（岩土工程专业论文）“pba”工法施工对临近桥桩和上覆管线的影响及其力学机理分析.pdf

a e 塞銮垣塞堂亟堂僮逾塞生塞擅噩 中文摘要 摘要：城市隧道施工不可避免会对周围土体产生扰动，进而对邻近的建筑物 ( 构筑物) 及地下管线产生影响，严重时会危及建筑物( 构筑物) 及地下管线的 安全。研究城市隧道开挖引起的地层位移及对邻近设施的影响，对于保证已有设 施的安全和正常使用具有重要意义。本文根据隧道开挖特点，运用有限差分元法 计算软件( f l a c 3 d ) 采用弹塑性方法分析研究了隧道施工引起的地层位移及其对 邻近地下管线，桥桩的影响，主要研究内容包括： 1 分析车站主体开挖过程中每一步主要工序对地表沉降，上覆管线以及开缶近 桥桩的影响，归纳出影响较大的施工工序，根据沉降要求，提出每一步具体的沉 降控制值； 2 使用经验公式法计算出管线的内力，以及邻近桥桩的侧移，并和数值模拟 结果比较，得出合理的评判标准，提出相应的风险源保护措施 3 对照监测结果，在和监测结果基本相符的情况下，改变主体的主要施工工 序，分析不同施工工序对结构的不同影响，并给出具体的差异影响结果，给实际 施工提供具体依据。 关键词：地铁工程；数值模拟；沉降控制；地层位移；地下管线；临近桥桩 分类号： j 夏至适厶堂亟堂位途塞垦至堕鲤 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t u n n e l i n gw i l li n e v i t a b l yr e s u l ti nal o s so fg r o u n dd u et os o i l d e f o r m a t i o na n dd i s p l a c e m e n ti n t ot h eo p e n i n g n et u n n e l i n g - i n d u c e ds o i lm o v e m e n t a n dd e f o r m a t i o nm a yd od a m a g et ot h ep r e - e x i s t i n gs t r u c t u r e sa n d u n d e r g r o u n du t i l i t i e s i ti sn e c e s s a r yt op r e d i c tt h eg r o u n ds u r f a c em o v e m e n t sa n dt h e i ri n f l u e n c et oa d j a c e n t u t i l i t i e s8 0t h a tp r e e a u t i o u sm 酆t w e sc 8 1 1b et a k e nf op r o t e c tt h e s en t i l i t i e sf r o m t u n n e l i n g af l a cc o m p u t a t i o n a lm o d e l i se s t a b l i s h e di n a c c o r d i n g t ot h e c h a r a c t e r i s t i c so ft u n n e l i n g , a n de l a s t i c - # a s t i em e t h o di su s e dt or e s e a r c hi n t ot h e i n f l u e n c eo f t h et u n n e l i n go ng r o u n dm o v e m e n tu n d e r g r o u n du t i l i t i e sa n dn e a r l yb r i d g e p i l e ，a n dt h em a i nc o n t e n to f t h i sp a p e ra sf o l l o w s ： 1 a n a l y s et h ei n f l u e n c eo nt h eg r o u n ds e t t l e m e n t , t h eu p s i d ep i p ea n dn e a r l y b r i d g ep i l eo fe v e r ym a i n 。