工程的大规模兴建所带来的工程安全 问题及其对周围环境造成诸多不利影响的事例时有发生。以往城市地下 工程的设计、施工多从强度、稳定性方面考虑，但随着工程邻近建筑物 越来越多，地下管网越来越密集，而地下工程本身也在向深大方向发展， 所以周围环境对地下工程施工的要求越来越高“】。 大量的地下工程建设实践表明，旌工过程会给周围的建筑物、地下 构筑物或地下管网带来不同程度的影响。地下工程施工会使周围的地层 和地面产生变形，严重者会造成建筑物不均匀沉降、开裂，甚至倒塌造 成人员伤亡；对于近旁的地下铁道隧道等会造成变形过大，列车出轨等 严重事故；即使对于管径不大的地下管线，也会因变形过大造成煤气泄 漏、爆炸，水管爆裂形成水患，电缆断裂造成停电或通讯中断等事故乜 。 这些都将严重危害生产建设和人民生命财产安全，造成很大的直接和间 接经济损失以及社会纠纷。 对于每一位从事地下工程建设的人员，都必需了解、研究本工程施 工时对周围环境的影响程度，并在事先及施工过程中采取有效的保护措 施，将环境影响降低到最小程度。但是，由于地下工程的复杂性，很难 十分准确地预测地下工程施工过程中的环境影响，目前主要是根据现场 监控和观测来解决。同时，工程师对在施工过程中出现的环境问题及其 所采取的措施也主要是依靠工程经验。这种做法具有一定的风险性，并 且不能保证所采取的措施是最优的。无论是设计人员还是施工人员都迫 切需要一个简便、有效的地下工程环境影响动态优化控制系统来帮助他 绪论 ! ! 互銮里查堂! ! 塑旦堡圭竺塑竺堂竺笙兰 们解决这一问题。 第一章 因此，在城市地下工程中，为保护已有建筑物、构筑物和地f 管网 的正常使用和安全运营，解决地下工程技术人员的实际问题，对地下工 程环境影响动态优化控制问题进行深入研究是具有十分重要的现实意义 的。 1 2 国内外发展动态 一般来讲，城市地下工程的环境问题是指发生在施工过程和使用过 程这两个阶段中的环境灾害，其中包括由于地层过量变形或土壤性态改 变所引发的环境灾害，如地面建筑、道路、管线的损害，地下水位和水 质的改变等b 【4 。本文所研究的施工过程中的环境问题主要是指由于地 层变形失控而引起的。这方面的研究最早起源于采矿系统，近年来，在 城市地下工程方面也有很大的发展。 由于盾构掘进技术在城市地铁建设中的广泛应用，各国对软土地层 中隧道掘进引起的地层沉降进行了较多的研究。最有影响的是由p e c k ( 1 9 6 9 ) 提出的地下开挖产生的地表沉降分布的经验公式： s g ) = s e x p ( - x 2 2 i 2 ) 式中s ( x ) 距隧道中心线r 处的沉降量； s 。最大沉降量； f 沉降槽宽度系数，其值等于从地表沉降曲线的反弯点 到隧道中心线的距离。 以后，它被作为许多进一步研究的基础，并广泛应用于隧道和深基坑工 程的地表变形分析中招 _ 4 。同济大学和上海市政局根据多年来盾构旖工 实践资料，对p e c k 公式进行了研究分析，分别提出了考虑土体扰动后固 绪论 j ! 查銮望查堂! ! 塑旦堡主旦壅生堂堡堡茎 结沉降和地层损失概念的修正p e e k 公式。 第一章 在国内，张建华、王梦恕等以北京地铁复兴门折返线工程为背景， 通过对现场量测数据的统计分析，建立了模拟台阶法施工的二维有限元 解析模式，给出了有限元法的特征曲线解析。同时，在评价了主要工程 措施对地表下沉的控制效果的基础上，将施工方法与支护压力、拱顶下 沉与地表下沉相联系，提出了地表下沉的预测及控制方法”j 。高波在浅 埋暗挖隧道开挖一支护过程的等效结构概念基础上，提出了一套可用于 隧道纵横剖面上地表沉陷曲线拟合的计算方法。计算中可以考虑近似对 称、非对称等问题，给出的计算公式有较高的精度和广泛的适用性i 。 这些研究工作和研究成果，对认识地下开挖产生的地层、地表变形的危 害起到了重要的作用，对地层、地表变形产生的机理及其影响因素在定 性的角度上有了比较一致的认识，特别是提出了一些预测及控制地表沉 降的方法。 随着城市建设中周围环境对地下工程的要求越来越高，作为控制地 层变形的手段，地下工程支护体系也日趋完善。对于如何合理地制定地 下工程开挖与支护体系方案，人们进行了多方面的研究，其中有静态确 定和动态确定两种方法。静态确定法是将地下工程支护体系作为一个可 预见的体系来研究，只是在某个特定时刻，在一些特定部位，抽样试验 测定，根据有限信息，基于一定安全系数，进行分析、计算和设计，主 要方法有物理模拟法、经验公式法、数值解析法、数值模拟法和系统工 程法( 反馈分析法) 。