（工程力学专业论文）地铁暗挖隧道施工地面沉降预警值研究.pdf

，if t 。：，vlj 气 1 毛 。l ad i s s e r t a t i o ni ne n g i n e e r i n gm e c h a n i c s 4 l l l l l m 1 1 1 1 1 l l l l l l i l l l l l i l l 洲 y 1716 5 8 7 s t u d y o ng r o u n dd e f o r m a t i o ne f f e c t c a u s e d b yt u n n e l i n g c o n s t r u c t i o n b yt a n gx i a o m i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r z h a ow e n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 氛0 卜 l 乞 j 卜。 t 江 ，i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导f 完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 比 思。 学位论文作者签名：而晚明 日期： 卿了j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北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、交流。 半年弋一年口 一年半口两年口 搿嚣鞭鬻巍瓤辩醐：埘1 1 辩嗍：嚣汀 一一。 ， - l 厶、 ， i 臼 ，i 东北大学硕士学位论文摘要 地铁暗挖隧道施工地面沉降预警值研究 摘要 为了更好的研究解决城市隧道施工给邻近环境带来的影响，特别是沈阳地区大量地 铁隧道丌始兴建，针对沈阳地面沉降预警值采用全国统一的保守3 0 r a m 标准，相关技术 资料掌握不全的情况，论文以沈阳地区地铁施工为具体研究对象，根据实测的沈阳地区 地表沉降、地下管线变形情况，结合数值模拟手段，主要针对对暗挖地铁隧道施工引起 地表变形并相关地下管线变形的问题进行了深入的研究。 论文分析了隧道施工过程中导致其邻近环境变化的机理和因素，并论述了控制地铁 施工所引起地表变形的技术措施，总结了计算横向地表变形和纵向地表变形的几种方 法。 根据沈阳地质特点，利用数值模拟的手段模拟了沈阳真实的地层情况，对单线和双 线不同埋深隧道分别进行了分析，得出了不同埋深的暗挖隧道从地面到拱项各土层的沉 降极限值和变化趋势，对地面横向沉降规律进行了分析，并针对实际工程的特点及要求， 提出了有效的监测施工方案并进行观测，通过监测数据分析，并和理论计算结果进行了 比较，得到了沈阳地区地铁隧道施工所引起地表变形的一些规律和对地下管线的变形的 影响程度，为今后沈阳地区的地面沉降预警值的制定和工程的设计和实施提供了参考。 关键词：地铁施工；地表变形；管线变形；数值模拟；预警值 i i 屯 - “ 一 、 臼 s t u d yo ng r o u n dd e f o r m a t i o ne f f e c t c a u s e db yt u n n e l i n gc o n s t r u c t i o n a bs t r a c t t os t u d ya n ds o l v ea d j a c e n te n v i r o n m e n te f f e c tc a u s e db yt u n n e l i n gc o n s t r u c t i o n ， e s p e c i a l l yi ns h e n y a n g ，t u n n e l i n gc o n s t r u c t i o ni n c r e a s e ，w h e nt h et h i r t ym i l i m e t e r s a l a r m v a l u ef o rt h el a n ds u b s i d e n c ec o u l d n tm e e tt h en e e do ft h ew h o l ec o u n t r y ，t h ed a t aa r e n t e n o u g h ，t h i sp a p e rb a s e so nt h ed a r k d i g g i n gt u n n e l ，b yt h em e a n so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d t h ea c t