e x c a v a t i o ns t e p s c o n c l u d et h em o s ti n f l u e n t i a ls t e p s ， a c c o r d i n gt ot h ei n s p e c t i n gr e q u i r e , b r i n gf o r w a r de m b o d yc o n t r o l l i n gv a l u eo fe v e r y w o r k i n gp r o c e d u r e 2 c a l c u l a t et h ei n t e r n a lf o r c eo ft h eu p s i d ep i p ea n dl a t e r a ld i 刚a c e m e n to ft h e b r i d g ep i l ew i t ht h ee x p e r i e n c ef o r m u l am e t h o d c o m p a r et ot h er e s u l to fn u m e r i c a l s i m u l a t i o na n a l y s i si no r d e rt of i n dr e a s o n a b l ej u d g i n gc r i t e r i o na n db r i n gf o r w a r ds e m e s a f e g u a r d so f c o r r e s p o n d i n gr i s kf o u n t a i n s 3 c o m p a r i n gt ot h ei n s p e c t i n gr e s u l t s ，i nt h ec a s eo fc o r r e s p o n d i n gi n s p e c t i n g r e s u l t s ，c h a n g et h em a i nw o r k i n gp r o c e d u r e so ft h em a j o rs t a t i o n a n a l y s ed i f f e r e n t i n f l u e n c e so nt h es t r u c t u r ew i t hd i f f e r e n tc o n s t r u c t i n gw o r k i n gp r o c e d u r ea n dg i v e e m b o d yd i f f e r e n tr e s u l tt oc o a c hp r a c t i s ec o n s t r u c t i o n s k e y w o r d s ：s u b w a ye n g i n e e r i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ：s u b s i d e n c ec o n t r o l ；g r o u n d m o v e m e n t ；u n d e r g r o u n dp i p e l i n e s ；n e a r l yb r i d g ep i l e c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：l 签字醐：1 年l 州7 日 名：桫 解醐叼年f 堋暇日 j 立窒通厶堂亟堂位迨塞独剑睦岜塑 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 签字嗍：叼年朗俨 致谢 本论文的工作是在我的导师贺少辉教授的悉心指导下完成的，贺少辉教授严 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 贺少辉老师对我的关心和指导。 贺少辉教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向贺少辉老师表示衷心的谢意。 惠丽萍教授级高级工程师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，苗晓娟、盛杰、沈良帅、胡显鹏等同学对我 论文中的相关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。 i e 立交遭厶堂亟堂位论塞绪j 金 1 1引言 1 绪论 自1 8 6 3 年英国伦敦建成世界上第一条地下铁道以来，世界上已有1 0 0 多个 城市拥有了自己的地铁交通。随着经济的不断发展和城市的同渐扩大化，交通堵 塞问题已成为制约城市经济进一步发展的瓶颈。城市地铁不仅具有安全可靠，准 时方便和舒适等特点而且它少占用土地，基本不破坏地面景观；将部分街面交通 转移到地下，能够快速大量输送乘客，极大地缓解城市交通拥挤问题：而且很多地 铁不仅起到交通运输的作用，在战争时期还起到了防空掩蔽的作用。诸多优势引 起了各国政府对其发展的重视，目前已经逐步成为解决城市交通拥挤问题的重要 手段。 伴随着地铁交通的不断发展，其修建技术也随之不断进步。目前地铁隧道的 修建方法主要有明挖法、盖挖法，暗挖法，盾构法等。这些方法经过长期的发展 和不断完善，目前也都己经成为了比较成熟的技术，而且各自具有不同的特点和 适用条件，但同时又都具有一定的局限性。 就我国的国情而言，目前的经济实力还比较弱，而地铁的修建成本又很高， 因此在选择施工方法的时候首先要考虑的因素就是工程造价。从这一点出发，明 挖法应是首选的施工方法，但是由于目前我国的地铁项目主要是在繁华市区修建， 明挖法对城市生活干扰太大，而且有可能因大量拆迁而提高成本，因此应用得越 来越少。