（市政工程专业论文）盾构隧道开挖扰动下周围管线的安全性研究.pdf

中文摘要 摘要： 城市地下管线在现代城市生活、生产中扮演着一个重要角色。城市地铁隧道 开挖必将扰动周围土体，使周围土体发生变形和移动，而周围管线的刚度是土体 刚度的1 0 0 0 3 0 0 0 倍，必将抵制土体移动，管线的荷载约束条件将发生变化，管 线内部应力发生重分布。这样，管线的安全性情况必将发生变化，所以欲建立一 种通过地面沉降测量数据评价管线安全性的方法。 本文从温克尔弹性地基梁模型出发，将管线看作为放置在弹性地基上的梁， 利用梁的受力分析考虑管线与土体之间的相互作用。分别建立管线垂直和平行隧 道时管线变形和地面最大沉降量之间的直接联系，结合柔性管线和刚性管线的损 坏控制标准，用允许最大地面沉降来判断管线安全性情况；而影响管线变形的各 参量都是随机的，所以本文还将用可靠度的方法来判断管线的安全性情况，并对 两种方法做出对比。最后，对所提方法进行了实例验证。 本文改善了传统的地面沉降量判断标准，建立了管线可靠度指标和地面最大 沉降之间的直接联系。对具体的工程实际，可以根据不同管线的重要程度，制定 对应的可靠指标，以相应的允许最大地面沉降量作为判断依据。 关键词：地下管线；开挖扰动；地面沉降；可靠性 分类号；u 4 5 6 3 + 1 a b s t r a c t a b s t r a c t ： u n d e r g r o u n dp i p e l i n e sp l a y a l l i m p o r t a n tr o l e i nm o d e ms o c i e t y t u n n e le x c a v a t i o nw i l ld i s t u r bt h es u r r o u n d i n gs o i l ，a n dd i s p l a c e m e n ta n dd e f o r m a t i o n 0 c c l l rt h e r e s i n c et h ep i p es t i f f n e s si s1 0 0 0t 0 3 0 0 0t i m e so ft h es o i ls t i f f n e s s p i p ew i l l r e s t r a i n tg r o u n dm o v e m e n t t h el o a da p p l i e da n dc o n s t r a i n t se x i s t i n go np i p e l i n ew i l l c h a n g e ，a n dt h e ni n t e m a lf o r c e sw i t h i np i p e l i n es t r u c t u r e sa r es u b j e c t e dt oc h a n g ea n d r e d i s t r i b u t e t h e r e f o r e ，t h es a f e t yo fp i p e l i n e sa d j a c e n tt ot h et u n n e lw i l la l t e r s oi ti s n e c e s s a r yt oe s t a b l i s ham o d e lt o j u d g et h es a f e t yo f p i p e l i n e i nt h i sp a p e r , b ye m p l o y i n gt h ep r i n c i p l eo fw i n k l e ra s s u m p t i o n , w ec o n s i d e rt h e p i p e l i n ea sab e a mo ne l a s t i cf o u n d a t i o n , a n da n a l y z et h ei n t e r a c t i o nb e t w e e np i p e l i n e a n ds o i l t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed e f o r m a t i o no fp i p e l i n e s ，p a r a l l e la n dv e r t i c a lt o t h et u n n e l ，a n dt h em a x i m u mg r o u n ds e t t l e m e n ti ss t u d i e d t h ec o r r e s p o n d i n g c o m p u t a t i o nf o r m u l a ea r e a l s o g i v e n a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o l c r i t e r i o no fr i g i d p i p e l