u a lm e a s u r e m e n td a t ao fd e f o r m a t i o no fg r o u n da n db u r i e dp i p e l i n e ，t h i sp a p e rr e s e a r c h t h eg r o u n ds u r f a c ed e f o r m a t i o nd e p p l y a n a l y s i n gt h em e c h a n i c sa n df a c t o ro fa d j a c e n te n v i r o m e n tv a r i a t i o nc a u s e db yt u n n e l i n g c o n s t r u c t i o ni nt h e o r y ，d i s c u s s i n gf o r m u l a so fc r o s s w i s eg r o u n ds u r f a c ed e f o r m a t i o na n d l e n g t h w i s eg r o u n ds u r f a c ed e f o r m a t i o nc a u s e db yt u n n e l i n gc o n s t r u c t i o n a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lg e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ef o r m a t i o n ，t h i sp a p e rs i m u l a t e s t h ed i f f e r e n td e p t h s i n g l el i n e sa n dd o u b l el i n e s ，f a i n a l l yg e tt h er e s u l t so fs e t t l i n gl i m i t i n g v a l u ef r o mt h ed o m et ot h eg r o u n da n dt h er u 1 eo ft h es u r f a c el a t e r a ld e f o r m a t i o n ，a n dt h e p a p e rc o m p a r e sm o n i t o r i n gd a t aw i t ht h et h e o r e t i c a lv a l u e s ，a tl a s tg e t ss o m er u l e s t o w a r d t h eg e o l o g i cc h a r a c t e r i s t i ci ns h e n y a n g ，t h ep a p e ra f f o r ds o m er e f e r e n c ef o rt h el i m i tv a l u eo f g r o u n ds u r f a c ed e f o r m a t i o n 关键词：t u n n e l l i n gc o n s t r u c t i o n ；g r o u n ds u r f a c ed e f o r m a t i o n ；b u r i e dp i p e l i n ed e f o r m a t i o n ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；a l a r mv a l u e i i i - ； i i f j 已 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 研究课题的工程背景和现实意义1 1 2 研究现状的文献综述一2 1 2 1 地表沉降限制的研究现状2 1 2 2 地铁隧道施工对管线沉降影响研究现状6 1 3 本文研究内容1 2 第2 章地铁隧道施工引起地表变形规律及预测1 3 2 1 地铁隧道施工方法1 3 2 1 1 暗挖法1 3 2 2 2 其他施工方法15 2 2 暗挖法地表沉降的规律和控制1 6 2 2 1 地表沉降规律1 6 2 2 2 浅埋暗挖法隧道施工地面沉降控制措施1 8 2 3 地表沉降限值的确定2 0 第3 章沈阳地铁暗挖隧道施工地面沉降极限值的数值模拟研究2 5 3 1 计算简况及参数2 5 3 2 模拟方案及建模情况2 7 3 2 1 理论计算2 7 3 2 2 建模情况2 7 3 3 数值模拟结果分析3 1 3 3 1 竖向沉降分析3 l 3 3 2 