盖挖法则不适用于区间隧道的修建，目前主要是应用于车站工程，而且 其同样要对城市生活产生干扰。盾构法则由于其所需设备庞大，成本很高，当隧 道不是足够长时其经济性较差，而且不能适应隧道断面变化，因此目前车站工程 和变断面隧道还无法采用盾构施工。相比之下，暗挖法则由于其不需要价格昂贵 的设备，对城市生活干扰很小，适用于各种隧道断面形式，而且与其它施工方法 具有互补性和兼容性，因此仍应作为我国地铁隧道施工的主要方法。 以北京地铁工程为背景总结形成的“隧道与地铁浅埋暗挖工法”，已被国家建 设部批准为国家级工法，并且广泛应用于铁路，公路及其他城市地下工程，该工 法正式提出的“管超前，严注浆，短进尺，强支护，早封闭，勤量测”十八字方 针，广为流传。浅埋暗挖技术沿用了新奥法的基本原理，创建了信息化量测反馈 设计和施工的新理念；采用先柔后刚复合式衬砌新型支护结构体系，初期支护按 承担全部基本荷载设计，二次模筑衬砌在地铁设计中也作为主要的承载结构；初 韭巫窑适厶堂亟堂位论奎 绪i 佥 期支护和二次衬砌共同承担特殊荷载。它强调了新的施工要点，突出时空效应对 防塌的重要作用，提出了在软弱地层必须快速旌工的施工理念。 暗挖法的最大问题在于，如果其应用于大断面松散未固结地层，安全性较差， 即容易出现塌方等问题。这是因为在洞室开挖过程中稳定与否主要取决于围岩自 身的承载能力，如果围岩不受任何支护的约束而发生自由变形，洞周围岩的应力 状态在开挖后重新调整并趋于新的稳定平衡状态，则洞室是稳定的，而如果开挖 断面较大，或围岩的工程性质较差，则洞室周围岩应力状态可能无法重新趋于平 衡，导致围岩发生过大变形乃至坍塌，使施工无法正常进行。针对暗挖法的这一 不足，目前主要从两个方面采取措施加以解决。 其一是采用分部丌挖方式，将一个大断面分割成几个小断面，分别进行开挖 和支护，即化大为小；其二是在开挖前先对地层进行预加固或预支护，以提高丌 挖后洞周围岩的自稳能力，从而保证开挖的顺利进行。根据采用不同的丌挖分部 形式，目前己比较成熟的工法主要有台阶法、c d 法、c r d 法、眼镜法等。分部开 挖带来的最直接不利后果就是中间临时支护量的显著增加，合理的分部开挖方式， 可以使临时支护数量最少，施工工序简化，工效加快，是工程界不断追求的目标。 针对分部开挖法与预支护技术的不足，地下工程界在传统施工技术的基础上 不断创新，推出了“p b a ”工法。该工法的首次出现是在北京地铁东单车站东南风 道的修建中加以应用。事实上，北京地铁“复- - a 线”上的天安门西站、王府井 站和东单站的修建方法在本质上与“p b a ”法是一致的，也应看成是“p b a ”法旌 工的例子。目前，该方法虽然已在工程中加以应用，并获得了较为理想的经济和 社会效益。 大量的地下工程建设实践表明，施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。城市地铁暗挖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，引起地表沉降和变形。对于临近的地下铁道 隧道等会造成过大变形，既有地下铁道隧道的变形，这些变形必然会对地铁结构 安全和行车安全产生不利影响。同样施工还会引起周围管线的变形，甚至会因变 形过大造成煤气泄漏，水管爆裂形成水患，电缆断裂造成停电或通讯中断等事故。 如何减少隧道施工对周围土层的扰动，最大限度地降低施工对邻近建( 构) 筑物及 地下管线的影响，以及对受影响的建筑物及地下管线采取保护措施，是人们所关 心的问题。因此，城市隧道施工引起的地层移动及对地下管线等的影响的研究具 有较大的意义，这一问题的研究涉及到： ( 1 ) 隧道周围土体受施工扰动影响的范围和受扰动影响后土体的稳定与变 形，包括地面变形和土体内部变形； 2 e 塞銮适鑫堂亟堂鱼途童 绪论 ( 2 ) 受施工扰动影响的地下管线产生的附加应力和变形，及其承受能力。有 关这类问题的理论的建立和问题的解决，这都将会为城市隧道工程周围环境保护 提供相关理论依据。 本课题将就此主要讨论研究由“p b a ”法施工开挖车站所引起周边既有结构的 变形特点等方面的问题。 1 2国内外研究现状 针对本文研究的主要内容，主要从开挖对桥桩的影响，对管线的影响这两个 方面介绍一下国内外相关领域的研究情况。 1 2 1 隧道开挖对临近桥桩的影响分析 隧道开挖所引起的地层位移，包括垂直和水平两个方向的分量。隧道水平轴 上方位移的垂直方向分量一般向下。如果桩基较靠近隧道的开挖面，那么垂直方 向的分量将会在桩基上施加不利的负摩阻力，引起桩基的沉降并降低桩基的承载 力。隧道水平轴下方的垂直方向的土体位移方向向上，会导致桩基有上抬的趋势， 而水平的土体位移分量将向着隧道的轴线，会在桩基中引起侧向的变形和弯矩， 桩基邻近隧道开挖这一基本问题的示意图如图1 所示。实际工程中单桩的情形较 少，桥梁桩基几乎都以群桩的形式出现，在桩的顶部有承台。地铁施工对邻近群 桩的影响较之对单桩的影响更加复杂。 