动态确定法则考虑到问题的动态不确定因素。1 9 8 0 年m a t s u o 在研究深基坑开挖的可靠性设计时首次提出了深基坑支护体系 的动态系统研究法( 动态观察法) ，它包括先期设计和动态修正两个阶段 ( 十个步骤) 。动态观察法及在其基础上发展起来的动态设计法，虽把计 算分析贯穿于勘察、设计和施工全过程，并对先期设计在过程变化中进 行动态修正，但在动态设计中尚未考虑优化控制问题，因此地下工程开 挖与支护还难以在整体上提高可靠性和经济性” 8 。近几年，随着电子 计算机的普遍应用而发展起来的最优化技术得到极大的推广和运用。也 有许多人尝试将最优化技术应用到地下工程施工方案的制定中去。 绪论 ! ! 立奎望查兰! ! 塑望堡主塑塞生兰堡垒奎 兰：兰 在环境控制方面，刘维宁、张弥等”】、 4 1 通过对城市地下工程施工中 各种影响因素的综合分析，运用系统论和控制论的方法，初步建立了一 套实施城市地下工程环境目标控制的理论体系，并开发了一套基于 a u t o c a d 平台的计算分析程序t u n l c a d ，实现了数据准备、模拟计 算和结果显示一体化。陆峰o3 借助计算机在力学计算、绘图和人机交互 方面的先进功能，进一步编制、完善了该程序，使用户在程序界面提示 f 可以直观、方便、迅速地进行与地下工程施工有关的有限元前处理工 作和方案描述工作。但是并没有实现优化控制的实际程序，分析地下i ： 程的有关环境影响，评判方案的优劣，设计最优环境控制效果的施工措 施还是无法直接用计算机来进行操作。 1 3 本文研究内容 本文针对上述问题，进行了一些研究工作。由于时间有限，本文只 研究了隧道工程环境影响的动态优化控制问题： ( 1 ) 文献整理及调研：收集、整理与隧道工程施工对周围环境影响相 关的文献，主要分析归纳隧道工程施工对地面建筑物和地下管线 的影响，重点是找出地表最大沉降值w 。与地面建筑物和地下管 线的变形及应变的关系，以便能够根据建筑物、管线与隧道轴线 的空间位置、地层特性、建筑物和管线的安全要求来确定地表最 大允许沉降值w 。，而不是象现在盲目沿用w 3 0 r a m 的规定。 ( 2 ) 模型设计：根据文献整理及调研的结果，以地表最大允许沉降值 w 作为目标控制值，设计了一个能将地表沉降控制在允许值 w 。之内的隧道工程施工策略制定的动态优化模型。该模型可在 方案设计阶段将整体环境控制目标分配到每一步，并以此为依据 对原施工方案进行优化调整，使之满足环境要求；在施工过程中， 绪论 北方交通大学2 0 0 0 届硕士研究生学位论文 第一章 当前一步完成之后，再利用实测值可对后续步骤的旖工措旖进行 优化调整，从而保证每一步所采取的措施对于整个工程来说都是 最优的。在动态优化控制中，目标限定值的确定至关重要，它直 接关系到优化的质量。因此，本文还对目标限定值的规律进行1 r 分析研究，并根据工程资料加以验证，其结论可以作为确定目标 限定值的参考。 ( 3 ) 程序编制：本文利用v i s u a lb a s i c50 编制了一套实现上述动态优 化控制的计算机程序。此程序可以进行隧道工程施工方案的选择、 设计、优化及反馈调整，还可以计算地层变形对管线等的影响。 绪论 北方交通大学2 0 0 0 届硕士研究生学位论文 第：蕈 第二章隧道工程引起的地层变形 2 1引言 本文在隧道工程环境影响动态优化控制系统中选定地表最大沉降值 w 。作为目标控制值，所以首先要搞清楚地表沉降的规律以及地表最大 沉降值的计算方法。 开挖隧道所引起的土体局部应力释放会导致地层体积损失。地层体 积损失的数值与地层特性、地下水位、隧道施工方法、隧道开挖进度、 隧道的尺寸以及临时与永久支护的型式有关。周围土体在弥补地层体积 损失的过程中将发生地层变形，反映到地面就形成地表沉降。所以，若 要了解地表沉降的规律，首先要了解地层变形的规律。地层变形的计算 方法有很多种，如有限元法、经验公式法等，下面将分别加以介绍。 2 2 有限元法 隧道与地下结构物的静力分析是隧道力学的重要组成部分，目前人 们主要是根据岩土和结构材料的弹塑性应力一应变关系，即本构关系， 通过静力数值分析来计算隧道工程施工所引起的地层变形。严格地说， 隧道与地下结构物的受力状态属于空间( 三维) 问题，近年来国内外已 有不少学者做过这样的分析工作。