i n e sa n df l e x i b l ep i p e l i n e s ；w ej u d g e t h es a f e t yo fp i p e l i n ew i t ha l l o w a b l e d e f o r m a t i o no ft h eg r o u n ds e t t l e m e n t s i n c et h ec o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r sa r er a n d o m v a r i a b l e s ，ar e l i a b i l i t ya n a l y s i so ft h es a f e t yi sd e v e l o p e di n t h i sp a p e r a tl a s t , s o m e p r a c t i c a le x a m p l e sa r ei n t r o d u c e dt od e m o n s t r a t et h ea p p l i c a b i l i t yo f t h i sm e t h o d 眦sp a p e ri m p r o v e st h et r a d i t i o n a lj u d g m e n ta n de s t a b l i s h e st h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h er e l i a b i l i t yi n d e xa n dt h ea l l o w a b l em a x i m u mg r o u n ds e t t l e m e n t s ow ec a l l r e c k o nar e l i a b i l i t yi n d e xa c c o r d i n gt h ep r a c t i c a lc o n s t r u c t i o nc o n d i t i o na n dt h e i m p o r t a n c eo f d i f f e r e n tp i p e l i n e s a n dj u d g et h e s a f e t y o fp i p e l i n ew i t ht h e c o r r e s p o n d i n ga l l o w a b l eg r o u n ds e t t l e m e n t k e y w o r d s ：u n d e r g r o u n dp i p e l i n e ；d i s t u r b a n c e o ft u n n e le x c a v a t i o n ；s u r f a c e s e t t l e m e n t ；r e l i a b i l i t y c l a s s n o ：1 3 4 5 6 3 + 1 致谢 本论文的工作是在我的导师杨成永教授的悉心指导下完成的，杨成永教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 杨成永老师对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，李兵、吴莹、刘峻岭、吴正高等同学对我论 文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 引言 1 引言 1 1 论文的背景和意义 1 1 1 论文的背景 近年来，世界范围内的城市化水平一直呈现出不断上升的趋势，即城市数目 和规模都不断增加和扩大。改革开放以来，随着中国经济的高速发展，中国的城 市化进程也己大大加快，至u 1 9 9 7 年底，中国城市总数已达6 6 6 个，其中超大、特大 和大城市有7 5 个，预计至l j 2 1 世纪中期，我国的城市将增2 1 j i l j l 0 0 0 多个，城市化水 平将达到5 0 9 6 以上。随着城市化的高速发展，也带来了一系列的城市环境问题，形 成了所谓的“城市综合症”。主要表现为城市人口超饱和、建筑空间拥挤、城市 绿化面积减少、交通阻塞。我国上海和北京城区位于世界人口高密度城市之首， 按国际标准，处于超饱和状态。据1 9 9 0 年统计，我国城市人均绿地面积只有3 9 砰。 距国家制定的人均1 0 m 2 的卫生标准和联合国建议的人均4 0 m 2 的城市绿地标准相差 甚远。交通阻塞也已成为我国许多城市普遍的突出问题，如北京市干道平均车速 已比1 0 年前降低5 0 以上，而且时速正以每年递减2 k m 的速度继续下降，据统计， 市区1 8 3 个路口中，严重阻塞的达6 0 。 纵观当今世界，发达国家已把对城市地下空间的开发利用作为解决城市人口、 资源、环境三大危机的重要措施和医治“城市综合症”，实施城市可持续发展的 重要途径。