（岩土工程专业论文）北京地铁盾构施工沿线地下管线道变形损伤特征与安全控制.pdf

摘要 摘要 随着我国城市化进程的不断加快，地铁建设越来越受到人们的重视。盾构法 以其诸多优势成为城市地铁隧道采用较多的施工方法。但工程实践表明，尽管盾 构施工技术发展比较成熟，盾构施工仍不可避免地会对岩土体产生扰动，引起隧 道周围地层沉降变形，进而传递到邻近管线，使邻近管线受到损害。在盾构施工 引起邻近管线降变形方面，国内外已取的了大量的理论成果和实践经验。但是近 年来盾构施工诱发的地下管道灾害现象仍屡见不鲜。因此，探索盾构施工对邻近 管线的影响因素与规律，减少盾构旄工引起的地层沉降，确定防止灾害发生的技 术措施，最大限度的降低盾构施工对邻近管线的影响，成为一个重要的研究课题。 本文首先从理论方面分析了隧道施工对管线的影响因素，总结出了一些规律 和特征。然后以北京地区典型盾构区间为例，采用f l a c 工程分析软件对盾构 施工引起邻近管线沉降变形规律与特征进行了数值模拟。最后对国内行业标准、 地方标准和国外标准现行的管线安全标准进行分析评价，提出了针对北京地区管 线安全使用的技术标准，以及盾构施工对邻管线保护的一些控制措施，并对主要 措施进行数值模拟分析。主要结论有： 1 、单线地铁隧道盾构施工引起的管道底板横向沉降曲线类似正态分布曲线。 2 、在垂直模型计算中，当隧道埋深一定时，地铁隧道盾构施工对管道的影 响范围与管道的埋深有关系。管道埋深越浅，影响范围就越小：管道埋深越深， 影响范围就越大。 3 、从沉降曲线上拐点位置显示，管道与地铁隧道垂直时，地铁隧道对管道 的影响范围为隧道轴线中心左右各约2 5 米。 4 、数值模拟主应力等势线图中显示，管道底部应力值为正，管道顶部为负 值，说明管道底部拉张，管道顶部受压。但管道正中两侧也存在大量的拉张区域。 符合隧道开挖对管道的影响规律。 5 、在平行模型计算中，管道底板位移基本上呈整体下沉的趋势。当隧道位 置一定时，管道距隧道越近，管道位移值越大；管道与隧道距离逐渐增大时，管 道位移值逐渐变小。当间距达到2 4 米时候，管道地板位移值基本上趋于零。因 此，在北京地区类似本文地质条件和施工条件，当管道轴线与隧道轴线距离超过 2 4 米，可以不考虑隧道施工对管道的影响。 6 、本文提出了管线弯曲度的概念，用于表针受隧道顶部弯曲程度较大部位 管道( 管道轴线垂直与隧道轴线) 安全的判断。 7 、地层注浆和地下连续墙能有效的控制地下管道的变形，加固效果与加固 范围有关系。 关键词：地铁隧道盾构施工数值模拟地下管线控制措施 一i 一 北京工业大学工学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fu n b a n i z a t i o n ，t h ec o n s t r u c t i o no fs u b w a yi sm o r ea n d m o r er e g a r d e db yp e o p l e s h i e l dm e t h o di sw i d e l yu s e di nc o n s t r u c t i o no fs u b w a y b e c a u s eo fi t sm e r i t s a l t h o u g hs h i e l dm e t h o db e c o m e sm o r ea n dm o r em a t u r e ， e n g i n e e r i n gp r a c t i c e si n d i c a t et h a tt h ed e s t a b i l i z a t i o no fs u r r o u n d i n gs o i lc a u s e db y s h i e l dc o n s t r u c t i o nc a nn o tb ea v o i d e da n dm a yl e a dt og r o u n ds e t t l e m e n t t h e s e t t l e m e n tc a ns p r e a dt ot h en e i g h b o r i n gp i p e l i n e s ，t h e nt h es a f e t yo fp i p e l i n e si s e f f e c t e d m a n yt h e o r e t i c a l h a r v e s t sa n dc o n s t r u c t i o ne x p e r i e n c e so np i p e l i n e s d e f o r m a t i o nc a u s e db ys h i e l dc o n s t r u c t i o na r ep r e s e n t e d b u tt h ed i s a s t e r sc a u s e db y s h i e l dc o n s t r u c t i o na r eo f t e