但由于三维数值分析计算工作量大， 数据处理费事，而将隧道力学问题简化为二维问题进行分析也能得到令 人满意的结果，因此目前隧道工程界仍广泛采用二维分析方法。隧道与 地下结构二维弹塑性有限元静力分析的步骤一般如下“： 隧道工程引起的地层变形 北方交通大学2 0 0 0 届硕士研究生学位论文 第二章 ( 1 ) 确定各种计算参数； ( 2 ) 确定各个施工阶段中围岩和结构的有限元网格； ( 3 ) 分阶段计算释放节点荷载和结构自重等因素的等效节点荷载： ( 4 ) 分阶段计算围岩和结构的应力及位移； ( 5 ) 叠加各施工阶段的计算值，以得到围岩和衬砌结构的最终应力和 位移； ( 6 ) 根据各施工阶段的应力和位移以及最终的应力和位移值，评估阁 岩和结构的强度及稳定性。 限于篇幅，本文不再对隧道工程静力有限元分析作过多的描述。而 且，随着计算机技术的飞速发展，一些软件公司也开发了许多简便而有 效的地下工程有限元计算软件，如软脑公司的2 d o 、3 d o 等。这使得 地下工程技术人员不必掌握太多的有限元知识也可以进行有限元分析， 大大提高了工作效率。 2 3 经验公式法1 1 除了有限元法以外，研究人员还根据大量的工程实测资料归纳了 些计算地层变形的经验公式。为简单起见，假定： ( 1 ) 坐标系如图2 - 1 所示，坐标系原点( o ，0 ，o ) 位于隧道开挖面正 上方的地表，x 轴平行于隧道轴线，+ r 方向为隧道掘进的方向。 j ，轴在地表水平面内垂直于y 轴，z 轴垂直向下，通过隧道开挖面 中心。 ( 2 ) 地表沉降槽形式如图2 1 所示，地表沉降曲线的形式如图2 2 所 示，在z z 平面内，坐标系原点所对应的沉降值等于最大沉降值 的5 0 。 ( 3 ) 假定变形发生的过程中没有体积改变，并将隧道中的变形视为 线性传递地层体积损失的点源。 隧道工程引起的地层变形 第二章 j ! 塑茎望查兰! ! 婴垦堡圭! 壅兰堂堕笙兰二一 y t 怕i 处沉辟篁 w 。0 2 2 3 ”珥甜 i _ l 图2 一l 坐标系 妒瓮= j 7 卉t 岿iio 2 i 2 口l l 鞋道横断面 沉辟值” 万二颤面 沉降值” 图2 - 2 地表沉降曲线的形式 在上述假定条件下，地层内任一点( 坐标为( x ，_ y ，z ) ) 的变形及 应变的经验公式为： 一百 隧道工程 1 起的地层变形 北方交通大学2 0 0 0 届硕士研究生学位论文第二章 其中 ” v w w = 丽7 唧 可_ y 2 g ( 孚 一g 孚 ) 一” v = f w z 0 一z ( 22 ) “= 南删唧 掣h 掣 一 一押圪 屯一丽唧斟协- 1 ( 孚 唧 掣 一( 孚h 掣 ) + ( 纠 g ( 爿一g ( 孚 ) 也。， 旷者w 睁 q 2 再w l 1 j e ，= 褊爿爿 一 孚 唧 掣 ) x 轴方向上的地层变形； j ，轴方向上的地层变形； z 轴方向上的地层变形； ( 26 ) k 地层体积损失，为隧道单位开挖进度上的地表沉降槽体积， 一般，粘性土取值为o 5 25 隧道开挖面面积；砂土在地 下水位以上取值为2 - 5 隧道开挖面面积；在地下水位以 隧道工程引起的地层变形 9 学 h h 丁 些互銮望查兰! ! 塑旦堡主堑壅生兰垡笙奎蔓三兰 下，采用压缩气体控制砂土稳定时取值为2 - 1 0 隧道开挖 面面积； i沉降槽宽度系数，其值等于从地表沉降曲线的反弯点到隧 道中心线的距离 i = 0 4 3 ( z o z ) + 1 1 m ( 粘性土，3 z o 3 4 ) i = 0 2 8 ( z o z ) 一0 1 m ( 砂土，6 z o 1 0 ) ； z 。一：的基数，粘性土”= 1 0 ，砂土疗= o 9 ； x ，隧道终止位置( y = 0 ) ； x 隧道初始位置( y = 0 ) ； 毛从地表到隧道轴线的深度； ，x 轴方向上的地层应变； 。y 轴方向上的地层应变； ，z 轴方向上的地层应变； g 够) = 、2 7 【。e x p l - 2 5 2 卜，甜、v 方向通常指向坐标轴原点，w 方向向 下，应变值拉为正，压为负。 由假定条件( 2 ) 可知，地表最大沉降值w g ) 可由y = 0 ，z = 0 时 的式( 2 1 ) 求出，即 w = 去 g ( 孚 一g ( 孚 ) 也， 2 。