城市地下空间作为新型国土资源受到世界发达国家的越来越多的重视。 自1 9 9 7 年以来，已召开多次以地下空间为主题的国际会议，通过了不少呼吁开发 利用地下空间的决议、文件和宣言。在工程实践方面，瑞典、挪威、加拿大、日 本，美国、法国和芬兰等国在城市地下空间利用领域已达到相当规模和水平。城 市地下空间的开发利用，己成为世界性发展趋势，并以此作为衡量城市现代化的 重要标志。向地下要土地、要空间己成为城市发展的历史必然。实践表明，它是 提高土地利用率与节省土地资源，缓解中心城市密度、人车立体分流、疏导交通、 扩充基础设施容量、增加城市绿地、保持城市历史文化景观、减少环境污染、改 善城市生态的最有效途径。因此国际上不少学者提出“2 1 世纪是地下空间开发利 用的世纪”，并预测2 l 世纪末将有三分之一的世界人1 3 生活在地下空间是并不夸 张的“。 城市向三维空间发展，即实行立体化的再开发，是城市中心区改造的唯一现 北京交通大学硕士学位论文 实的途径。发达国家的大城市中心区如纽约、巴黎等都曾经出现过由于向上部畸 形发展而后呈现“逆城市化”的教训。“逆城市化”表明，以高层建筑和高架道 路为标志的城市向上部发展模式不是扩展城市空间的最合理模式。在对城市中心 区进行改造更新与再开发的实践过程中，形成了地面空间、地下空间与上部空间 协调发展的城市空间构成新概念即城市的立体再开发。在日本、北美和欧洲的一 些大城市，自6 0 7 0 年代以来都进行了立体化再开发。地下空间的充分利用是城市 立体化开发的主要组成部分。立体化再开发的结果，扩大了空间容量，提高了城 市集约度，消除了人车混杂现象，交通顺畅、商业更加繁荣，增加了地面绿化， 地面上环境优美宽敞，购物与休息、娱乐相互交融。这样的成功经验值得我们在 城市建设中借鉴与运用“o 发达国家解决城市“交通难”的主要措施是发展高效 率的地下有轨公共交通，形成四通八达的地下交通网。根据预测和分析，我国特 大城市的主要千道在2 l 世纪初将达到巨大的高峰单向断面客流量，靠一般的公共 电、汽车是不能解决的，只能选用高流量的有轨交通系统方案才行。高架道路对 城市景观、噪声和震动的影响将是很难接受的，高架线的建设往往使沿线地价贬 值，而地铁沿线的地价很快增值。因此，地铁的建设将是我国2 1 世纪城市地下空 间开发的重点。除已开通北京、上海、天津、广州的地铁外，正在兴建的有北京 地铁、上海地铁、广州地铁、深圳地铁、南京地铁等，此外已经国家批准和正在 筹建地铁的城市有成都、杭州、青岛等2 0 多座，预计2 1 世纪初至中叶将是我国大 规模建设地铁的年代”。 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。城市地铁隧道工程是在岩土体内 部进行的，无论其埋深大小，隧道的开挖施工将不可避免地扰动地下岩土体，破 坏了原有的平衡状态，而向新的平衡状态转化。地下岩土体的开挖会引起地表沉 降和变形，地表沉降到一定的程度，将影响地面建筑物的安全和地下管线的正常 使用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。 因此隧道开挖施工时，要与保护城市中有历史意义和经济、社会意义的设施 协调起来。隧道开挖施工引起的地表移动和变形，尤其是在地面建筑设施密集、 地下管网密布的城市中心地带进行隧道开挖施工，一直是人们十分关心的课题。 2 引言 1 1 2 论文的目的及意义 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，特别是周围重要管线在隧道开挖扰动下的可靠程度。从而在 事先及旋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地面沉降来了解地面沉降。国家规定的地面允许沉 降量为一3 0 r 啪+ 1 0 m m ，即地铁开挖允许的沉降值为3 0 m m ，允许的隆起值为 1 0 m m ，但这些地面沉降值并不能直接反应周围管线的可靠性。因为管线的埋深， 埋置年代，材料，用途及与隧道的距离以及方位的不同，可能导致地面沉降超过 3 0 m m 但管线的可靠性依然良好，或者地面的沉降值尚未达n 3 0 m m ，而管线已经 开裂失效的情况出现。我们可以直接对周围管线进行探测，如用闭路电视法( c c t v 法) 和声纳法，但它们都有不同的缺陷，闭路电视法不能检查被水和淤泥覆盖的部 分，而声纳法却不能提供有关管壁厚度和周围地层性能的参数l 珥j 。这样掌握地层受 扰动的活动规律，建立地面沉降与管线安全性的直接关系，且能侠速地预测管线 可靠性就显得非常重要。本文目的正是找出土层的变形规律，找出地面沉降和管 线安全性之间的关系，以比较容易测量的地面沉降作为输入量，在已知地面沉降 的情况下，直接推算管线的安全性情况。 1 2 论文研究内容 本文从地面沉降经验公式出发，运用w i n k l e r ( 1 8 6 7 ) 提出的地基反作用模型， 即认为基础地面上任一点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。建立这种线弹性的土一管模型。