rr e p o r t e di nr e c e n ty e a r s t h u s ，r e s e a r c hs u b j e c to n r e d u c i n gt h ee f f e c to f s h i e l dc o n s t r u c t i o nf u r t h e s ti sv e r yi m p o r t a n t ，i n d u c ee x p l o r i n g t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dr u l e so fa d ja c e n tp i p e l i n e s ，r e d u c i n gt h es e t t l e m e n to f p i p e l i n e sa n dp u t t i n gf o r w a r dt h eh a z a r dr e s i s t a n tm e a s u r e s t h ep a p e ra n a l y s e st h ei n f l u e n c eb e t w e e ns h i e l dc o n s t r u c t i o na n dt h ea d j a c e n t p i p e l i n e s ，g e t ss o m ep r o m i n e n tr e g u l a r i t ya n dc h a r a c t e r i s t i c sf i r s t l y t h e nb a s e do nt h e d e t a i l ds t u d yo fg e o l o g i c a lc o n d i t i o na n dd e s i g np a r a m e t e r s ，t a k e sat y p i c a ls h i e l d s e c t i o no fl i n en o 1 0o fb e i j i n gs u b w a yf o re x a m p l e ，f l a c us o f t w a r ei su s e dt o s i m u l a t et h es e t t l e m e n ta n dd e f o r m a t i o no fa d j a c e n tp i p e l i n e sc a u s e db ys h i e l d c o n s t r u c t i o n a tl a s t ，g e n e r a l i z e da n a l y s i sd o m e s t i cs t a n d a r d 、p r o v i n c i a ls t a n d a r d 、p r o f e s s i o n s t a n d a r da n do v e r s e a ss t a n d a r da b o u tp i p e l i n es t a n d a r do fs e c u r i t y p r o p o s e di nv i e wo fb e i j i n g a r e ap i p e l i n es a f e t yh a n d l i n gs t a n d a r da n dm e a s u r e su s e dt op r o t e c tt h ea d ja c e n tp i p e l i n e s a r ep u tf o r w a r d ；m a i nm e a s u r e sa r ea n a l y z e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d t h e m a i nc o n c l u s i o na sf c l l l o w s ： 1 、t h es i n g l et r a c ks h i e l dc o n s t r u c t i o nc a u s e sc r o s s w i s ep i p e l i n el e d g e rw a l l s e t t l i n gc u r v es i m i l a rn o r m a ld i s t r i b u t i o nc u r v e 2 、i i l 也ev e r t i c a lm o d e l ，w h e nac e r t a i nd e p t ho ft h et u n n e l ，t h es u b w a ys h i e l d t u n n e lc o n s t r u c t i o no nt h ei m p a c to fp i p e l i n ea n dp i p e l i n er e l a t e dt ot h ed e p t h t h e