4 有限元法与经验公式法的比较 有限元法适合于分析复杂几何形状的连续介质问题；便于日i 入各种 要求的边界条件；能成功地反映各种复杂的材料性质及其不均匀性。这 都是其它数值方法难于做到的。而经验公式则是根据大量工程实测资料 隧道工程引起的地层变形二瓦 北方交通大学2 0 0 0 届硕士研究生学位论文 第二章 回归出来的，不可能考虑太多复杂的条件。因此，就准确度来说，应该 是有限元法较为准确。 当然，在使用方面，有限元法较经验公式法要繁复的多，即使是使 用象2 d o 这样的软件，也不得不进行参数确定、网格划分等工作，需 要花费大量的时间和精力。而经验公式法则很简单，只要确定了几个关 键参数就可以计算任一点的变形和应变。因此，在计算精度要求不高的 时候，使用经验公式法要方便一些。 2 5 本章小结 隧道开挖引起地层变形，地层变形反映到地表就形成地表沉降。本 章简要介绍了如何运用有限元法和经验公式法计算地层变形值( 包括地 表沉降值) 。两种方法各有其优越性，在实际工作中使用哪一种方法要看 是侧重于结果的精确度还是侧重于计算的速度。了解地表沉降值的计算 方法是选定地表最大沉降值w 作为隧道工程环境影响动态优化控制模 型的目标控制值的基础。 隧道工程引起的地层变形 北方变通大学2 0 0 0 届硕士研究生学位论文 第三章 第三章隧道工程对周围管线的影响 3 1引言 隧道工程对环境的影响包括很多方面，本文主要研究隧道工程对地 下管线和地面建筑物的影响。但是如果直接以建筑物或管线的变形和应 变作为控制目标则存在着一些问题。首先是管线埋置于地下，不易量测 其变形和应变，即使是位于地面的建筑物，要量测其沉降、倾斜或应变 也不是十分容易。另外，如果直接以建筑物或管线的变形和应变作为控 制目标，则目标值比较多，很难控制。所以，一般情况下，人们都是根 据它们与隧道工程的空间关系，通过控制地表沉降来间接控制建筑物或 管线的变形和应变。例如：广州地铁和北京地铁的施工都是将地表沉降 控制在3 c m 以内。所以，本文也是以地表最大沉降值w 作为隧道1 一程 环境影响动态优化控制模型的控制目标，这种做法是否可行，要看控制 地表最大沉降值是否能够真正有效地控制地下管线、地面建筑物的变形 及应变。为此，本文首先要搞清楚： ( 1 ) 管线的变形和应变与w 的关系； ( 2 ) 建筑物的变形和应变与w 的关系。 本文收集和整理了与隧道工程施工对地面建筑物和地下管线影响相关的 文献，并分析归纳了上述关系，将分别在本章及下一章加以阐述。其中 资料的主要来源为p ba t t e w e l l ，j y e a t e s 和a rs e l b y 所著的s o i l m o v e m e n t si n d u c e d b yt u n n e l l i n g a n dt h e i re f f e c t so n p i p e l i n e s a n d s t r u c t u r e s ) ) 等。 在研究隧道施工与地下管线之间的相互作用时，人们发现线弹性方 法是很适用的。同时，恰当地定义管线、管线接头及管线周围土体的强 度和变形特性也是同样重要的。管线的存在必然会对地层变形产生影响， 地层变形也会使管线上产生弯矩。图3 - 1 表示了具有连续刚性接头的管 隧道工程对周围管线的影响1 2 - ：坐立銮堕查堂! ! ! ! 昼堕主堕窒生兰垡造茎翌二兰 线所受弯矩的形式与它的位置的关系。图中的坐标系原点位于隧道开挖 面正上方的管线处，吖f 轴平行于隧道轴线，+ 叫，方向为隧道掘进的方 向，y f 轴在管线平面内垂直于隧道轴线，纵轴垂直向下，通过隧道开挖 面中心。同时，管线上产生的弯矩及其抵抗地层变形的能力也会受到管 线接头的位置、接头的结构方式及其弹性大小的影响。 以。n 醐 ；卜 ( a ) 管线垂直于隧道轴线 鱼奄矩 一八 o 一 t 缴 链 苴 ( b ) 管线平行于隧道轴线 图3 1 在管线下方进行隧道开挖所引起的管线上的弯矩形式 隧道开挖会引起管线处地层的径向变形和轴向变形，本文归纳总结 隧道工程对周围管线的影响1 3 ! ! 互至望奎堂! ! 塑旦堡圭堕壅兰堂垡丝苎丝三皇 了在这两种情况下，地下开挖对处于不同位置的管线的影响，重点是找 出地表最大沉降值w 。与管线的变形及应变的关系。在进行分析之前， 首先要确定以下参数： ( i ) 地表沉降槽宽度系数，。