找出地面最大沉降量与 管线变形的关系。 主要内容如下： ( 1 ) 当隧道与管线垂直相交时，地面最大沉降量与管线变形的关系。 ( 2 ) 当隧道与管线平行时，地面最大沉降量与管线变形的关系。 ( 3 ) 分别考虑刚性管线和柔性管线发生变形的情况，对于刚性管线，推算出管 线最大应力与地表最大沉降量之间的关系：对于柔性管线，推算出管线在 曲率最大处接缝的张开值与地面最大沉降量之间的关系。 ( 4 ) 从以上关系出发，根据地面最大沉降量，土的性质，管的性质等参量，分 别写出刚性管线和柔性管线的功能函数。 刚性管线：毛= g l 似，s ) = b 卜仃 北京交通大学硕士学位论文 柔性管线：z 2 = 9 2 ( r ，s ) = 卜a ( 5 ) 根据功能方程所需参数，进行可靠度计算。 ( 6 ) 搜集具体实例所需的功能方程参数数据，进行检算。 4 隧道开挖引起的地层变形 2 隧道开挖引起的地层变形 本文在隧道工程中选定地表最大沉降值作为管线安全情况的输入条件，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。 盾构法施工可用于各类软土地层和软岩地层的隧道掘进，尤其是用于市区地 下铁道和水底隧道的掘进但在城市中修建地下工程时，盾构掘进产生的地层变 形常会危及周围构筑物、建筑物和地下管线的安全，甚至使其破坏和丧失使用功 能。表1 列出了影响地表沉降的诸多因素”。 表1 地表沉降的构成及机理 t a b 1 c o m p o s i n go f g r o u n ds e t t l e m e n ta n di t sm e c h a n i s m 沉降构成沉降机理 先行沉降地下水为降低。有效覆土重龟增加，压缩固结沉降 开挖前沉降开挖面崩塌，过量取士，土体英里释放、扰动，引起弹塑性变形 开挖前隆起 推力过大或推进速度过快，压入开挖面，形成被动土压力 盾尾沉降盾构通过时的连带、摩擦扰动 盾尾间隙沉降 盾尾脱出。盾尾间隙引起土体应力释放，发生弹塑性变形 后续沉降 长期的压缩、同结及蠕变变形 2 1 地层沉降规律的研究方法 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，如模型试验法、有限元法、经 验公式法、专家系统和灰色理论等。专家系统和灰色理论为近几年来的热点研究 课题，是一种对变形预测的新思路，但该法考虑因素繁多，模型复杂，在工程实 践上应用比较困难，下面将重点介绍前面三种方法。 2 1 1 模型试验法 模型试验如果按尺寸比例来分又可分为足尺模型和缩尺模型两种情况。西南 交通足尺模型试验或现场原位试验，采用1 ：1 比例，这种方法最能体现原型的实 北京交通大学硕七学位论文 际情况，结果也是真实可靠的。但是由于采用的模型与原型几何尺寸、材料等一 样，对于比较大的土工构筑物来讲，就显得十分不经济，耗费大量的人力、物力、 财力，有时得不偿失，这种方法应用于较少的工程实践中：缩尺模型特别是小比尺 模型目前是人们常常采用的一种方法。即将原型的几何尺寸按照一定比例( 通常 1 5 0 1 2 0 0 ) 缩小后进行研究。小比尺模型又可分为小比尺常规模型和小比尺离 心模型，小比尺常规模型由于不能补偿几何尺寸的缩小带来的自重损失，同时也 不能解决隧道施工中地下水渗流场与地层应力场相互作用问题，因此不能反映原 型的真实情况。离心模型试验( c e n t r i f u g a lm o d e lt e s t ) 是将土工模型置于高速旋转的 离心机中，让模型承受重力加速度n 倍的离心加速度作用( n 为模型率) ，增加模型 的容重，补偿因模型缩尺带来的土工构筑物自重的损失。它比通常在静力条件下 的常规模型更接近于实际。 2 1 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，近年来国内外己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”。： ( 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，根 据各施工阶段的应力和位移以及最终的应力和位移值，评估围岩和结构的强度及 稳定性。 作效限于篇幅，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 仃，3d 仃等。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，大大提高了工率。 2 1 3 经验公式法 6 隧道开挖引起的地层变形 经验预估法主要通过对地表沉陷进行观测，将观测数据进行数学处理后用数 学形式对沉陷的规律加以表现，进而对地表最大沉陷量和沉陷分布进行理论上和 经验上的推断。 经验预估法的种类很多，其中最有影响的是由p e c k 提出的地下开挖产生的地 表沉降分布的经验公式 1 9 6 9 年p e c k 在分析大量地表沉降观测数据的基础上，提出了地表沉降槽符合 正态分布曲线的概念”“，如图l 所示。