m o r es h a l l o wd e p t hp i p e l i n e ，t h es m a l l e rt h ea f f e c t e da r e a ；p i p e l i n ed e e p e rd e p t h ，t h e g r e a t e rs p h e r eo fi n f l u e n c e 3 、t h ei n f l e c t i o np o i n tp o s i t i o nm a yk n o wf r o mt h es e a l i n gc u r v e ，w h e np i p e l i n e a n ds u b w a yt u n n e lv e r t i c a l ，s u b w a yt u n n e lt op i p e l i n ea r e ao fi n f l u e n c ef o rts u b w a y t u n n e la x i sc e n t e re a c ha p p r o x i m a t e l y2 5m e t e r s 4 、n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fm j l l i n l u mp r i n c i p a ls t r e s se q u i p o t e n t i a ll i n em a p s h o w st h a tp i p ea tt h eb o t t o mo ft h es t r e s sv a l u eo fp o s i t i v ea n dn e g a t i v ea tt h et o p p i p eo nt h eb o t t o mo fe x t e n s i o np i p e s ，p i p ep r e s s u r ea tt h et o p m e d i a no nb o t hs i d e s o ft h et u n n e lt h e r ea r ea l s oal a r g en u m b e ro fr e g i o n a le x t e n s i o n t u n n e le x c a v a t i o no f i i a b s t r a c t 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼皇曼皇! n _ ni i 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍量曼曼曼曼曼曼 p i p e l i n e si nl i n ew i t ht h ei m p a c to f t h el a w 5 、i nt h ep a r a l l e lm o d e lc o m p u t a t i o n ，t h ep i p e l i n el e d g e rw a l ld i s p l a c e m e n t b a s i c a l l yp r e s e n t st h ew h o l es u b m e r s i o nt h et e n d e n c y , m o r e o v e rb o t hs p o o lt h r e a d s p a c i n gi ss m a l l e r , i t sd i s p l a c e m e n tv a l u ei sb i g g e r b e t w e e nw h e nb o t hs p o o lt h r e a d s c o n t o u ri n t e r v a li n c r e a s e sg r a d u a l l y , t h ed i s p l a c e m e n tv a l u ec h a n g e sg r a d u a l l yi s s m a l l ，w h e nt h es p a c i n ga m o u n t st ow h e n2 4m e t e r s ，p i p e l i n e sd i s p l a c e m e n tv a l u e b a s i c a l l yt e n d i n gt oz e r o t h e r e f o r e ，i nb e ri n ga r e as i m i l a rt h i sa r t i c l eg e o l o g i c a l c o n d i t i o na n de x e c u t i o nc o n d i t i o n s ，w h e nt h ep i p e l i n es p o o lt h r e a da n dt h et u n n e la x i s d i s t a n c es u r