： f 乇= 0 4 3 z o + 1 i ，栉( 丰占性土，3 z o 3 4 ) li o = o 2 8 z o 一0 1 m 土，6 z o 1 0 ) ( 2 ) 管线平面上沉降槽宽度系数f 。： 忙= 0 4 2 3 8 k ( z 型孓：糕6 薯器z ，n 。一) 加1 脚( 砂土，鼠l o ) _ 3 1 引 其中z 。为从地表到管线轴线的深度。 ( 3 ) 地表最大沉降值w ，。，由式( 2 1 ) 可得： ”2 赢 吖33 ( 4 ) 管线平面上最大沉降值w ：。，由式( 2 1 ) 可得： 屹2 矗2 扛 a ， 另外，本章规定3 2 、3 3 节中的坐标系同图2 - l 所示，即坐标 系原点( o ，0 ，o ) 位于隧道开挖面正上方的地表，x 轴平行于隧道轴线， + x 方向为隧道掘进的方向，y 轴在地表水平面内垂直于x 轴，：轴垂唐 向下，通过隧道开挖面中心。 3 2 隧道开挖所引起的管线处的地层径向变形 w i n k e r ( 1 8 6 7 ) 提出了地基反作用模型，他假设基础底面上任一点 ! ! 查銮望查兰! ! 塑星堡主! 塞生! 丝丝苎 蔓三里 所受的压力与地基在该点的沉降成正比，而与地基上其它地方的压力和 沉降无关。这个模型被广泛应用于地基工程，并且在解决实际问题的过 程中积累了许多有用的经验。我们在此也采用这种线弹性的土一管模型， 并有如下假定： ( 1 ) 运用w i n k l e r 地基模型，令 地基反作用模量k 。= o 6 有效地基反作用模量 k 咿 弹性地基梁变形系数 九 ( 35 ) ( 36 ) ( 37 ) 其中 d 管线外径； e 。土体弹性模量； e 。管线弹性模量； ，。管线惯性矩； v 。土体的泊松比。 ( 2 ) 土体预先压缩过，并始终与管线保持接触； ( 3 ) 管线的材料是线弹性的、均匀的、各向同性的； ( 4 ) 管线周围的土体是线弹性的、均匀的； ( 5 ) 地层变形曲线上斜率为零的两点之间及其两侧3 九范围内的管线都 是均匀的，且具有刚性接头。 3 2 1 管线垂直于隧道轴线时 设管线垂直于隧道轴线( 管线与隧道轴线成直角) ，位于x = 常数的 平面内，见图3 2 所示。在这种情况下，管线处的地层径向变形只有垂 直方向的变形w 。当管线具有刚性接头，且有3 九的长度锚固在原状土 层中时，其无量纲变形曲线如图3 - 3 所示，该曲线表示了管线的曲率 隧道工程对周围管线的影响 万一0 。一l 0锈巩跞 ! ! 查奎堕查兰! ! 塑鱼堡圭婴塞圭兰堡笙茎 堑三望 a 2 w ，砂2 与土一管刚度1 i ，九和所求位置y f ，之间的关系。可以将该曲 线简化为图3 - 4 和3 - 5 的形式，显然管线最大正负曲率的数值和最大负 曲率与零曲率的位置是土一管刚度1 f ，九的函数。而管线最大正曲率总是 发生在y = 0 处。 琏谨 ( 图3 - 2 管线与隧道的位置关系( 管线垂直于隧道轴线) i 1 ，l ，、 ：、 y v ，“， ： 筘 石、 、 一：；：； 、_ 毒筝= ；z 冒 _ 、0 、 - - ，_ _ 一 套弋 妄_ 3 3 啼 。奴。 。、1 罂一 一n ： g i _ _ 0 7 5 垂直沉晕檀形式 、 、? 0 垂直距离 i y i , 图3 - 3 管线曲率随土一管刚度的变化 负 鐾障 正 隧道工程对周围管线的影响 1 6 北方交通大学2 0 0 0 届硕士研究生学位论文 第三章 n 日 茎陲 r l - 篡 o 4 最大正曲率 量丈负 lr o1 5工0 剥惶呃l ) 图3 - 4 管线曲率最大值随土管刚度的变化 经过归纳总结 图3 - 5 管线曲率最大值与零值的位置 ( 1 ) 当1 f ，九 o 7 时，管线最大正曲率为 等= 筹6 一籼，九) 】等 其中爿6 ，九) = e y p ( - i ，九妊e ，九) + s 加0 ，九) 】，且在三角函数中，参数 f 。九用弧度表示。 隧道工程对周围管线的影响 1 7 北方交通大学2 0 0 0 届硕士研究生学位论文 第三章 管线最大负曲率则可以根据土一管刚度1 九由图3 - 4 求出。 ( 2 ) 当1 i 九 o 7 时，管线曲率由沉降槽的准确形式决定，一般很难确 切定义。其下限相对于图3 - 3 所示的理想光滑沉降槽，可由图3 4 求出，上限则相对于沉降槽最不光滑的情况。