横向沉降分析3 7 3 4 本章总结4 9 第4 章地铁隧道施工对临近地下管线影响分析5 1 4 1 管线的失效模式和连接方法5 1 4 2 地铁隧道施工对上跨既有管线的影响分析5 3 4 2 1 基本理论5 3 4 2 2 隧道、管线及土体参数对管线弯应力和应变的影响5 6 4 3 管线的安全控制标准5 8 4 4 地下管线的保护措施5 9 i v 东北大学硕士学位论文目录 第5 章暗挖隧道地表沉降与地下管线变形的实测分析一6 3 5 1 工程概况及工程地质和水文地质资料6 3 5 1 1 工程概况6 3 5 1 2 工程地质、水文地质概况6 4 5 2 监测的目的和内容6 4 5 2 2 监测内容6 5 5 2 3 监测频率6 6 5 3 监测方案6 6 5 3 1 暗挖区i 、h j 测点布设原则6 6 5 3 2 测点布设方法6 8 5 3 3 豁测方法7 2 5 4 监测报警值的确定7 3 5 4 1 监控报警值的确定原则一7 3 5 4 2 监控报警值的确定依据7 4 5 4 3 监测控制标准7 4 5 5 实测结果分析7 6 5 5 1 地表沉降的数据分析7 6 5 5 2 地下管线变形的数据分析8 0 第6 章结论8 3 参考文献8 5 致谢8 9 作者简介9 1 v 一 ) 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究课题的工程背景和现实意义 随着城市经济和建设事业的发展，城市地面交通的压力越来越大，单一的交通己经 无法从根本上解决城市交通拥挤的状况，迫切需要大力发展地下快速轨道交通来从根本 上解决交通拥挤的问题。1 8 6 3 年英国建成了世界上第一条地下铁道，其后相继在纽约、 布达佩斯、维也纳、巴黎、柏林、雅典、马德里、东京莫斯科等2 1 座城市修建了地下 铁道。第二次世界大战后，由于盲目发展私人轿车，给城市交通带来了灾难，人们逐步 认识到只有发展以地下铁道为骨干大运量快速快速公共交通系统才是解决城市客运交 通问题的最根本的途径。2 0 世纪5 0 年代以来，特别是7 0 年代以后，拥有地下铁道的城 市迅速增多，全世界已成的地铁线路达5 2 0 0 k r n 。 我国大城市交通紧张状况，在改革丌放初期就已经呈现出来。目前各大城市道路交 通条件严重恶化，车均道路面积每年以1 0 3 0 的速度下跌，发达国家所经历的机动 车剧增，道路交通严重阻塞的僵局在中国大城市重演。这些城市空气和噪卢的污染严重 超标，对居民的身心健康构成威胁。因此发展城市快速轨道交通，在市中心区修建地下 铁道，不仅可以缓解地面交通阻塞和居民乘车难的问题，还有利于城市环境保护，而且 也是唯一可行办法。目前我国大陆已经在北京、上海、广州建成了一定规模的地铁并投 入了运营，目前许多城市也j 下在进行地铁工程的建设【1 1 。 城市地铁隧道施工过程会给周围的建筑物、地下构筑物以及地下管网带来不同程度 的影响，严重者将危害生产建设和人民生命财产安全，因此，近年来，地铁隧道工程施 工给周边环境造成的影响与危害的研究已经引起学术界和工程界的注意和重视。大量的 隧道工程建设实践表明，隧道施工过程会给周围的建筑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产生不均 匀沉降、开裂，甚至倒塌。对于管线来说，管线会因地表沉降而产生变形、甚至断裂； 接头部位会因为扭角过大或变形过大产生破坏，导致煤气泄漏、水管破裂等问题。 在城市市区修建的浅埋地下工程，在设计与施工中需要提出一个控制地表下沉的标 准。国内现有的一些城市地铁施工引起的地面沉降允许值往往是由专家们为了控制地下 工程开挖对地面环境的不利影响而根据经验规定的，通常都采用3 0m m 的控制标准。 地铁施工沉降预警值要结合施工方法、开挖深度、考虑差异性沉降、工程地质等具 - 1 。 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 体条件具体分析，而且由于车站的开挖面积远大于区间，对土体的扰动较大或由于群洞 效应等的作用，故车站的地表沉降要远大于区白j 的地表沉降，车站的地表沉降要比区问 的地表沉降大得多。目前我国制定的地表沉降标准值3 0 m m 已经难以满足全国各地的不 同情况，国内外许多专家和机构已经着手研究这一课题，从目前全国对地铁施工的调查 资料的统计情况来看，大多数基坑累计沉降值的变动范围在4 0 一1 2 0 r a m ；地表沉降值 小于4 0 r a m 和大于1 2 0 r a m 的发生的频率均不超过1 0 ；9 8 以上的地表沉降值均超过 了3 0 m m 的控制标准。