他认为地层变形由地层损失引起，施工引 起的地面沉降是在不排水的条件下发生的，从而假定地表沉降槽体积等于地层损 失体积。地层损失量与盾构种类、操作方法、地层条件、地面环境及施工管理严 格程度有关，一般很难准确估计，文献9 。给出了地层损失量的估算值。 ； 图1 盾构隧道施工地面沉降曲线 f i g 1g - r o u n ds e t t l e m e n tc t l l v ed u e t ot u n n e lc o n s t r u c t i o n 对于均质粘性地层，盾构法隧道所引起的地面沉降为： 其中： 最= 志酬一旁 = 志* 去 即) 2 两h + r 7 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 北京交通大学硕士学位论文 式中，最为距隧道中心线横向距离x 处的地表沉降，m ：氏。为地表的最大沉 降值，m ；i 为沉降槽宽度系数，取为地表沉降曲线反弯点与原点的距离，m ；为 盾构隧道单位长度地层损失量，m ；q 为土体的内摩擦角，单位为度；h 为覆 盖层的厚度，m ；r 为盾构半径，m 。将i 值代入瓦。的关系式，得到： kt a n ( 4 5 。一罢) = _ 兰一+ ( 2 4 ) n 十r p e c k 公式被广泛的应用于隧道和深基坑等相关工程的地表变形分析中。其后， 人们对这个进行了多次修正，例如同济大学和上海市政局根据多年来盾构施工实 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结沉降和地 层损失概念的修正p e c k 公式。 另外a t t e w e l l 等通过假定横向地表为一正态分布形式，纵向分布为二次抛物 线形态得出隧道施工引起的三维地表运动的经验公式“： ( 1 ) 建立坐标系如图2 所示，坐标系原点( o ，0 ，0 ) 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，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 所示，地表沉降曲线的形式如图3 所示，在x - 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一线性传递 地层体积损失的点源。 隧道开挖引起的地层变形 l ，- 西处坑辟黧 w - q 2 2 1 w 图2 坐标轴示意图 f i 9 2 c o o r d i n a t ea x e s - 入 厂 i - ”t o 、 扭摩值v 。 曩 嚣辟越 图3 地表沉降曲线 f i g 3g r o u n ds e t t l e m e n tc i l r v c 9 “ i 北京交通大学硕士学位论文 为： 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 w = 志e x 爿 g ( 孚) 一g ( 竿 ) ， 一月 v = j ，w z o z ( 2 6 ) “= 恭e x p 爿 e 冲p 铲h 等铷 一n 矿 r y 2 驴忑再i 唧【了j 。 黜刳唧 掣e x p 掣 一 + ( 纠 g ( 孚 一- ，i x - x , 1 7 一l ， 旷毒一等叫j 亿 铲螽e x p 黜孚h 等玳孚 e x f 学 ( 2 1 0 ) 其中：甜x 轴方向上的地层变形，m ： v y 轴方向上的地层变形，m ： w z 轴方向上的地层变形，m ： k 地层体积损失，为隧道开挖进度上的地表沉降槽体积，一般，粘性 土取值为o 5 - 2 5 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；在地下水位以下，采用压缩气体控制砂土稳定时取值为2 1 0 开挖面积 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，m ： i = 0 4 3 ( z o 一：) + 1 1 m( 粘性土，3 s 气3 4 ) ( 2 1 i ) f = 0 2 8 ( z 。一z ) 一o 1 m( 砂土，6 z o l o ) ( 2 1 2 ) 1 0 隧道开挖引起的地层变形 ” 毛一z 的基数，其值等于从地表沉降曲线的反弯点到隧道中心 线的距离： x 隧道终止位置( y 2 0 ) x 隧道初始位置( y = o ) 从地表到隧道轴线的深度，m ： x 轴方向上的地层应变； 占。j ，轴方向上的地层应变： e z z 轴方向上的地层应变： g 鼢去栏p “、v 方向通常指向坐标轴原点，w 值向下，应变值拉为正，压为负。 2 2 地层位移的影响因素 国内外学者研究指出：在城市市区修建隧道引起地层位移的主要原因是施工 过程中的地层损失、地层原始应力状态的改变、土体的固结及土体的蠕变效应、 衬砌结构的变形等。