p a s s e s2 4m e t e r s ，m a yn o tc o n s i d e rt h ets u b w a yt t m n e lt ot h ep i p e l i n et h e i n f l u e n c e 6 、i nt h i sp a p e r , t h ec o n c e p to fp i p e l i n ec u r v a t u r ef o rh a n d sb yb e n d i n gt h et o po f t h et u n n e lp a r to ft h el e v e lo fl a r g e rp i p e ( p i p ew i t ht h et u n n e la x i so ft h ev e r t i c a la x i s ) t od e t e r m i n es a f e t y 7 、t h em e a s u r e su s e dt oc o n t r o lt h es e t t l e m e n to fp i p e l i n e sa n dd e f o r m m i o no f p i p e l i n e sa r ee f f e c t i v e ，e s p e c i a l l yt h ei s o l a t i o nm e t h o da n ds t r a t u mg r o u t i n gm e t h o d k e yw o r d s ： s u b w a y t u n n e l ；s h i e l d s i m u l a t i o n ；p i p e l i n e s ；c o n t r o lt e c h n i q u e i i i c o n s t r u c t i o n ；n u m e r i c a l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j e 立工些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 戤丧序利吼 关于论文使用授权的说明 么1 本人完全了解j 曼塞王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 躲却刊新签名 日期：埘歹、乃 第1 章绪论 1 1 研究背景和研究意义 第1 章绪论 随着全世界人口的爆炸式增长，城市化的推进，耕地的不断减少，人类的活动 空间越来越狭窄。要达到既控制城市增长，又增加城市的容量和人类的活动空间， 既缓解交通堵塞，同时达到不占或少占土地的目的，开发地下空间将成为必然的 选择u 。 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 阻1 。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、交通秩序混乱、耗能多、污染严重。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。目前交通阻塞已成为北京， 上海等大城市普遍的突出问题。 出路在哪里? 综观当今世界，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 越来越多的重视曙3 。 在国外，城市地下空间的利用已经十分发达，瑞典、挪威、芬兰、俄罗斯、英 国、法国、美国和日本等国家的城市建设充分利用地下空间以改善城市环境、提 高城市土地利用率、提高城市运转效率和应急能力，取得了很好的效果口1 为了保持城市的功能、减少地面交通流量，人们开始发展高效率的地下有轨 公共交通。城市地铁具有安全可靠、准时方便、占地较少、不破坏地面景观等特 点，并能快速输送大量人流，极大地缓解城市交通拥挤问题。在国外伦敦、纽约、 东京、巴黎、莫斯科等城市都已经形成了四通八达的地铁线网。我国在1 9 6 5 年 开始在北京修建地铁以来，至今已有北京、上海、天津、广州、深圳等城市多条 地铁线路投入运营，这些城市以及沈阳、大连、青岛、西安、成都、重庆、武汉、 南京、杭州等城市正在积极兴建或者开展修建地铁的筹备工作。更多的城市将要 修建地铁，国家已经批准和正在筹建的城市有2 0 多座，我国已经进入了大规模 建设地铁的时代向地下要土地、要空间已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曙，。 修建地铁等城市地下工程，有盾构法、暗挖法、明挖法，而盾构法却以其诸 多优势成为城市地铁隧道采用较多的施工方法。