但就目前的施工建设情况来看，在所有地表沉降均超过标准控制 值的情况下，无论是对工程结构自身，还是对周边环境的安全性都没有造成很大的影响， 所以现行3 0 r a m 的控制标准已经没有了实际意义，所以针对不同条件制定研究新的沉降 控制标准是一个亟待研究的课题。 1 2 研究现状的文献综述 1 2 1 地表沉降限值的研究现状 多种施工扰动类型都可以对环境土层产生影响，如机械动、机械搅动或挤压、基坑 丌挖扰动、盾构施工对周围土层的动以及降雨入渗和人工降水。但是施工扰动所造成的 岩土环境问题从本质上说主要是由于施工扰动使得土的工程性质发生了变化，长期以来 人们对施工扰动所导致的土体工程性质改变问题并未引起足够的重视。而传统的土力学 理论一般都是以天然状态的原状土为对象，用其物理力学参数来研究上述受施工扰动影 响的土体稳定和变形问题，因而也就无法真实反映由于土体工程性质的改变而造成的效 果。人们进行在土体工程变形与稳定性分析中，往往过分关注于本构模型的精确而忽略 了最基本的原始土层参数的可靠性，近年来，环境岩土工程学已经成为岩土工程领域内 一个独立学科，也是一个研究热点。 目前对地层的沉降预测方法主要有经验公式、数值模拟、模型实验、专家系统和灰 色理论等。 同济大学在国内率先开展了这方面的研究工作，他们结合承担建设部基金项目以及 多年来参加市政和地铁工程任务，曾对上海深基坑开挖和盾构隧道掘进施工以及其它一 些建设工程所引起的环境土工工害问题进行过研究，取得了一些阶段性的成果。 张建华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， - 2 - 一 ， - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 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 下沉与地表沉降相联系，提出了地表下沉的预测及控制方法。高波在浅埋暗挖隧道丌挖 一支护过程的等效结构概念的基础上，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 精度和广泛的实用性。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1 。 在环境影响控制方面，刘维宁、张弥等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，实现了数据准备、 模拟计算和结果显示一体化。 北方交通大学近年来得到国家自然科学基会的资助在城市地下工程施工的环境影 响与控制理论方面开展了相应的研究工作，并将研究成果应用到国家计委地下停车场和 广州地铁车站等工程的施工控制中，取得了较好的成果1 3 1 。 地铁隧道施工引起的环境问题是多种多样的，如：隧道施工引起地表过量沉降；管线 破裂、地铁施工的震动和噪声等，地铁隧道施工引起水环境和人文环境的变化。 关于地下工程施工引起的地面沉降和地层损失的计算方法，目前主要有连续介质力 学的数值方法一一有限元法和边界元法，以及根据实测数据的统计方法，其中比较实用 的有p e c k 公式和一系列修正的计算公式。 c o r d i n g 和h a n s m i r e 对紧密砂层中的隧道开挖形成的沉降槽形式进行了研究，认为 横向沉降槽体积等于地层损失。 r e i l l y 和n e w 根据英国盾构隧道的现场实测数据进行了多元线性回归分析，得出了 沉降槽宽度系数与隧道半径的关系。 周文波根据1 2 0 余座已经竣工隧道的实测数据，用统计方法整理出横向最大沉降量 的估算公式h 5 1 。 一、周文波用统计方法整理出横向最大沉降量的估算公式： 在砂粒土中： s 麟= l 4 。6 2 4 2 ( 考) t 2 5 7 4 在砂性土中：j m 戤= 1 。3 2 e x p ( i 2 8 万6 万5 5 j ( 1 1 ) 3 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 槲雌机m x _ 2 9 0 8 睁焉“4 2 2 3 刺”5 6 式中：h 一地面至开挖面中心距离( m ) ； d 一隧道外半径( m ) ； o f s 一简单超载系数，取o f s = 2 ； i 卜隧道影响半径( m ) 。 二、盾构法施工地表沉降主要影响范围的确定： 从理论上说，地表下沉盆地展布无限远。展布情况取决于参数r 。当x = r 时， s ( r ) = o 0 0 6 s 腑。，可见，当x r 后，地表下沉量己很微小，故参数r 称要影响半径，两倍 的主要影响半径即为地表沉降主要影响范围1 6 1 。 可采用周文波提出的经验公式，来确定影响范围： ：1 5 d 宰k ( 磊h ) 一 ( 1 2 ) 、2 d 、 式中：l 卜地面至丌挖面中心距离： d 一隧道外半径： k 、n 一系数，见表1 1 表1 1 各盾构类型和十质k 、n 取值【7 】 。 