归纳为以下几个因素的影响： 2 2 1 隧道埋深的影响 关于隧道埋深对地层位移的影响，a t t e w e l l 提出以下关系式： 去= 七西h _ ) 2 ( 2 1 4 ) 其中：r 为隧道半径，m ：h 为隧道埋深，m ：i 为隧道轴线到地面沉陷槽曲线反弯点 的距离，m ：| 、行为与地层特性及施工因素有关的常数。 2 2 2 上部荷载的影响 隧道上方竖直压力是影响地层沉陷的主要因素，b r o m s 和b e r m e r m a r k 提出用稳 北京交通大学硕士学位论文 定比表示隧道旌工的难易程度和地层位移的程度： j2 半 其中o ：表示隧道中心埋深处的总竖直压力，p a ：o ，为隧道的支护压力( 包括气压) ， p a ；e 为土体的不排水抗剪强度掣，p a 。 2 2 3 地下水的影响 施工过程中排水、降水、失水导致隧道周围地层的再固结，这会造成地层的 位移。对于固结沉降，目前还没有比较实用的理论。隧道开挖后，隧道周围的地 层受到扰动，形成超孔隙水压或者引起地下水位变化。通常，土体是由土粒、孔 隙水和气体组成的三相体。对于饱和含水的土层，土体中的孔隙完全被水充满， 可以认为是由固相的土粒和液相的孔隙水组成的两相体。排水以前，土体所受的 荷载由土粒和孔隙水共同承担，排水完成后，土体中的孔隙水被排出或部分排出， 孔隙水所承担的应力减小，土粒所承担的应力增加，即土的有效应力增加，从而 使土体产生固结压实。在排水范围内的土体固结压实向上传播，反映到地表，使 地表产生了沉降和水平位移，不均匀的地表移动产生了地表变形。 2 2 4 地层损失 在长期的实践和理论研究中，对坑道开挖后围岩中的物理力学现象有了一个 较为明确的认识。首先，坑道开挖后要引起一定范围内的围岩应力重分布和局部 地壳残余应力的释放。然后在重新分布的应力作用下，一定范围内的围岩产生位 移，形成松弛，与此同时也会使围岩的物理力学性质恶化。在这种条件下，围岩 将在薄弱处产生局部破坏。最后，在局部破坏的基础上造成整个坑道的破坏。地 层损失k 是指施工中实际开挖的土体体积和竣工隧道体积v 之差。竣工隧道体积 包括衬砌外围包裹的注入浆体体积。地层损失率k 以地层损失占理论开挖体积的 百分比表示。隧道开挖后，周围土体为弥补地层损失。就要向隧道内移动，因而 引起地表的移动和变形。 2 2 5 影响地层位移的其他因素 等。 影响地层位移的其他影响因素还有：隧道介质和环境，施工方法，土体性质 1 2 隧道开挖引起的地层变形 2 3 本章小结 本章介绍了隧道开挖引起的地层移动的研究方法和影响地层移动的因素。 研究方法包括模型试验法、有限元法、经验公式法、专家系统和灰色理论五 种方法，模型试验法结果相对准确，但实验条件比较严格，很不经济；有限元模 拟也比较真实，但目前各种有关土体应力应变关系理论的基本假定以及各种土体 参数存在不可避免的不确定因素，也就限制了这类方法在实际工程中的应用，到 目前也只是作为工程设计验算的一种手段；专家系统和灰色理论为近几年来的热 点研究课题，是一种对变形预测的新思路，但该法考虑因素繁多，模型复杂，在 工程实践上应用比较困难；经验公式法是大量工程实践在理论和经验上推断的结 果，只要选好参量，结果也比较准确，且可以快速简单的应用。所以，本文基于 可以快速判断管线安全性且有广泛适用性的原则，从经验公式法出发，建立地表 沉降和管线位移之间的联系。 北京交通大学硕士学位论文 3 地下管线的分类和控制标准 地下管线工程常被人们称为生命工程线，足见其重要性。城市地下管线肩负 着城市给水、排水、供气、供电、通信等重要工作。下面以地铁隧道开挖常碰到 的管线做一下简单介绍n 3 tt 4 。 3 1 地下管线分类 城市地下管线一般分为：地下管道、地下电缆及人防巷道。其中人防巷道属 于地下建( 构) 筑物。 地下管道分为：给水、排水、煤气和工业管道。其中排水管道又分为：雨污 合流管、雨水管和污水管。 地下电缆分为：电力电缆及电信电缆，其中电力电缆又分为电车电缆及供电 电缆；电信电缆又分为：市话、长话、广播、有线电视及部队、铁路、港口码头 等铺设的专用电信电缆。 3 1 1 给水管线的种类、结构、材质及规格 ( 1 ) 种类和材质 城市给水管线分金属管道和非金属管道两大类。金属管道又分为：镀锌钢管、 碳钢直板卷管及承插式灰口铸铁管；非金属管又分为：硬聚氯乙烯管和承插式预 应力混凝土管两种。近年来，国家建设部正在要求推广使用4 0 0 聊脚以下小i ：3 径给 水管。 ( 2 ) 规格 给水管道规格目前由公称口径d n l 5 d n 2 1 0 0 m m 之间，所谓公称口径，它所 指的尺寸既不是管道的内径，也不是管道的外径，而是较为接近管道内径的尺寸， 一般有如下规格： d n l 5 、d n 2 0 、d n 2 5 、d n 4 0 、d n 5 0 、d n l 0 0 、d n l 5 0 、d n 2 0 0 、d n 3 0 0 、 d n 4 0 0 、d n 6 0 0 、d n 8 0 0 、d n l 0 0 0 、d n l 2 0 0 、d n l 4 0 0 、d n l 6 0 0 、d n l 8 0 0 、d n 2 0 0 0 、 d n 2 1 0 0 。 