管线最大正曲率的： 限由式( 3 9 ) 给出： 垡：丝堡( 39 ) 砂2 2 3 i i 管线最大负曲率的上限为式( 39 ) 的值的1 2 。 3 2 2 管线平行于隧道轴线时 设管线( 具有刚性接头) 平行于隧道轴线( 见图3 - 6 所示) ，且恰好 位于隧道轴线的正上方( 即管线在y = 0 的平面内) 。在这种情况下，管 线处的地层径向变形只有垂真方向的变形w 。与垂直于隧道轴线的具有 刚性接头的管线相似，图3 - 7 给出了管线的曲率a 2 w 。出2 与土管刚度 1 i 。九和所求位置叫f 。之间的关系。对于图3 7 所示的管线变形形式，在 隧道开挖面后叫，。处的管线正曲率与隧道开挖面前可f 。处的管线负曲率 在数值上是相等的。可以将图3 7 简化为图3 8 和图3 9 的形式。 爹 管线 审管线 一。、 雕谨 图3 - 6 管线与隧道的位置关系( 管线平行于隧道轴线且位于隧道轴线的正上方) 隧道工程对周圉管线的影响1 8 北方交通大学2 0 0 0 届硕士研究生学位论文第三章 i ii 形八 卜坚k 卜三：业l 一，7 、ti 一礓睁 ：一g k ：| 10 一 雎进掘进方向 妒出5 、 沁 一 沉降檀圾断面。p 锡 一匕 么新“ | 2 0 。 多髟纱。 l 1 卜 遵 ；荽7 l _ v 6 ，： 隧道开挖蔚前的距离叫- 图3 7 管线曲率随土一管刚度的变化 普 曩 、 i i 负曲# 量大位 土一警刚度v 6 ，曲 图3 - 8 管线曲率最大值随土一管刚度的变化 经过归纳总结 ( 1 ) 当1 0 1 i 。九 3 0 时，管线正、负曲率的最大值为 等= 0 3 2 2 好w ： 们 ( ：j ) 当i ；。九 1 0 时，管线曲率由沉降槽的准确形式确定，其下限相对 于图3 7 所示的理想光滑沉降槽，可由图3 - 8 求出，上限则相对 于沉降槽最不光滑的情况，由式( 3 1 2 ) 给出： 掌2 墨 差 星1 量 = 粤 整 图3 - 9 管线曲率最大值的位置 在管线平行但偏离隧道轴线( 即管线在y = y 。平面内，见图3 - 1 0 所 示) 的情况下，管线处的地层径向变形将包括垂直方向的变形w 和水平 方向的变形v 。设管线平面上沿隧道中心线( 即y = 0 ) 的垂直方向的地 层变形用w 。p 表示，则在y = y ，处，垂直方向的地层变形为 w 曼，。2 唧i l 二2 ；孥, j f w 长。；水平方向的地层变形为 隧道工程对周围管线的影响 2 0 生弓 九一60一 i 垡酽 ! ! 查銮望查兰! ! 塑垦堡主堑窒生堂垡堡塞一一! 二兰 哆如= 老叫专h 眦龇殿蹦鞑婀媚乩雌 变形对偏离于隧道轴线的管线的影响与对位于隧道轴线正上方的管线的 影响是相同的，只是数值有所减小。如果对于隧道轴线正上方的管线， 最大地层径向变形为w 乞，则对于y = y ，处的管线，最大地层径向变形 为矢量和 如，：老 2 “2e 印斟。哺虮 表3 一l 给出折减系数随几何参数及地层变形参数的变化。 表3l平行且偏离隧道轴线的管线上纵向弯曲的折减系数 偏离距k o ) 的折减系数 离 隧道上方为砂性土隧道上方为粘性土 y ， i f i - 09f l = lo z o z 02 302 402 5o2 602 70 4o 5o 6o70 8 0l010l0l0 1010l010l0l0 0109 lo9 209 309 309 409 709 909 909 9l0 o2o7 0o ，7 2o7 4o7 6o 7 7o9 0o9 4o 9 6o9 8o9 9 0 30 4 40 4 705 00 ，5 306 607 908 709 209 509 7 0 402 30 ，2 703 003 303 506 507 808 60 9 l09 5 o 5ol o01 3o1 5o 1 702 0o5 lo6 8o7 9o8 7o0 2 0 6 00 400 500 600 801 003 805 70 7 108 l08 8 0 700 10 0 200 200 300 402 604 606 207 408 3 0 80000 l0 0 l00 20 1 703 6o5 3o6 707 8 0 900001 102 70 4 405 907 2 1000 601 903 505 l06 5 l200 20 0 902 103 60 5 1 l4000 301 lo2 3o3 7 1 600 l00 50 1 402 6 l8000 200 801 6 2 00 0 100 401 0 隧道工程对周围管线的影响- 2 l - 北方交通大学2 0 0 0 届硕士研究生学位论文第三章 警炷 般。 