砂砾土砂性土粘性土 十质 盾构类亚r knknkn 气压式盾构 0 90 5 5o 61 1 51 2 50 6 5 十压平衡式盾构 o 9 5o 6o 6 51 2 01 3 00 7 0 泥水加压式盾构 1 0 0o 6 50 71 2 51 3 5o 7 5 三、各点地表沉降值的确定 p e c k 公式的基本假定是沉降槽横剖面曲线两侧是对称的，但是实际的很多观测资料 表明，地表沉降曲线是近似对称的，如果抛开地表沉降曲线的物理意义，就可以把它看 成一条纯粹的几何曲线，盾构法施工时，管片衬砌是随着盾构推进在短时间内完成的， 因此可以把施工步骤简化为两步：掘进和支护。由于盾构施工是全段面掘进和全段面立即 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 支护，因此可以近似认为地表沉降曲线不受施工方法的影响。为了导出近似对称型或非 对称型地表沉降曲线的计算公式，采用等效结构力学模型，假设沉降槽两侧面积相等， 得出横剖面地表沉降计算公式： s ( x ) _ 2 木s 眦x ( 1 + 素) 2 2 6 , e x p - o 6 9 3 1 ( 1 + 2 6 】 “3 ) 因此，只要知道了地表最大沉降值s 。和隧道开挖影响半径r ( 受土层力学性质， 开挖方法等影响) ，就可以根据上式计算隧道横剖面上不同点的沉降值。 地表合理沉降限值的确定应根据隧道所处位置的地质水文情况，隧道丌挖跨度埋置 深度、支护种类、施工方法、施工技术，邻近建( 构) 筑物基础类型重要性程度，受影 响管线的材质、型式、年代、使用状况及与隧道的空问关系等因素来综合考虑，从结构 受力安全和稳定要求及环境保护两个方面来制订合理的地表沉降限值。 应该指出的是，近年来关于城市地铁隧道施工对地表沉降影响的研究己经引起了工 程界的高度重视，尽管如此，但是由于研究对象的复杂性，对这个问题仍然缺乏系统的 研究，主要表现在以下几个方面： 1 不同隧道埋深、不同地层类型、不同断面以及不同施工方法的隧道，在地表产生 的沉降曲线特征以及沉降范围的预测。 2 在计算地表沉降时，目前的计算理论基本不考虑隧道施工过程中，由于施工扰动 以及土层含水量的变化对土的强度参数的影响。 3 不管土质是处于饱和状态还是非饱和状态，一律采用传统的饱和土力学理论来解 决工程设计问题。导致设计偏于保守。 4 对地下管线的变形指标缺乏明确的选择，对地下管线的变形与地表沉降的关系缺 乏研究。 上述问题都属于“施工扰动对环境影响，的重要研究课题限9 1 。 应该说，在关于地表沉陷的理论和预测机制方面，尤其是在煤炭丌采的地表沉陷方 面，我国学者的研究工作和国际同行相比毫不逊色，但是，由于地铁隧道施工方法的复 杂性，再加上城市地铁隧道施工对地面沉降的控制标准更严，例如北京地铁、广州地铁 和上海地铁对地面沉降的控制标准是不能够超过3 0 r a m ，有些重要地段，地表沉降要求 控制在1 5 r a m 之内。因此，地铁隧道的施工对地面沉降影响的预测尚处在起步阶段。 国内许多地区根据自身的特定条件、分别制定了地区性的基坑工程标准，例如广东 省、武汉市、上海市、深圳市等。按上海软土层深基坑工程经验资料，上海地铁总公司 - 气 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 根据周围环境保护要求，将基坑变形控制分作4 个等级，并提出地面最大沉降量和围护 墙水平位移控制要求。 1 2 2 地铁隧道施工对管线沉降影响研究现状 城市地铁隧道施工往往处于建筑物、道路和地下管线等设施的密集区，从而导致城 市地铁隧道建设中各种工程环境问题同益突出。因而在城市地铁隧道施工中，必须保证 施工对于已有的设施所造成的影响在允许的范围内。作为城市环境保护的一个新兴课 题，许多国内外学者对城市地下工程施工对地层及邻近管线的影响研究作了很多工作， 得出许多有意义的结论，为科学评价城市地铁隧道施工对地层及邻近管线的影响提供了 一定的理论基础。地下管线是埋设在地下的管线和电缆的总称，各种城市地下管线种类 繁多，主要包括给排水管线、燃气管线、电信电缆、电力电缆、工业管线等u o l 。 城市地铁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 市地铁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，从而加大了地铁隧道施 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目前的研究现状。 1 地下管线初始应力 地铁隧道丌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、先期地层运动及坏境影响等因素共同作用 的结果。