皂? mn 土体位移、 7 麓谨、o 岛 ， 1 2 d 一卜一 图1 - 1 桩基邻近隧道开挖基本问题示意图 地铁施工对邻近桥桩影响的研究涉及到隧道工程、桩基工程、土力学等多个 领域，其复杂性决定了这方面的研究工作还相当薄弱，进展也显得异常艰难。目 前的研究大体采取以下三种途径：一是理论分析研究( 主要指数值试验研究) ，二 3 j b 塞窑遵叁堂亟堂位i 金塞绪途 是试验研究( 主要指离心机试验研究) ，三是现场原位测试研究。 ( 1 ) 理论分析研究 要严格地分析隧道开挖与邻近结构之问的相互作用是一项很困难的工作，这 是因为：在软土地层中，隧道开挖与邻近结构问存在较强的相互作用影响；问 题本身的三维特性；所涉及的岩土材料的非线性特性。所以这类研究最好采用 综合考虑了既有结构存在、土体的弹塑性以及隧道开挖工序的全三维耦合模型。 针对具体工程，c h e n g 和p a n g 等以新加坡东北线隧道邻近新建高架桥桥桩开挖为 工程背景。对隧道一土一桩的相互作用进行了三维数值分析。结论表明：当桩基 与隧道中心线的水平距离大于2 倍洞径时，桩基中引起的弯矩几乎可以忽略，而 当桩基与隧道中心线的水平距离小于l 倍洞径时，桩基中引起的弯矩很容易超过 容许弯矩；桩基中产生的轴力主要依赖于桩尖与“大变形区”的相对位置，土体 的刚度以及地层损失值。对粘土中的隧道开挖而言，“大变形区”对称分布在隧道 起拱线位置4 5 斜向上到地表的夹角范围内。着重于影响规律的研究，c h i n 和 p o u l o s 等采用两阶段法来分析隧道开挖引起桩基的侧向和轴向反应。首先在解析 法的基础上估算自由场地的土体位移，然后用简化的边界元分析法将这些估算的 土体位移作用在桩基上，进而计算桩基的反应，并对一些关键性的影响因素进行 了参数研究。他们认为桩基的反应特性受桩尖在隧道水平轴线之上还是之下的极 大影响。m r o u e h 等通过建立三维弹塑性有限元模型模拟了城市隧道开挖对单桩和 群桩的影响。结果表明，隧道开挖会在邻近桩基中产生较大的内力，而内力的分 布则取决于桩尖与隧道水平轴线的相对位置以及桩基轴线与隧道中心线的水平距 离；群桩效应会产生一些积极的影响，大大减小了同一承台下另一侧桩基中的内 力。国内学者李永盛等利用弹性力学k e l v i n 解及弹性地基梁理论导出了盾构推进 对相邻桩体内力及挠度影响的计算公式。阮林旺等通过三维有限单元法对软土盾 构施工引起相邻桩体变形和受力进行了研究。王占生系统地对盾构近距穿越桩基 进行了研究，分析了盾构近距穿越桩基时对桩基影响的规律、机理和影响因素， 提出了盾构施工对近邻单桩内力和变形影响的评价方法以及盾构穿越桩基的方 法、步骤，并着重阐述了盾构穿越桩基时的施工参数控制和常见的辅助工程措施 等。由于所研究的问题在理论推导上的难度加之计算机技术的飞速发展，数值试 验方法成为从理论方面研究这类问题的最主要的手段。从对问题的二维模拟拓展 到更为真实的三维模拟，对问题的简化越来越少，所考虑的因素也越来越全面。 但上述研究存在一些明显的不足，如p o u l o s 、c h c n 等的研究方法可归纳为：先根 据解析解求取开挖引起的位移，再将位移施加到桩基上，通过程序计算桩基的反 应，得出的解为弹性解，而且不能同时考虑竖直方向和剪切方向位移的耦合作用。 另外，在两阶段法中，结构的破坏可能会被过大估算，这是因为在估算隧道开挖 4 e 塞銮煎厶堂亟堂僮论塞绪途 引起的地层位移时忽略了结构的刚度；其他学者也未能详细研究隧道开挖对桩基 的影响过程，对群桩的影响研究还很不深入，隧道的开挖方式也局限于盾构法施 工，得出的结论带有个案性质，缺乏普遍性；另外，对桩一土相互作用的模拟研 究也缺乏深度，不考虑或做简单处理，从而使得计算结果失真。 ( 2 ) 实验研究 理论分析研究的正确性需要通过实测来加以验证，但由于这类试验的特殊性， 难以在现场对既有桩基进行布点测试，所以这方面的现场实测资料非常有限。试 验研究主要指离心机试验能较好的弥补现场实测资料的不足。l o g a n a t h a n 等设计 了离心机模型，共做了3 组离心机试验来估算粘土地层中隧道开挖引起的地层变 形以及对邻近桩基础的影响。隧道的开挖过程通过“等效地层损失”来模拟，特 定的地层损失值通过减小模型隧道的直径来实现。群桩和单桩的反应在同组试验 中进行了比较。隧道的埋深在各试验中不断变化以估算隧道埋深对地层位移，桩 基的轴向力、沉降和侧向位移的影响。j a c o b s z 对干密砂土中承载单桩附近进行隧 道开挖的影响进行了研究。确定了在地层损失率为1 5 时隧道水平轴线上方桩 基可能会产生较大沉降的区域。并将这一区域划分成4 个影响不同的区域，并对4 个区域内桩基沉降的特点进行了归纳。l e e 等进行了一系列的饱和砂土地层的离心 机试验，研究隧道开挖引起的地层变形及其对邻近桩基础的有害影响。研究表明： 邻近新建隧道的既有桩基会有效减小沉降槽的范围，隧道轴线上方的最大地表沉 降会有所增加；当地层损失率达到3 3 5 时，桩基中的最大弯矩和最大轴向 力会增加得很快。