盾构隧道虽然造价高，但具有极 北京工业大学工学硕士学位论文 大的优越性： ( 1 ) 可在盾构支护下安全的开挖、安装衬砌，不受地面交通、河道、航运、 潮汐、季节、气候等的影响，能较经济合理地保证隧道安全施工： ( 2 ) 盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实行自动化、智能化和施工远程控制 信息化，掘进速度快，施工劳动强度较低： ( 3 ) 施工中没有噪声和振动，对周围环境干扰小： ( 4 ) 在松软地层中修建7 5 0 m 以上长距离、大直径隧道，具有经济、技术、安 全等方面的优越性h 吲但大量工程实践表明，尽管盾构等施工技术发展得较为成 熟，由于城市地铁施工是在岩土体内部进行的，大部分隧道都是浅埋隧道，城市 地铁的开挖都不可避免对周围岩土体有一定的扰动，破坏岩土体原有的平衡状 态，进而向新的平衡状态转化。隧道在开挖过程中由于地层物质被挖出，自洞室 临空面向地层深处一定范围内地层应力将发生调整，宏观表现为地层移动与变形 阳1 并且地铁一般都穿过人口密集、地下管网密布的繁华城市中心地段，表卜l 列举了北京地铁五号线崇文门车站上部地下管线情况。 表1 - 1 崇文门车站上部地下管线一览表7 l 位置编号管线规格以及名称数量管线与线路走向 1矽4 0 0 煤气管 2 垂宣 车站 2 2 0 0 x 2 0 0 热力沟 2 垂直 主体结构 3d n l 0 0 0 、4 0 0 上水管 4 垂直( 2 ) 平行( 2 ) 5 7 4 x 5 2 电信管线 2 平行( 1 ) 斜交( 1 ) 1矽4 0 0 煤气管1垂直 东南 2 2 2 0 0 x 2 0 0 0 电力沟 2垂直、平行 出入口 3 d n l 0 0 0 上水管 1垂直 1矽1 7 5 0 雨水管1垂直 东北 2 7 4 x 5 2 电信管线 1垂直 出入口 3 d n 4 0 0 上水管 1垂直 4矽1 0 0 0 污水管1平行 12 2 0 0 x 2 0 0 0 电力沟l垂直 西南 2 1 0 6 x 7 4 热力管线 l垂直 出入口 3矽8 0 0 上水管1垂直 西北 17 9 x 3 6 电信管线2垂直 出入口2 1 2 5 0 、1 0 0 0 雨水管 2 垂直 1 矽1 0 0 0 污水管 2 垂直、斜交 西北风井 2 2 2 0 0 x 2 0 0 0 电力沟 1垂直 及风道 3 7 9 x 3 6 热力管线 2 斜交 从上表中我们可以想象到，在如此管线密集的区域施工，稍有不甚就会出现 诸如管线破坏等诸多灾害问题，由于地铁隧道开挖而产生的人为灾害屡见不鲜， 一2 一 第1 章绪论 如2 0 0 3 年7 月上海轨道4 号线在越江隧道施工作业面内，因大量的水和流沙涌 入，引起隧道部分结构损坏，诱发周边地区地面沉降，导致3 栋高层建筑物严重 倾斜，黄浦江防汛墙局部坍塌并出现管涌，造成巨大经济损失和不良社会影响； 如2 0 0 5 年1 1 月，北京市中轴路熊猫环岛地铁隧道施工采用明挖法施工，基坑周 边的基坑突然出现了坍塌，原因是地铁施工诱发周边地层变形，从而引起地下管 道破裂出现涌水所致，造成交通堵塞和不良社会影响；2 0 0 6 年1 月，北京市东三 环京广桥附近，地铁暗挖施工引起地下污水管道破裂漏水，从而导致路面塌陷， 造成严重交通堵塞一个多月，经济损失和不良社会影响均很大。 2 l 世纪将是中国城市轨道交通的新纪元，地铁交通的建设必将促进城市的发 展，因此研究与地铁建设相关技术不仅仅是技术课题，而且也是经济课题。 无论在哪种地层条件中进行隧道开挖，无论采用何种开挖方法，都会在土体 中产生附加应力，引起地表变形、邻近结构物、地下管线以及地铁结构本身的危 害。以北京地铁4 号线和1 0 号线为例，在施工工程中都曾导致地面塌陷，引起 地下管道破裂和房屋开裂。 因此，要求尽可能准确地计算盾构施工引起的对地下管线等设施的影响，以 求在设计和施工中能采取有效的措施，确保施工地区地下管线等重要设施的安 全，为解决盾构施工引起的环境效应问题提供一条更有效的途径。查阅现有的国 内外文献，可以看出这些虽是比较热门的研究领域，但有价值的研究成果却不多， 而对盾构施工引起的一系列的环境效应问题进行比较系统的研究分析就更少了， 至今也没有形成一套完整的安全性评价体系。 由于目前盾构隧道规范针对盾构施工引起的环境效应和防治措施的内容还 十分欠缺，各地在遇到此类问题时往往无规范和标准可依，只能依靠工程人员的 经验。比如，上海市政部门对煤气管线的允许水平位移规定为：1 0 1 5 m m 。广 州地区建筑基坑支护技术规程g j b 0 2 - 9 8 限定采用承插式接头的铸铁水管、钢筋 混凝土水管两个接头之间的局部倾斜值不应大于0 0 0 2 5 ：采用焊接接头的水管的 两个接头之间的局部倾斜值不应大于0 0 0 6 ；采用焊接接头的煤气管两个接头之 间的局部倾斜值不应大于0 0 0 2 。 而现有的设计方法通常是保守的，导致很大的浪费。因此，怎样做到即能保 证施工进度，又能把对地下管线的影响控制在我们设计标准之内，就成为了人们 所关心的问题许多国内外学者都对隧道开挖引发地表沉降规律作了大量的研 究，也得出了许多很有重大意义的结论，在他( 她) 们的基础上，进一步研究地铁 开挖对管线的影响，以及一些加固机理和预防措施也将成为我们研究的重点。希 望能在本项目研究成果的基础上，进一步弄清盾构隧道施工对地下管线的影响机 理，找到合适的计算分析方法，并初步建立安全评价标准，为今后的设计和施工 提供参考意见，以便更好地控制盾构施工对周围环境产生的各种事故。