一般说来，管线安装挚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坏向应 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。 t a k i 与o r o u r k e 分析了作用在铸铁管上的内部压力、温度应力、重复荷载及安装 应力，计算了低压管在综合作用下拉应力与弯曲应变的典型值，认为作用在管线上的初 始应力大致为管线纵向弯曲应变o 0 2 - 4 ) 0 4 时对应的应力值。m o s e r 进行了螺旋肋和 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国内学 者王绍周等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 6 - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 力计算的理论方法及相应的计算公式，。 埋地管线的实际受力情况为三维应力状态，当管径较小且埋深较浅时内外压力引起 的径向应力和环向应力相对较小一般都小于其抗拉、抗压强度而隧道丌挖对他们影响 又很小对管线的安全不起控制作用可以只考虑由于隧道丌挖而在管线中引起的纵向弯 曲应力或接头脱丌应力。 2 管土相互作用 地铁隧道施工中，因周围土体受到施工扰动产生位移，带动邻近管线发生不均匀沉 降和水平位移。同时，由于管线的刚度大约为土体的1 0 0 0 3 0 0 0 倍，必然会对周围土体 的移动产生抵抗作用。a t t e w e l l 认为地铁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问位置来确定，当隧道掘进方向垂直于管线延伸方向时，对 管线的影向主要表现在管线周围土体的纵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1 1 2 1 由于大部分地下管线埋置深度不大，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 采取足尺试验研究了埋置深度0 7 5 m ，直径1 0 0 m m 的铸 铁管置于不同土体中时在邻近丌挖影响下的性状改变情况，试验成果表明管线的移动轨 迹与所处地层土体移动轨迹相吻合；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 m m 的铸铁管在埋深1 0 m 条件下对邻近开挖的响应，分析结果表明，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抵抗能力；a h m e d 等采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数值；m o l n a r 等对芝加哥l u r i e 医 疗研究中心工程中深基坑开挖对邻近地下管线影响的研究中假设管线与周围土体一起 移动的情况下，管径1 5 0r n m - 5 0 0m m 的地下管线预测变形值与现场实测数据相符。 但是，当地下管线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。国内学者蒋洪胜等曾对上海地铁一号线某段盾构法施工对 上部管径2 6 m 的合流污水管产生的影响及处理的措施进行过研究。深圳地铁已有的实 测结果也表明位于大直径( 2 m ) 的管线上的地表沉降值小于没有管线时的地表沉降值。尽 管大管径管线抵抗土体移动时会增加管线自身的应力，但由于管线自身强度较大( 主要 7 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 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剧烈，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1 1 3 1 。 3 地下管线的破坏模式及允许变形值 考察地下管线在地层移动及变形作用下的主要破坏模式，一般有两种情况：一是管 段在附加拉应力作用下出现裂缝，甚至发生破裂而丧失工作能力；二是管段完好，但管 段接头转角过大，接头不能保持封闭状态而发生渗漏。管线的破坏可能主要是由其中一 种模式控制也可能是两种破坏模式同时发生。对于焊接的塑料管与钢管由于接头强度较 大可能只需计算其最大弯曲应力就能预测管线是否安全，但对于铸铁管及球墨铸铁管， 尤其是对运营年代长的铸铁管，由于其管段抗拉能力差且接头处柔性能力不足，两种破 坏模式均有可能出现。 