公称口径所对应的管道外径如下表2 所示： 1 4 地下管线的分类和控制标准 表2 给水管道规格表 t a b ，2w a t e rs u p p l yp i p e l i n e s p e c i f i c a t i o n s 公称口径d n l 5d n 2 0d n 2 5d n 4 0d n 5 0d n l o od n l 5 0 实外径m 2 1 2 52 6 7 53 3 5 04 8 o o6 0 0 0 1 1 4 o o 1 6 5 0 0 公称口径 d n 2 0 0d n 3 0 0d n 4 0 0d n 6 0 0d n 8 0 0d n l 0 0 0d n l 2 0 0 实外径 2 2 0 0 03 2 2 8 04 2 5 6 06 3 0 8 08 3 6 o o1 0 4 1 0 01 2 4 6 0 0 通常，d n l 5 d n l 0 0 口径的管道采用镀锌管，d n l 0 0 d n 4 0 0 口径采用铸铁管， d n 6 0 0 1 2 0 0 采用钢管和预应力混凝土管良种，超过d n l 2 0 0 一般使用钢管。但目 前部分城市，如深圳，对超过d n l 2 0 0 的给水管开始使用预应力混凝土管。 3 1 2 排水管线的种类、材质及规格 城市的排水系统分合流排水系统和分流排水系统，也就是人们常称的雨、污 合流系统和雨、污分流系统。 ( 1 ) 种类和材质 排水管道一般有混凝土管、钢筋混凝土及钢筋混凝土渠箱三种。混凝土管及 钢筋混凝土管又有承插式、企口式和平口式。 ( 2 ) 规格 通常，排水管管径小于5 0 0 r a m 时，采用混凝土管。当管径大于5 0 0 m m 时， 排水管的浇制一般配加钢筋制成的钢筋混凝土管。管道设计断面大于1 5 m 时，一 般现场浇制钢筋混凝土渠箱。预制钢筋混凝土管的规格如下表3 所示。 表3 排水管道规格表 t a b 3s e w a g ep i p e li n es p e c i f i c a t i o n s 通常直径 d ( m ) 2 5 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 8 0 09 0 01 0 0 02 0 0 0 軎帮月寸 l ( m m ) 2 0 0 02 0 0 02 0 0 02 0 0 02 0 0 0 2 0 0 02 0 0 02 0 0 02 0 0 02 0 0 0 t ( m m ) 3 03 54 55 06 06 5 7 08 08 51 0 5 备注无筋无筋无筋无筋有筋有筋 有筋有筋有筋有筋 注l 为管长，t 为管厚。 3 1 3 煤气管线的种类、材质及规格 北京交通大学硕士学位论文 煤气是现代城市生活和生产的重要能源。目前城市供气的种类很多，较常采 用的是重油裂解气和液化石油气。 ( 1 ) 煤气管道的种类和材质 煤气管道通常有无缝钢管、螺旋钢管、铸铁管及高密度聚氯乙烯塑料等。 一般而言，聚氯乙烯塑料管只用于小口径供气管，铸铁管只用于低压力供气 管道上。敷设在城市道路下面，多数为无缝钢管或螺旋钢管，管径小于或等于 d n l 5 0 时为无逢钢管，当管径大于或等于d n 2 0 0 时为螺旋钢管。 ( 2 ) 规格 煤气管采用钢管时，其规格如表4 所示，塑料管的规格基本与钢管配套对应。 表4 煤气管道规格表 外径( m m ) 6 3 05 2 94 2 63 2 52 7 32 1 9 1 5 9 壁厚( m m ) 877 6665 外径( m m ) 1 3 31 0 88 97 65 74 53 2 壁厚( m m ) 554 543 53 53 5 3 1 4 电信管线的种类、材质和规格 城市电信电缆通常有市话、长话、广播、有线电视，另外部队、铁路、民航、 港口码头等也有专用电信电缆，组成了城市的通信网络，为人们日常生活、工作 提供所需的信息。 ( 1 ) 电信管线的种类和材质 城市电信电缆的敷设有直埋和敷设在电信管道内，电信管道的种类有混凝土 预制管块、硬聚氯乙烯管、铸铁管、钢管等五种。早期敷设的电信管多采用混凝 土预制管块和石棉水泥预制管块。目前多采用硬聚氯乙烯管，个别地段( 如过桥、 穿越铁路、渠箱或障碍物时) 使用铁管，引上管( 如上杆、出入接线箱等) 采用铸铁 管。 ( 2 ) 规格 混凝土预制管块、石棉水泥预制管块一般有：单孔管块、2 孔管块、3 孔管块、 4 孔管块和6 孔管块，埋设6 孔以上管道者，一般采用上述管块组合。管块的规格 如表5 所示。 1 6 地下管线的分类和控制标准 表5 管块规格 t a b 5p i p e l i n e b l o c ks p e c i f i c a t i o n s 各部分尺寸( m ) 宽高长度管径管孔间距 单管孔 1 4 0 1 4 06 0 09 02 5 2 管孔 2 5 01 4 06 0 09 02 5 3 管孔 3 6 01 4 06 0 09 02 5 4 管孔 2 5 02 5 06 0 09 02 5 6 管孔 3 6 02 5 06 0 0 9 0 2 5 2 5 钢管、硬聚氯乙烯管规格如表6 所示。 