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 2 1 世纪遇到的挑战之一是如何运营一维护经年使用的地下结构和设施 ( a g i n gi n f r a s t r u c t u r e ) ，包括管线。这些结构经常受到“第三者的作用( t h i r d p a r t ya c t i v i t y ) ”。城市隧道往往处于城市管线密集区，地下管线作为城市的 生命线，在施工过程中必须保证的万无一失。研究表明，影响的结果与地面沉降 形态( t h eg r e e nf i e l dd i s p l a c e m e n tp r o f i l e ) 、管线与土体的刚度参数密切 相关。国内外许多学者从管线的初始应力，管线破坏模式等方面进行了大量的研 究，研究成果显著。 1 2 1 地下管线( 道) 的种类 地下管线的种类繁多，结构复杂。按其功能主要可分为：排水管道、给水管 道、燃气管道、热力管道、工业管道、电力电缆和通讯电缆等七大类，每类管线 按其传输的物质和用途又可分为若干种。 地下管线 图i - i 地下管线的分类嘲 排水管道 排水管道按排水的性质分为雨水管道、生活污水管道、两污合流管道、工业 废水管道等，主要用于接受、输送和净化城市、工厂以及生活区的各种污水，包 括工业废水、生活污水、雨水。排水管道系统按排出的方式分为合流式、分流式 和组合式三种。合流式将生产废水、生活污水和雨水经由一条共同的管道排出； 分流式是每一种污水经由独立的管道排出；组合式是将需处理的生产废水和生活 污水经由一条管道排出，将不需要处理的生产废水和雨水经由另一条管道排出。 一般排水管道按管材分为钢筋混凝土管、混凝土管、铸铁管、石棉水泥管、 陶土管、陶瓷管、砖石沟等。排水管道除了预制的圆管外，还有现场砌筑的非圆 第1 章绪论 形沟道，如方沟、拱形沟、马蹄形沟、卵形沟等。 我国的排水管道主要是钢筋混凝土管，其公称内径是统一的，但壁厚有差异。 内径一般为2 0 0 一- - 2 0 0 0 m m ，其中内径8 0 0 m m 的排水管道占总长的8 0 ，内径在 8 0 0 2 0 0 0 m m 的占1 5 。钢筋混凝土管主要有：预应力钢筋混凝土管、钢套筒预 应力混凝土管和自应力钢筋混凝土管等多种品种。给水用混凝土管一般管径较 大。现行国家混凝土管标准见表1 - 2 。 表l _ 2 现行国家混凝土管标准 名称编号 预应力混凝土输水管( 振动挤压工艺) g b5 6 9 5 8 5 预应力混凝土输水管( 管芯绕丝工艺) g b5 6 9 5 - 8 5 承插式自应力钢筋混凝土输水管 g b4 0 8 3 - 8 3 钢筋混凝土管的接口形式主要有水泥砂浆抹带接口、钢丝网水泥砂浆抹带接 口、石棉沥青卷材接口以及橡胶圈接口等。 图卜2 水泥砂浆抹带接口嘲 水泥砂浆抹带接口如图，在管道接口处用l ：( 2 5 , - - 3 ) 水泥砂浆抹成半椭圆 或其他形状的砂浆带，带宽1 2 0 一- , 1 5 0 m m ，属于刚性接口，一般适用于地基土质较 好的雨水管道，或用于地下水位以上的污水支线上。企口管、平口管、承插管均 可采用此种接口。 膨 图卜3 钢丝网水泥砂浆抹带接口嘲 钢丝网水泥砂浆抹带接口如图，属刚性接口。将抹带范围的管外壁凿毛，抹 1 ：2 5 水泥砂浆一层厚1 5 m m ，中间采用2 0 号1 0 m m * 1 0 m m 钢筋网一层，两端插入 中中 北京工业大学工学硕士学位论文 基础混凝土中，上面再抹砂浆一层厚1 0 m m 。适用于地基土较好的具有带行基础的 雨水、污水管道上。 i l 。 l 1 0 h 帮怼 i 图卜4 石棉沥青卷材接口嵋 石棉沥青卷材接口如图，属于柔性接口。石棉沥青卷材为工厂加工，沥青砂 重量配比为沥青：石棉：细砂：= 7 5 ：1 ：1 5 。先将接口处管壁刷净烤干，涂上 冷底油一层，在刷沥青马蹄脂厚3 m m ，在包上石棉沥青卷材，再涂3 m m 厚的沥青 砂，这叫“三层做法”。若再加卷材和沥青砂各一层，就叫“五层做法 。一般适 用于地基沿管道轴向沉降不均匀地区。 给水管道 给水管道按水的用途分为生活用水、消防用水、工业用水、农业用水等输水 和配水管道。由给水管道组成的给水系统一般由水源地( 江河、湖泊、水库、水 井) 取水，通过主干管道( 明渠、隧道、大口径管道) 送到水厂，经过净化处理 后，再由主管道送到各用水区( 住宅区、工厂、企事业单位等) 。各用水区根据 各自的需要和条件，敷设本区域的给水管道。 在我国，使用最广泛的给水管道为铸铁管和钢管( 直径在1 5 0 r a m 以下的管道 中广泛应用) ，其次为预应力混凝土管、石棉水泥管、聚乙烯( p e ) 塑料管等。 分类见表1 - 3 。 