a t t e w e l l 定义了地铁隧道施工引起的地下管线破坏模式，对于柔性管( 主要为钢管及 塑料管) 由于屈服作用产生过度变形而使管段发生破裂；而对于刚性管( 主要为脆性狄铁 管线) 破坏的主要模式有：由纵向弯曲引起的横断面破裂、由管段环向变形引起的径向 开裂和管段接头处不能承受过大转角而发生渗漏三种情况。高文华认为，对于焊接的大 长度钢管的破坏主要由地层下降引起的管线弯曲应力控制：对于有接头的管线，破坏主 要由管线允许张开角和管线允许的纵向和横向抗弯强度所决定。 为保证地铁隧道施工过程中邻近管线的安全，现行的一般作法是控制管线的沉降 量，地表倾斜及管接缝张开值。这些控制值的确定是基于若干规范和工程实践经验确定 的。然而，在实际工程应用中存在地下管线的变形不易量测以及对柔性接头管线的接头 转角无法实测的尴尬。并且，由于没有统一的理论控制标准，使得这些控制值的确定带 有一定的随意性：缺乏理论研究成果。m o l n a r 综合前人研究成果，通过理论计算与实测 资料相比较给出了各类管线的允许弯曲应力与允许接头转角值，可为进一步研究提供参 考0 4 , 1 5 j 。 4 地铁隧道施工引起地下管线的变形分析 地铁隧道施工引起的地下管线影响因素较多，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b l i i l 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 - 8 - 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 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摹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，其计算模型如图1 1 ： 亡= 今 k 图1 1 弹性地基梁计算模型 f i g 1 1c a l c u l a t e dm o d e lo f e l a s t i cg r a d eb e a m 建立地下管线的位移方程为： i d 4 w + 4 , 见4 w p = 寺 ( 1 4 ) 式中：五= ，k 为地基基床系数，k = k l + k 2 e 。一管线的弹性模量； ，。一管线的截面惯性矩； g 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 e r 地基反作用模型，讨论了由地铁隧道不同施工方法引起的地层损失 9 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 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b l i n k e r 弹性地基梁理论分析了基坑丌挖导 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 1 6 1 。 m o l n a r 基于以下两种假设，一是假设管线是连续柔性的，当管线随土体移动时只在 管段上产生弯曲而不在接头处产生转角，由于管段轴向位移很小，认为管线移动时不发 生轴向应变，管线弯曲服从b e r n o u l l i - - n a v i e r 理论；二是假设管段是刚性的，管线移动 所产生的位移全部由接头转角提供，接头不产生抵抗力矩，允许接头自由转动，接头转 角只在纵向产生，认为管线上扭矩为零，推导了地下管线在周围土体发生移动时的弯曲 应力及接头转角计算公式，分别为： ( 1 ) 弯曲应力的计算公式： x 图1 2 管线弯曲应力计算模型 f i g 1 2c a l c u l a t e dm o d e lo f p i p e l i n eb e n d i n gs t r e s s q = + e x i z 。( z ) e z f x 。( z ) 仃，管线i 点的弯曲应力； e 一管线的弹性模量； ，z ，一分别为管线外部纤维到中性轴的侧向及纵向距离； z 。( z ) ，x 。( ) 一分别为管线在z 点的纵向及侧向曲率。 l o - ( 1 5 ) 东北大学硕士学位论丈 第1 章绪论 ( 2 ) 接头转角的计算公式 y 图1 3 管线接头转角计算模犁 f i g 1 3c a l c u l a t e dm o d e lo f p i p e l i n ej o i n ts t r i k i n ga n g l e x 旷c o s 。1 赢謦镣罱 6 ， 占，一管线上f 与点之间侧向位移差值； p “一管线上f 与点之间沉降差值； 三，一管段长度。 