国内在这方面的试验研究尚未见报道。 试验研究同样也受到问题的复杂性的制约，离心机试验作为其主要手段，其 对复杂问题的简化影响了试验结果的直观性和精度，而且由于离心模型试验技术 本身的局限性，如离心机起动与制动误差、边界效应问题、粒径效应问题、土样 制备技术等，这些必然会引起模型与原型之间的差异。但总的说来，试验研究始 终是不可或缺的辅助验证手段。 ( 3 ) 现场原位测试研究 c o u t t s 等对受隧道开挖引起的水平和垂直荷载作用的钢筋混凝土桩基进行了 实地监测，得到了类似问题宝贵的第一手资料。所研究的双线隧道为当时正在兴 建中的新加坡东北干线快速交通工程中的一部分，沿隧道线路平行的方向需要修 建同一合同中的1 9k m 长的高架桥。高架桥通过钢筋混凝土墩支承，其下为4 6 根钻孔灌注钢筋混凝土桩。双线隧道的两条线路分别位于桩基础的两侧，两者之 间的净距仅为1 6m 。高架桥的桩基在隧道修建前已施工完成。许多桥桩都预埋了 监测仪器，作者根据大量的监测数据，计算得到了桥桩中的力和弯矩，将其与设 计工作荷载和弯矩做了比对。本文的结果有助于认识隧道开挖对邻近桩基础的影 e 立窑通厶堂亟土翌缱论童绪途 响。国内也有过类似的测试。针对上海市地铁1 号线盾构推进及注浆过程中可能 对桥梁桩基造成的影响刘晓苹等入进行了探索性的测试研究，根据测试结果得出 了一些初步结论。但由于测试历时长，工地环境差加之有许多地下管线同时旌工， 造成了测试破坏严重的现象，最后采集到的数据可信度降低。但这是国内类似问 题测试研究的第一手资料。现场原位测试研究是对理论研究和试验研究的重要补 充。由于所研究问题的特殊性，现场原位测试几乎难以实现，因为所研究的桩基 均为既有邻近桩基，很难在不产生扰动的情形下对桩基做太多项目的测试，除非 如文献 7 】所研究的，在成桩之前预埋测试仪器，再进行她铁隧道的开挖，从而能 得到一些有用的实测数据。总的来说，由于隧道邻近桥桩施工问题本身的复杂性 以及试验模拟的局限性，限制了理论和试验研究的发展，而数值试验方法尽管其 对问题有一定的简化，但考虑的因素相对较为全面，因而目前得到了较为广泛的 应用。 1 2 2 隧道开挖对既有管线的影响分析 城市隧道施工往往处于地下管线的密集区，地下管线作为城市的生命线，在 城市隧道施工中必须保证其安全。但各种地下管线由于种类繁多，管线材质、接 头类型及初始应力各异，加之分属部门不同，执行保护标准有差异，从而加大了 隧道施工中管线保护的难度。下面将从地下管线初始应力、管一土相互作用、管 线破坏模式、管线变形分析四个方面进行说明。 1 地下管线初始应力 隧道开挖之前地下管线就承受的应力称为管线的初始应力，它是由管线内部 工作压力、上覆土压力、动静荷载、安装应力、先期地层运动及环境影响等因素 共同作用的结果。一般说来，管线安装垫层没有充分压实或由于其他原因导致不 均匀沉降，管线就会出现管段应力增加或接头转角增大现象；管线内外压力不同 会导致管段产生环向应力；上覆土压力与动静荷载的作用会使管段横断面趋于椭 圆，同时伴随管段应力的改变；同样，管线埋置土层的不同也会导致管身不同的 应力状态，比如，管线埋置于温差较大的土层就会使管身产生应变，而管线周围 土体湿度的变化也会引起管身的腐蚀从而降低管线的强度。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。 2 管线与土体的共同作用 隧道建设中，地下管线因周围土体受到施工扰动引起管线不均匀沉降和水平 位移而产生附加应力。同时，由于管线的刚度比土体的刚度大很多，又必然会对 6 j e 塞窑塑厶堂亟堂位：l 佥塞 绮途 周围土体的移动产生抵抗作用。a t t e w e l l 认为隧道施工引起的土体移动对管线的 影响可从隧道掘进方向与管线的相对空间位置来确定，当隧道掘进方向与管线延 伸方向垂直时，对管线的影响主要表现在管线周围土体的竖向位移引起管线弯曲 应力的增加及接头转角的增大；当隧道掘进方向平行于管线延伸方向时，对管线 的影响主要表现为周围土体对管线的轴向拉压作用。而管线对土体移动的抵制作 用主要与管线的管径、刚度、接头类型及所处位置有关。 由于大部分地下管线埋深不大，通常可以假设在管线直径不大时，地下管线 对周围土体移动没有抵抗能力，它将沿土体的移动轨迹变形。一些研究成果也表 明了这种假设的可行性。c a r d e r 与t a y o r 采用足尺寸实验研究了埋深0 7 5 m ，直径 1 0 0 m 的铸铁管置于不同的土体中时在邻近开挖影响下的性状改变情况，实验成果 表明管线的移动轨迹与管线所处地层的移动轨迹相吻合。n a t h 应用三维有限元模 拟分析了管径7 5 m m 至4 5 0 咖的铸铁管在埋深1 o l l l 条件下对邻近开挖的响应，分析结 果显示，管径小于1 5 0 m m 的铸铁管线对地层的移动几乎没有任何的抵抗能力：a h m e d 等用二维及三维有限元模拟了深沟渠的开挖对邻近铸铁管线的影响，计算得出在 假定管线与周围土体不出现相对位移时，管线的附加应变小于铸铁管线的允许极 限强度，他们认为，如果管线与周围土体在邻近施工影响下不产生相对位移时， 可以不考虑施工对管线的影响。 