。一 ， z 图3 1 0 管线与隧道的位置关系( 管线平行且偏离隧道轴线) 3 2 3 管线变形 、 土一蓄刚宴v 6 ，k ) a ) 垂直子罐道轴线翁警线 lv 。0 ) 0 1 0 2 强。 土一警刚度 岫) 平行于隧道轴线的管线 ( x 。i 5 1 j 图3 - l l土一管变形差值的最大值 o 管线变形w ，与该处地层变形w ，之差0 ，一w 一) 表现了管线对地层变 形的抵抗。对于垂直于隧道轴线的具有剐性接头的管线，( w ，一wp ) 的最 大值发生在隧道轴线正上方y = o 处，图3 一l l ( a ) 给出了0 ，一wp ) 的最 大值与土一管刚度l ，九的关系。对于平行于隧道轴线且位于隧道轴线正 上方的具有刚性接头的管线，- ，一w ，) 的最大值发生在r = i 5 i ，处，图 隧道工程对周围管线的影响 2 2 北方交通大学2 0 0 0 届硕士研究生学位论文第三章 转角。例如：由y j = 0 、0 、一l ，处的w w 幺值，可分别求出“l ， 0 ”跨和“0 - - - ( 一l ，) ”跨的沉降差，再进步求出乃= o 处接头的转角 。一，w ：l ：。一- ，w ：l 山】一，w l ) ，。，一 ，w ：l ：。， ( 2 ) 管线平行于隧道轴线时 三l j 三- i _ 三l j 三三三l 三j 三e l j 墨。c 二= = 】= 二= = = = = = 匕= = = = = = ：仁= = ：三 c 9 级么弦 二 图3 1 3 管线接头最不利位置图( 管线平行于隧道轴线) 管线接头最不利位置为x d = 2 l s 、l 、0 、l r 一2 l ，等，如图3 一 1 3 所示。由管线平面上接头最不利位置处的地层沉降与最大沉降的比值 w w 乙( 参见式( 2 1 ) ) 可求得同一跨上的沉降差，再计算相邻两跨 接头处可能的转角。例如：由o = 2 t 、，、0 处的w p ，+ w 。p 。值，可分 别求出“2 l 一，”跨和“，一o ”跨的沉降差，再进一步求出x t ：， 处接头的转角： 0 j = 堕：! ! 塾l ：! 二坚：坐刍。l ：。】一一w 乞l 山一w p w 。p 。l 。，】 ( 31 5 ) 当管线平行且偏离隧道轴线时，将上述值乘以表3 一l 中的折减系数。 隧道工程对周围管线的影响 ! ! 查窒望查堂! ! 塑旦堡主堑窒生堂些堡室! 三皇 3 3 隧道开挖所引起的管线处的地层轴向变形 p o u l o s 和d a v i s ( 1 9 8 0 ) 曾给出受到地层轴向变形( 膨胀土) 影响的 管线的线弹性分析。假定 ( 1 ) 土体为均质弹性半空间； ( 2 ) 土一管接触面不会产生滑移； ( 3 ) 管线是不可压缩的，在拉伸和压缩作用下不会失效。 其分析结果可用于计算地层轴向变形所引起的管线七的最大荷载。在这 种情况下，土一管刚度系数为k + = 了l p l x a ，其中r 。= 管线面积率 e g = 去= 丁4 ( d - t ) t ，a p = 管壁面积2 冗p f 。k + 是关于管线与土体相对 压缩性的数值，管线越易压缩，k + 值越小。 3 3 1管线垂直于隧道轴线时 当管线垂直于隧道轴线时( 见图3 - 2 所示) ，管线处的地层轴向变形 为： 畦s * 唧斟l 2 i p 且在j ，。= 1 0 处，有 v 乞三一0 6 0 7 卫一i 。w ：。 0 0口 v ：。为负值表明地层移动的方向是向着隧道轴线( 即y = 0 ) 的。设管线 位于x = 常数的平面内，则地层轴向变形曲线如图3 1 4 ( a ) 所示，相应 的简化变形曲线如图3 1 4 ( b ) 所示。假设管线在隧道轴线两端延伸长 度为9 i ，在原状土中锚固的长度为6 i ，。对于地层轴向变形，管线的最 大拉应变取决于土一管刚度系数k 、几何系数d i 。和地层变形系数 隧道工程对周围管线的影响 2 5 北方交通大学2 0 0 0 届硕士研究生学位论文第三章 屹。i ，。 