表1 - 3 给水管道分类 功能分类输水方式用途管材管径咖 输水管 压力、重力钢管、混 给 输水 从水源地输送原水到水 8 0 0 凝土管 水从水处理厂经城市管网直接向 配水管压力输水铸铁管、钢管7 5 6 0 0 用户配水 雨水管 城市街区雨水汇集排泄 铸铁管、钢管7 5 6 0 0 排般重力 水污水管输水 工业废水与生活污水汇集混凝土管、混凝2 0 0 输往污水处理厂土结构暗渠2 0 0 0 铸铁管接口主要有承插口和法兰口两种。 一6 一 第1 章绪论 2 l | 商 图卜5 承插式铸铁管道接口连接形式哺 卜承口；2 一插口；3 一铅或膨胀水泥砂浆； 4 一胶圈或油麻：5 一水泥；6 一浸油麻丝 承插式铸铁管道接口属刚性接口。 为了增强铸铁管道的抗震性，普遍采用柔性接口。柔性接口有时候也称为t 形接口。柔性接口是在承插管壁之间填上圆形、楔形或梯唇形胶圈。柔性接口主 要有：滑入式接口、机械式( 压兰式) 接口、和法兰接口。 表面穗以剃滑剂 图卜6 滑入式柔性接口示意图嗍 志环 图卜7n 型机械接口铸铁管接口示意图 1 承口；2 插口；3 塑料支撑圈；4 密封胶圈；5 压栏；6 罗姆；7 螺栓 球墨铸铁管( 简称球铁管) 均采用柔性接口。近年来滑入式柔性接口球墨铸 铁管。在国内外输水工程上广泛采用，其接口为滑入式t 形接口，操作简方便、 快速，工具配套，适用于d n 8 0 2 0 0 0 m m 的输配水管道。 n 型接口，管道的一端为带有法兰盘的承口，另一端为插口，在承插口的环 形间隙中填入塑料支撑圈与一密封胶圈，用螺栓将压兰与承口法兰连接紧固，压 紧胶圈而使接口严密。法兰接口所用的环形橡胶圈，应质地均匀，厚薄一致，无 皱纹，采用非整体垫片时，应粘结良好，拼缝平整，其规格见表卜4 。 图1 _ 4 法兰接口所用的环形橡胶圈垫圈的规格嘲 橡胶垫圈 规格允许偏差 厚度6 0 0 r a m 为3 4 衄，7 0 0 r a m 为5 6 m m 内径 等于法兰内径 1 5 0 r a m 为3 m m ，2 0 0 衄为5 衄 外径与法兰密封面外缘相齐不超过螺栓孔 法兰的试验压力应大于管道的水压试验压力。法兰面应平整，无裂纹，密封 。闩 北京工业大学工学硕十学位论文 面上不得有斑疤、砂眼及辐射状沟纹。螺眼位置应准确，相对两法兰螺栓孔必须 相对称，见图，法兰面密封面应与管径轴线垂直，允许偏差d n 弋 3 0 0 m m 时为2 m m 。 ( a ) 法兰面平面检查 国 2 ( b ) 上螺栓图 ( c ) 法兰拧紧螺栓顺序图 图1 - 8 法兰接口哺1 卜螺母；2 一法兰；3 一橡胶圈 法兰加工后的厚度偏差不大于1 5 m m ，安装螺母部位应平整。螺栓螺母应丝 号一致，丝扣不乱，螺栓长度合适。调整相对法兰，使之平行，对正，并与轴线 垂直，其偏差c c l 不大于法兰外径的1 5 1 0 0 0 ，且不大于2 m m 。 燃气管道 燃气管道按其所传输的燃气性质分为煤气、天然气、液化石油气配输管道。 燃气是现代城市生活的主要能源。燃气能源的种类有焦炉煤气、直立式炭化炉煤 气、重油裂解气、天然气、液化石油气等。 燃气管道的材质多为钢管( 主要是无缝钢管和焊接钢管) 、其次是承插口的 铸铁管( 用于低压煤气) 和聚氯乙烯( p v c ) 塑料管( 在一定的温度和压力下适 用) 。燃气管道的直径一般在1 5 - - - 1 5 0 0 m m 之间，主要分类见表i - 5 。 表1 - 5 燃气管道分类 燃气性质分类压力，k p a压力级别 5 低压 煤气、液化气、天然气5 - 4 0 0中压 4 0 0 - 1 6 0 0高压 热力管道 热力管道按其所输送的介质分为热水管道和蒸汽管道两种。一般采用无缝钢 管各钢板卷焊管作为热力管道。主要分类见表1 - 6 。 表1 - 6 热力管道分类 热能分类压力，k p a温度，。c热 源 蒸汽过热管道 1 0 0 - - - 1 4 0 0 1 0 0 0 0高压 1 2 2 管线的初始应力与位移 埋地管线在受到开挖引起地层运动扰动前的应力称为初始应力旧1 。正常情况下埋 入地下的管线所受的主要负荷为内压力( 工作压力、实验压力) 和外压力( 垂直土荷载、 水平土荷载和地面活荷载) 。 t a m 与0 7 r o u r k e n 们分析了作用在铸铁管上的内部压力、温度应力、重复荷载和 安装应力，认为作用在管线上的初始应力值大致为当管线纵向弯曲应变达到0 0 2 北京工业大学工学硕士学位论文 0 0 4 时对应的应力值。 王绍周等n 对各类压力管进行了支座荷载、轴向应力等方面的研究工作，提出了 初始应力计算的理论方法及相应计算公式。 m o s e r n 2 1 进行了螺旋肋钢管和低劲性加肋钢管的试验，结果显示这些管线的性能 很大程度上受土壤密度的影响。 k l a r 等人( 2 0 0 5 ) 针对a t t e w e l l 等人建议的w i n k l e r 模型给出了一个闭合形式的 解，并在w i n k l e r 模型的基础上提出了一个改进模型，使得估算的最大弯矩值很好的 吻合了用一种更加严格的连续弹性方法计算得到的数值。然而，用原始的现场实测沉 降曲线来估算管线的弯矩值，没有将管线的刚度考虑进去，这将导致估算的弯矩值过 高。 v o r s t e ：等人( 2 0 0 5 ) 提出了预估地下管线受隧道开挖影响产生的最大弯矩的方 法。