但是当地下管线的直径增大到一定程度后就会对周围土体移动产生抵制作 用，这同时也增大了管线破坏的风险。国内学者曾对上海地铁二号线某段盾构法 施工对上部管径为3 6 m 的合流污水管产生的影响及处理的措施进行过研究。不过 a t t e w e ll 认为尽管大管径管线抵抗土体移动式会增加管身的应力，但由于管线自 身强度较大( 主要针对灰铁管线) 而不会导致管段产生大的附加应力。总的来说， 对于管径较大的管线，在隧道施工中要引起重视，特别是对地层运动比较激烈， 管材、接头比较脆弱且运营年限久的大管径管线要进行专门的风险评估。 3 隧道施工引起地下管线的变形分析 隧道施工引起地下管线变形的影响因素较多，对于地下管线进行准确的受力 变形分析是地下管线保护研究的基础，目前对地下管线的受力变形研究主要有解 析法与数值模拟法。 ( 1 ) 解析法 a t t e w e l l 基于w i n k l e r 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。廖少明、刘建航也基于弹性地基梁理论提出地下管线 7 j e 塞銮遵厶堂亟堂位j 金塞 缝途 按柔性管和刚性管分别进行考虑的两种方法，其计算模型如图1 7 ，建立地下管 线的位移方程为： 章= 毛= = = = = 曲 、蝰f 管缱 式中：旯= 图l - 2 弹性地基梁计算模型图 等刎产南 m t ， ，k 为地基基床系数，k = k j + k 2 ； e 。一管线的弹性模量 ，一管线的横截面惯性矩 4 一作用在管线上的压力 对于柔性地下管线，在地层下沉时的受力变形可以从管节接缝张开值、管节 纵向受弯及横向受力等方面分析每节管线可能承受的地基差异沉降值，或沉降曲 线的曲率，进而分析地下管线的反应。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。段光杰根据w i n k l e r 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。高文华利用w i n k l 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。 ( 2 ) 数值模拟法 李大勇等考虑了基坑围护结构、土体与地下管线的耦合作用，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，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。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耦合作用的三维有限元分析模型， 跞 j e 塞窑遵厶堂亟堂位i 金塞缝i 金 对施工过程进行了仿真分析，并对地下管线的安全性进行了预测，给出了管线安 全性的评价标准。 1 3“p b a ”工法技术简介 “p b a ”工法是在综合了以往地下工程中已广泛应用的浅埋暗挖分部法和明挖法 的特点的基础上出现的，其核心思想则是采用先支护后开挖的施工模式。 p b a 工法的原理就是将盖挖框架结构施工方法和暗挖法进行有机结合，即地面 不具备施工基坑围护结构条件时，改在地下先行暗挖的导洞内施作围护边桩、桩 项纵粱、使围护桩、桩顶纵梁、大拱共同构成桩( p i l e ) 、梁( b e a m ) 、拱( a r e ) 支撑 框架体系，承受施工过程的外部荷载；然后在顶拱和边桩的保护下，逐层向下开 挖( 必要时设预加力横向支撑) ，施工内部结构，最终形成由外层边桩及顶拱初期 支护和内层二次衬砌组合而成的永久承载体系。 该施工方法具有以下特点 在非强透水地层中，将有水地层的旌工变为无水、少水施工，避免因长期 大量降水引起的地表沉降和费用增大，有利于保护地下水资源和降低施工措施费： 以桩作支护，稳妥、安全，也利于控制地层沉降，避免中洞法、c r d 法、等 工法多次开挖引起地面沉降量过大的缺陷和对初期支护的刚度弱化； 与c r d 、中洞法等相比，拆除i 临时工程量相对较少，结构受力条件也好， 相对经济合理； 对结构层数限制少，对保护暗挖结构附近的地下构筑物和周边建筑物的安 全有利； 在桩、梁、拱承载体系形成后，有较大的施工空间，便于机械化作业，从 而加快进度； 在地层中开设的导洞内施工孔桩，利用其“排桩效应”对两侧土体起到了 支挡作用，可减少因流沙、地下水带来的施工安全隐患。 