黛谧 一y ，i t k 32 1 0-i-2-3 一y 3 1o 一13 v ，- 16 4 9 叫噶，e _ p 2 渺 “ 地层轴向变脯化形式 图3 1 4 垂直于隧道轴线的管线处的地层轴向变形 当管线垂直于隧道轴线( 管线与隧道轴线成直角) ，且具有连续刚性 接头时，管线应变最大值的无量纲曲线如图3 1 5 、3 - 1 6 所示。管线拉应 变最大值发生在y = 1 7 3 i 。到y = 3 i ，之间，并且为了计算方便，认为管线 拉弯与轴向应变的叠加发生在管线最大负曲率处( 见图3 5 ) 。管线压应 变最大值发生在y = 0 处，但在计算管线拉弯与轴向应变叠加时通常忽略 不计压应变。 、 、 、 t夕 、 ?k 、 、 迨 图3 1 5 管线轴向拉应变的最大值随管径d 和土管刚度系数k 的变化 隧道工程对周围管线的影响 2 6 ! ! 立奎里查兰! ! 塑旦堡主堕塑生堂垡笙奎 笙三里 、 f l1 i ，f f7 i | “ 。 i i | 艇 d ，i 图3 - 1 6 管线轴向压应变的最大值随管径d 和土一管刚度系数k + 的变化 经归纳总结 ( 1 ) 当1 0 0 讲 1 0 0 0 时，由图3 1 5 、3 1 6 分别求出足+ = 1 0 0 0 时相应的系数 ，、 也，则 管线轴自拉应变为e 一2 警毛等 ( 3z 。) 管线轴向压应变为 ，。压= 1 1 0 - 0 0 七：字 ( 32 1 ) ! ! 塑窒望奎兰! ! 塑旦堡主竺窒竺茎垡堡兰 3 3 2 管线平行于隧道轴线时 第一章 当管线平行于隧道轴线且位于隧道轴线正上方时( 见图3 6 所示) 管线处的地层轴向变形为： 蠕兰”乞唧斟 且在y = 0 ，x = 0 处， ”：。兰一0 3 9 9 生l ，w 么 z 0 一z 口 一p 为负值表明地层始终是从原始位置向着x 减小的方向移动的，也就 是说，与隧道掘进的方向是相反的。由式( 3 2 2 ) 可知，超过x = 一3 i 。， x 方向的残余地层轴向变形”，为0 。但这并不总是代表真实情况，如果 有必要，超过x = 0 ，将采取设计变形 肥o s 斗唧 们z 。， 对于j ，= y 。平面内平行且偏离隧道轴线的管线( 见图3 - 1 0 所示) ，管线 处的地层轴向变形为： 吒唧辫- - x ：印斟 们z s ， 也就是羔，= ”岛折减系数。因此，除了数值有所减小外，地层变形 对偏离隧道轴线的管线的作用与对隧道轴线正上方的管线的作用是一样 的。折减系数与几何条件和地层变形参数f 。有关。 地层轴向变形曲线如图3 - 1 7 ( a ) 所示，可简化为图3 1 7 ( b ) 的 形式。假定平行于隧道轴线的管线延伸到隧道开挖面前后的距离为1 0 ，。， 在原状土中锚固的长度为7 5 i ，。对于地层轴向变形，管线的最大拉应变 隧道工程对周围管线的影响 - 2 8 - 北方交通大学2 0 0 0 届硕士研究生学位论文 第三章 取决于土一管刚度系数、几何系数训，和地层变形系数“纛，。 u lu 品，i x p ( 一” 图3 - 1 7 平行且位于隧道轴线正上方的管线处的地层轴向变形 对于平行于隧道轴线的管线，当管线位于隧道轴线正上方时，地层 轴向变形将产生最大值，而对于平行且偏离隧道轴线的管线，其折减系 数在式( 3 2 5 ) 中给出。对于具有连续刚性接头的管线，图3 - 1 8 给出管 线拉应变的最大值与酬f 。和土一管刚度系数足的关系。对于图3 一1 7 所 示的地层变形的对称形式，管线在x = 0 处的应变为0 ，隧道开挖面后 f 。处的压应变与隧道开挖面前叫，。处的拉应变在数值上是相等的。管 线拉应变的最大值发生在隧道开挖面前j 。到2 5 i 。之间，并且为了计算方 便，认为拉弯与轴向应变的叠加发生在管线曲率最大值处( 见图3 - 9 ) 。 经归纳总结 ( 1 ) 当1 0 0 k + 1 0 0 0 时，由图3 1 8 求出k = 1 0 0 0 时相应的系数k ，则 管线轴向拉应变为 e 。拉。1 1 0 r 0 0 t 等 当管线平行且偏离隧道轴线时，将上述结果乘以式( 3 2 5 ) 给出的 隧道工程对周围管线的影响2 9 j ! 查窒塑查堂! ! 塑旦堡主婴塞兰兰垡笙奎 一 第三章 折减系数。 、 、 k ，- 1 l 。、i 7 毛 逛 = d ，i 口 图3 一1 8 管线轴向拉应变的最大值随管径d 和土一管刚度系数k 。的变化 3 3 3 管线变形与土一管剪应力 、 r t i 。f 一蜷 鼍淤 d ，b 警续垂直子