这种预估方法是基于隧道和管线的几何形状、土和管线的刚度以及隧道施工在管 线位置处产生的地面沉降等因素的影响。通过等代的线性方式考虑了土体的非线性特 性，土的刚度是通过沿着管线方向发展的平均偏应变计算得到的。此法是保守的而且 会高估计算的弯矩值。此方法作为一种上限解的近似值，与离心模型试验结果进行了 比较，确定了其可行性。 国内学者对各类压力管进行了支座荷载、轴向应力等方面的研究工作，提出了初 始应力计算的理论方法及相应的计算公式n 3 1 。 美国犹他州立大学研究人员对螺旋肋钢管、低劲性加肋钢管、聚氯乙稀( p v c ) 管 进行了应力、应变及应力松弛等试验，得出相似的结论u 钔。 管线的变形与地层的变形有直接的关系。国内外许多学者进行了大量的研 究，主要有解析解法，数值模拟法。 解析法 a t t e w e l l 基于w i n k e 弹性地基模型提出隧道施工对结构与管线的影响评价 方法。根据管线位置与地层运动方向的不同，分别计算了管线垂直与平行地层运 动时管线的弯曲应力与接头转角，研究了大直径与小直径管线在地层运动下不同 的反应性状，讨论了理论分析的实际应用可行性，给出了管线设计方法，是较早 的比较系统的研究成果旧1 。 段光杰根据w i n k e 地基反作用模型，讨论了由隧道不同施工方法引起的地层 损失对周围地下管线的影响，在管线处的地层径向变形和地层轴向变形两种影响 下，分别总结了管线垂直于隧道轴线和平行于隧道轴线两种位置情况下，管线变 形、应变和转角等参数与地表最大沉降值的关系n 钔。 廖少明、刘建航也基于弹性地基梁理论提出地下管线按柔性管和刚性管分别 进行考虑的两种方法，建立地下管线的位移方程引。 高田至郎等根据弹性地基梁理论将受到地基沉降影响的四种情形下的地下 一1 0 一 第1 章绪论 管线进行模型化处理，提出了计算管线最大弯曲应力、接头转角、最大接头伸长 量的计算公式口7 1 。 高文华利用w i n k e r 弹性地基梁理论分析了基坑开挖导致的地下管线竖向位 移和水平位移，推导了相应的计算公式：讨论了引起地下管线变形的因素：基床系 数、沉陷区长度及地下管线对应的地表沉陷量，给出了不同管线变形控制标准及 安全度评价准则n 8 1 。 数值模拟方法 吴波n 训利用通过数值模拟、离心模型试验研究了浅埋暗挖隧道施工对管线的 影响。 王占生、王梦恕曙们讨论了盾构施工对周围结构物的安全影响，分析了盾构通 过结构物时的施工组织方法，论述了盾构施工影响区域的划分和对结构物影响进 行预测的手段，提出了盾构通过结构物时的施工控制参数和常见的工程处理措 施。 b r e t h & c h a m b o s s e 口u 分析了隧道框架结构和砌体结构物下掘进时引起的地面 沉降，发现实测的地面沉降槽宽度比不考虑结构物刚度时的预测结果宽得多p 地 面沉降则小得多。指出在预计隧道掘进对结构物影响时必须考虑结构物刚度的贡 献。 吴波等基于a n s y s 软件平台，将地下管线模拟成三维弹性地基梁，建立了隧 道支护结构一土体一地下管线藕合作用的三维有限元分析模型，对施工过程进行 仿真分析，并对地下管线的安全性进行了预测，给出了管线安全性评价标准啪1 。 a h m e d 利用有限元模型计算了地下管线在邻近深基坑开挖时的附加弯曲应 力，建议对铸铁管线由周近地层移动引起的弯曲应变值最大可取为0 0 5 ，对球 墨铸铁管线弯曲应变最大可取为0 1 5 乜3 1 。 李大勇等考虑了基坑围护结构、土体与地下管线的藕合作用，建立了地下管 线、土体以及基坑围护结构为一体的三维有限元模型口制，分析了地下管线的管材、 埋深、距离基坑远近、下卧层土质、管线弹性模量与周围土体弹性模量比等因素 对地下管线的影响位移：应用s i n g h a l 柔性接口中密封橡胶圈产生的拉拔力、弯 矩及扭矩，研究了基坑工程中邻近柔性接口地下管线的受力与变形，得出了管线 柔性接口的拉拔力p 。并且总结、归纳了地下管线的安全性判别方法及地下管线 的工程监测和保护措施乜5 h 剐。 1 2 3 管土相互作用 a t t e w e l l 国1 认为，隧道施工引起的土体移动对管线的影响应根据隧道轴线方 向与管线的相对位置确定。当隧道与管线垂直时，管线周围土体的纵向位移将引 起管线弯曲应力的增加及接头转角的增大：当隧道与管线平行时，土体对管线的 北京工业大学工学硕士学位论文 轴向拉压作用将引起接头脱开以及管体拉压应力的增加。管土相互作用主要表现 为管线对土体移动的抵制作用，这种抵制作用主要与管线的直径、刚度、接头类 型及所处位置有关。当管线直径较小且埋深不大的时候，管线基本上不对上覆土 体产生抵抗作用，它将沿着土体变形方向变形，国内外许多研究也表明了上述观 点的可行性。 0 r o u r k e 艄2 1 等人根据隧道开挖引起的地层移动模式，分析了柔性管的破坏 准则，提出了管一土相互作用的模型。 0 r o u r k e 和a h m e d 口3 3 等用二维及三维有限元模拟了深沟开挖对邻近铸铁管 线的影响：分析结果表明，当管线与周围土体不产生相对位移时，可以不考虑施工 对管线的影响。