下表主要表示出“p b a ”工法与其他主要的车站施工的暗挖工法的区别 9 e 宝窑遵厶堂亟翌位论塞缝论 项目中洞法“c r d ”法台阶法“p b a ”法 先施作中先开挖上半断先施作小导洞；并 主要技术特 洞，两边对分步施工面并留核心在其中施作钻孔 点 称开挖侧侧洞土，在开挖下桩，再扣拱继续下 洞部挖，施傲二衬 控制地表沉 最好较好差较好 降 施i i 技术成熟成熟成熟较成熟 施 ：难度小小大较大 易保 施i ：安全性较好一般一般 证 施i ：进度最慢慢快较快 作业空间狭小适中较大小 废弃i ：程鬣多 较少少 少 ，程造价高较高低 较低 表i - i 施工方案比选表 结合该施工特点，p b a 法的施工过程如下： 1 首先在大断面洞室的预定位置( 一般位于设计断面的拱脚部位) 开挖导洞， 其作用在于为施作整体支护体系的侧壁支撑( 桩梁结构) 部分提供必要的施 工空间： 2 在已支护好的导洞内施作钻孔桩( 或挖孑l 桩) ，并在桩顶以纵梁进行连接， 从而形成了整体支护体系的侧壁支撑部分； 3 大断面拱部进行必要的超前预支护，然后进行拱部开挖和施作初期支并将 初期支护与两侧的桩顶纵梁连结在一起，从而构成了拱部刚性整体支护体 系； 4 在拱部支护体系的保护下逐层进行下方的大断面洞室主体的开挖，最后施 作永久衬砌结构。 l o e 壅窑塑厶堂亟堂垃i 金塞 绪：| 金 1 4 本论文的主要研究内容 1 结合工程实例，建立地下管线、土体以及车站为一体的有线差分法计算模 型，严格按照施工步骤图进行隧道开挖模拟。计算各个阶段地表的沉降，不同管 线的沉降以及临近立交桥桥桩的侧移，承台的沉降等； 2 分别根据理论解析解和有限差分法计算结果进行对比，探索合理简便的评 估方法； 3 模拟不同的开挖工序对地表沉降，管线沉降以及桥桩侧移的影响，分析不 同工序开挖的特点。 e 塞銮适厶堂亟土堂位监塞 让簋理迨厘左选 2 计算理论及方法 2 1 岩土材料的本构模型和屈服准则 2 1 1 岩土材料的本构模型 近几十年来各国学者们根据岩土材料的实际情况提出了许多岩土材料的本构 模型，按照变形与时间的关系可分为两大类。一类是变形随时间发生变化的模型， 包括固结模型和蠕变模型，还有将固结与蠕变结合起来考虑的流变模型。另一类 是变形不随时问发生变化的模型，包括弹性应力一应变模型与弹塑性应力一应变 模型。目前应用比较广泛的是后一类模型。 ( 1 ) 弹性应力一应变模型 弹性应力一应变模型又分为线弹性模型和非线性弹性模型两类。 1 线弹性模型线弹性模型假设应力与应变成正比，强度是无限的，如图所示。 它仅涉及到两个参数，即弹性模量e 和泊松比p 。线弹性模型与岩土材料的性质相 差较大，模拟计算分析得出的数据常常与实际情况有较大差距。线弹性模型只适 用于安全系数较大、岩土材料不发生屈服的情况，因此只有当计算对象为整体性 很高的硬岩时才比较接近实际情况。 2 非线性弹性模型事实上岩土材料在一定的应力状态下要发生屈服，应力一 应变关系是非线性的。岩土材料发生屈服后除了要产生弹性变形外，还要产生不 可恢复的塑性变形。因此实际岩土材料在加载与卸载过程中的变形特性是不同的。 岩土材料的变形不仅随着荷载的大小而异，而且还与加载的过程有关，即受应力 路径的影响。岩土材料的这种应力一应变关系用弹塑性模型模拟比较好，但是将 弹塑性模型应用于实际工程时较为复杂。非线性弹性模型则是为了避免使用弹塑 性模型而采用的一种方法。它能够模拟岩土材料发生屈服以后的非线性变形性状， 但是忽略了应力路径等重要因素的影响。即假设应力与应变是按照一条曲线关系 发生变化的，如图所示。非线性弹性模型与线弹性模型的区别就在于前者的弹性 模型和泊松比是随着应力状态的不同而不断变化的，而后者则是固定不变的常数。 将非线性弹性模型应用于土坝、地基等土工问题的模拟计算分析在很多情况下能 够得出比较符合实际情况的结果。最典型的非线性弹性模型是邓肯( d u n c a n ) 一张 ( c h a n g ) 模型。 1 2 l e 夏窑垣厶堂亟堂垃论塞盐簋堡论厘左法 f 图2 - 1 线弹性模型的应力应变关系图2 - 2 非线弹性模型的应力应变关系 ( 2 ) 弹塑性应力应变模型 虽然在使用上较为方便，但是都只有在一定荷载条件下才适用。当应力水平 较高时，岩土材料除了要发生弹性变形外，还要发生塑性变形，因此采用线弹性 或非线性弹性模型往往与实际情况不相符合。为此，考虑土体的非弹性变形性状， 研究具有更普遍意义的弹塑性应力一应变模型，对于分析复杂情况下土体的性状 以及检验常用的各种简化模型具有重要意义。国外从六十年代起开始重视弹塑性 模型的研究，并提出了许多种模型，其中最重要的有剑桥模型、拉德( l a d e ) 一邓 肯( d u n c a n ) 模型以及帽子模型等。 弹塑性模型的基本概念，是假定在达到使岩土材料发生屈服的应力状态以前 只发生可恢复的弹性应变，发生屈服以后的应变是由弹性应变和造成永久变形的 塑性应变两部分组成的，即总应变为 s ) = s 。 + 占9 ( 2 一1 ) 式中，一弹性应变； 矿一塑性应变。 当采用增量理论进行计算时，总的应变增量为 d e = d s + d 占 ( 2 2 ) 式中d 弹性应变增量，按弹性模型计算： e ，一弹性常数，根据卸载与再加载曲线确定： d 塑性应变增量，根据塑性模型理论计算 在本研究中对浅埋暗挖洞桩法的施工过程进行模拟分析时，所涉及到的材料 主要为岩土材料和作为支护结构的混凝土材料。在缺乏详细试验资料的情况下， 要仔细考虑这些材料的后期强度是十分困难的。因此，本研究对围岩材料的本构 关系作理想弹塑性应力一应变关系的简化，如图所示。