对于同一条管线分别进行以上两种临界状态下的分析，将计算值与允许值进行比 较，即可预测管线的安全状况。 解析法虽然能够较好地预计开挖引起的地表或地层沉降的大小和影响范围，但不能 很好地考虑土体与结构物的相互作用。 ( 2 ) 数值模拟法 采用数值模拟方法，能够较好地考虑隧道开挖引起的地层位移与管线的相互作用， 得到较为满意的结果。 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 对铸铁管线由附近地层移动引起的弯曲应变值最大可取为o 0 5 ，对球墨铸铁管线弯曲 应变最大可取为o 1 5 。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 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 对地下管线的影响位移，应用s i n g h a l 柔性接1 ：3 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，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。 对于施工对地下管线的影响的研究虽然从解析计算、数值模拟等方面有了较为深入 的研究和发展，但是对于一定的施工方法所带来的管线安全问题等相对研究还是相对较 少的。 1 3 本文研究内容 本文以沈阳市地铁二号线文体路站五里河站区间为背景，根据工程所处的工程地 质和水文地质条件，通过理论分析、数值模拟、现场监测三种手段，确定合理的地面沉 降预警值。 l 、分别从环境影响和结构安全与稳定性方面总结计算地面沉降预警值的数学方法。 2 、针对沈阳的地质条件，对不同埋深的单线和双线隧道区间用有限元软件建立模 型，计算出从地面到拱顶各土层的极限沉降值和变化趋势，为今后沈阳地铁隧道施工地 面沉降预警值的确定提供参考。 3 、对管线沉降控制标准做理论上的分析和总结。 4 、对现场监测的地面沉降和管线沉降数据进行分析和总结，并和理论计算结果进 行比较，提出建设性的意见和结论。 - 1 2 - ， 东北大学硕士学位论文第2 章地铁隧道施工引起地表变形规律及预测 第2 章地铁隧道施工引起地表变形规律及预测 2 1 地铁隧道施工方法 本文建模和数掘分析主要用到了暗挖法，这里主要介绍一下暗挖法，对于其他施工 方法在后面简单介绍一下。 2 1 1 暗挖法 暗挖法是在特定条件下，不挖开地面，全部在地下进行丌挖和修筑衬砌结构的隧道 施工方法。暗挖法主要包括：钻爆法、盾构法、掘进机法、浅埋暗挖法、项管法、沉管 法等。其中尤以浅埋暗挖法和盾构法应用较为广泛，因此，本文着重介绍这两种方法。 1 、浅埋暗挖法( 浅埋矿山法) 浅埋暗挖法即松散地层的新奥法施工，新奥法是充分利用围岩的自承能力和开挖面 的空问约束作用，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，对围岩进行加固，约束围岩 的松弛和变形，并通过对围岩和支护的量测、监控，指导地下工程的设计施工。浅埋暗 挖法是针对埋霄深度较浅、松散不稳定的上层和软弱破碎岩层施工而提出来的，如深圳 地铁区间隧道大部分采用了浅埋暗挖法施工。浅埋暗挖法的施工技术特点：围岩变形波 及地表；要求刚性支护或地层改良；通过试验段来指导设计和施工。 浅埋暗挖法施工隧道时，应根据工程特点、围岩情况、环境要求以及施工单位的自 身条件等，选择适宜的开挖方法及掘进方式。施工中区间隧道常用的开挖方法是台阶法、 c r d 工法、眼镜工法等；城市地铁车站、地下停车场等多跨隧道多采用柱洞法测洞法 或中洞法等工法施工。 地下铁道是在城市区域内施工，对地表沉降的控制要求比较严格，所以更要强调地 层的预支护和预加固，所采用的施工方法有超前小导管预注浆、开挖面深孔注浆、管棚 超前支护。浅埋暗挖法的施工工艺可以概括为“管超前、严注浆、短丌挖、强支护、快 封闭、勤量测”1 8 个字。 2 、盾构法 修建地铁随道盾构法施工是以盾构这种施工机械在地面以下暗挖隧道的一种施工 1 3 东北大学硕士学位论文第2 章地铁隧道施工引起地表变形规律及预测 方法。盾构是一个既可以支承地层压力又可以在地层中推进的活动钢筒结构。钢筒的前 端设置有支撑和丌挖土体的装置，钢筒的中段安装有顶进所需的千斤顶；钢筒的尾部可 以拼装预制或现浇隧道衬砌环。盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装( 或现浇) 一环衬砌，并向衬砌环外围的空隙中压注水泥砂浆，以防止隧道及地面下沉。盾构推进 的反力由衬砌环承担。盾构施工前应先修建一竖井，在竖井内安装盾构，盾构丌挖出的 土体由竖井通道送出地面。按盾构断面形状不同可将其分为：圆形、拱形、矩形、马蹄 形4