表6 钢管、硬聚氯乙烯管规格 t a b 6s t e e lt u b ea n dp v cp i p e l i n es p e c i f i c a t i o n s 钢管硬硬聚氯乙烯管 内径( m m )壁厚( m )内径( m ) 壁厚( m ) 9 049 0 5 5 045 05 3 1 5电力电缆管线的种类、材质和规格 敷设在城市地下的电力电缆有交流电缆和直流电缆两大类，电气化铁路、无 轨电车及有轨电车为直流电缆，其它部门如城市供电部门、工厂、企业、部队、 铁路、民航、港口码头等专业部门敷设的电力电缆均为交流电缆。目前，电力电 缆的埋设有直埋和敷设在管道内两种，电力电缆的电压通常有以下几种：2 2 0 v ， 3 8 0 v 、1 0 0 0 v 、6 0 0 0 v 、1 0 k v 、2 2 0 k v 。 ( 1 ) 电力管线的种类、材质 电力电缆的埋设，出直埋外，均敷设在电力专用管道内，目前常用的电缆管 道有：预制钢筋混凝土槽盒、电缆沟、塑料管和电缆隧道。 ( 2 ) 电力管线的规格 电缆槽盒的规格通常有如下三种： 四线盒：8 0 0 m m x 4 0 0 m m 1 7 北京交通大学硕士学位论文 三线盒：6 0 0 m m 4 0 0 m m 或4 0 0 m m x 4 0 0 m m 二线盒：4 0 0 m m x 4 0 0 m m 电缆沟的规格视敷设电缆数量和地形条件、路面宽度的实际情况而定，通常 的规格如下： 宽1 2 4 0 1 6 6 0 m m ，净空1 4 0 0 m m ，深度1 2 0 0 1 6 0 0 m m 。 3 1 6 工业管线的种类、材质和规格 工业管线的种类有：热力管道( 包括热水热力管道、蒸汽热力管道) 、工厂、 企业专用工业管道( 如排泥、排灰、排渣管道) 、石油化工专用管道等 工业管道的材质一般采用预制钢筋混凝土管、钢管、铸铁管和塑料管等。管材 和规格的采用，与工业管道的用途、管道的设计流量及将来的发展有关。 3 2 地下管线的接口形式 管道接口按形式不同分为：平口、企口、和承插口。按接口性能分为：刚性 接1 = 1 和柔性接口。按管道使用要求分为：密闭性接口和非密闭性接口。表7 为不 同管材的接口形式。 表7 不同管材的接口形式 t a b 7j o i mf o r m so f d i f f e r e n tp i p e l i n e s 管节种类接口形式接口性能管道用途 钢筋混凝土管( 平口) 平口对接柔性排水管及套管 钢筋混凝土管( 企1 2 1 ) 企口对接柔性排水管及套管 钢管焊接口刚性给水管 铸铁管承插口刚性给水或煤气管 石棉水泥管 外套环对接 刚性 给水或供气管 钢筋混凝土平接口是钢筋混凝土管最常用的接口形式。接口形式有：( 1 ) 油毡 接口( 2 ) 麻辫一石棉水泥借口( 3 ) 钢套环接口( 4 ) 麻稚沥青接口( 5 ) 粘接口五种形式。 钢筋混凝土企口管用于顶管工程中，采用的接口形式有；( 1 ) 麻辫一沥青冷油 膏接口( 2 ) 麻油一水泥砂浆接口两种。 钢管焊接接口形式有( 1 ) i 型焊缝( 2 ) v 型焊缝( 3 ) x 型焊缝三种 铸铁管接口形式有：( 1 ) 石棉水泥刚性极口( 2 ) 滑入梯唇形、t 形接口及柔性机 械式橡胶圈密封的接口。其中离心球墨铸铁管采用柔性接口，按接口形式分为： 1 8 地下管线的分类和控制标准 ( 1 ) 机械式( 2 ) 滑入式两种。机械式接口形式又氛围n 1 型、x 型和s 型三种，滑 入式为t 型。 本文重点从管线接头性能出发，根据接头不同，将管线分为刚性接头管线和 柔性接头管线。 3 3 地下管线分布规律和埋深 3 3 1 地下管线的一般分布规律和埋深 1 管线的一般分布规律” 城市道路的人行道、非机动车道，以及机动车道的两侧，一般均有管线分布。 分布规律大体是：( 1 ) 自来水管、动力电缆分布在东西走向道路的南侧，南北走向 道路的东侧：( 2 ) 通讯电缆、煤气管道分布在东西走向道路的北侧，南北走向道路 的西侧；( 3 ) 下水道则在道路两侧和中心均有分布：( 4 ) 绿化带一般没有管线分布， 是工程勘察和施工中比较“安全”的地带。 2 管线的一般埋深 自来水管、煤气管道等管线的埋深一般为l 1 5 m 。下水道的埋深较浅，顶板 距地面不足l m 。高压电缆往往敷设在比较坚固的水泥槽中，地面上覆盖着厚实的 水泥板，也有明显的标志。电灯线、电车线的埋深一般在l m 以内。通讯电缆的埋 深一般在1 5 2 m ，敷设在水泥管槽或p v c 管槽中。很容易在工程勘察和施工中意 外损坏。 3 3 2 地下管线的非正常分布和埋深 随着城市的不断扩大，以及老城区的大规模改造。有些地下管线( 尤其是旧管 线) 的走向和埋深均超出常规。主要表现在以下区域。 1 市郊和新城区 在市郊和新城区，原有的道路经过多次改造。位置有了较大的变化道路扩 宽、取直，有些大幅度填高。而原有的管线( 如自来水管) 并未随道路改造而重新 敷设。例如在广( 州) 深( 堋) 公路，7 0 年代初敷设的自来水管。当时的埋深在道 路旁农田下l 1 5