对于混凝土材料则按照线 弹性本构关系处理。 e 丞窑适厶堂亟堂盈硷塞 让鳇堡途霆左洼 i 幽2 3 理想弹塑性模型的应力应变关系 2 1 2 岩土材料的屈服准则 对于理想弹塑性材料，材料发生屈服也就是发生破坏，屈服面与破坏面是重 合的，这时屈服面也就是固定的。描述屈服面的数学表达式称为屈服函数或屈服 条件。一般情况下屈服函数是关于应力q ，应变矗，时间t ，温度t 的函数，但在 不考虑时间效应以及接近常温的情况下，时间t ，温度t 对塑性状态基本没有影响。 此外，当材料在发生初始屈服之前是处于弹性状态的，应力和应变之间有一一对 应关系，这样屈服条件就可表示为 厂( q ，k ) = 0 ( 2 3 ) 式中k 一与材料有关的常数。 对于各向同性材料，由于坐标方向的变换对屈服条件没有影响，因此也可以 用主应力来表示，或用主应力不变量来表示。在传统的塑性力学中，认为静水应 力状态与塑性变形无关，即静水压力不影响屈服，因此屈服条件又可以用应力偏 量或应力偏量不变量来表示，还可以用主应力偏量表示。 对于岩土材料常用的几种屈服准则和破坏准则主要有： ( 1 ) 经过按岩土特性修正的( 广义的) 屈瑞斯加( t r e s c a ) 准则( 适用于只具粘聚 力的岩土) 和修正的( 广义的) 冯米赛斯( v o nm i s e s ) 准则( 适用于岩石和饱和粘 土) ： ( 2 ) 摩尔( m o h r ) 一库仑( c o u l o m b ) 准则； ( 3 ) 德鲁克( d r u c k e r ) 一普拉格( p r a g e r ) 准则。 摩尔一库仑准则比较适用于应力水平不是很高的岩土材料，但是未考虑中间 主应力对岩土材料受力性能的影响。一些新的准则所考虑的因素虽然比较全面， 但以这些准则为基础的应力分析过程比较复杂，使其在工程中的应用受到限制， 为了简化计算，本研究在模拟计算中，采用的是摩尔一库仑屈服准则。 1 4 | t 塞銮煎厶堂亟堂位逾塞让簋理i 金星左洼 根据摩尔一库仑屈服准则，岩土材料在发生屈服时是在与大主应力o i 成 “三+ 争角的平面上发生剪切破坏，此时的应力状态应满足如下关系式： t y i - ：耳导s i n p + c - c o s 妒 ( 2 4 ) 22 如果用摩尔圆来表示屈服点的应力状态，则该摩尔圆与根据抗剪强度指标 c ，妒确定的抗剪强度线相切。 彳八 一 图2 - 4 极限应力圆和抗剪强度线 2 2 三维快速拉格朗1 3 元法 鉴于土体的特殊属性，目前在岩土力学中常用的数值计算方法有差分法，有 限元法，边界元法等几种。特别是有限元法和边界元法，随着计算机的发展，这 两种方法的应用尤为广泛。但是这几种方法都是以连续介质为出发点，而且往往 局限于小变形的假定，它们虽然也可以用设置节理单元的办法来解决，但是用来 解决富含节理和大变形的岩土力学问题，往往所得的结果与实际的情况相差甚远。 于是拉格朗日元法和离散元法就应运而生，故本文在模拟车站开挖的过程中考虑 使用基于朗格朗日元法的三维有限差分程序f l a c 3 d ，采用摩尔一库仑模型进行分 析。 2 2 1 数学模型 三维快速拉格朗日元法是模拟岩土等材料达到平衡或稳定塑性流状态时力学 特性的三维显示有线差分法，该软件主要适用模拟计算地质材料和岩土工程的力 学行为，特别是材料达到屈服极限后的塑性流动，材料通这单元和区域表示，根 据计算对象的形状构成相应的网格。每个单元在外载和边界约束条件下，按照约 定的线性或非线性应力一应变关系产生力学响应。由于f l a c 软件主要是为岩土 e 墓銮适厶堂亟翌缱监塞盐簋堡论厘左洼 工程应用而开发的岩土力学计算程序，它包括了反映地质材料力学效应的特殊计 算功能，可计算地质类材料的高度非线性( 包括应交硬化，软化) 、不可逆剪切破坏 和压密、粘弹( 蠕变) 、孔隙介质的应力一渗流耦合以及动力学的问题等。f l a c 程序设有多种材料本构模型： ( 1 ) 各向同性弹性材料模型； ( 2 ) 横观各向同性弹性材料模型； ( 3 ) 莫尔一库仑弹塑性模型； ( 4 ) 应变软化硬化塑性材料模型： ( 5 ) 双屈服塑性材料模型； ( 6 ) 修j 下剑桥粘土模型； ( 7 ) 遍布节理材料模型； ( 8 ) 空单元模型，可模拟地下隧道的开挖。 另外，程序设有支护结构单元，如砌衬、锚杆、可缩性支架或板壳等与围岩 的相互作用也可以在f l a c 中进行模拟。同时，用户可根据需要在f l a c 中创建 自己的本构模型，进行各种特殊修j 下和补充。f l a c 程序建立在拉格朗开算法的基 础上，特别适合模拟大变形和扭曲。f l a c 采用显式算法来获得模型全部运动方程 的时间步长解，从而追踪材料的渐进破坏和垮落，这对研究采矿设计是非常重要 的。此外，程序允许输入多种材料类型，亦可以在计算过程中改变某个局部的材 料参数，增强了程序使用的灵活性，极大地方便了在计算上的处理。f l a c 程序具 有强大的后处理功能，用户可以直接在屏幕上绘制或以文件形式创建和输出打印 多种形式的图形。使用者还可以根据