（模式识别与智能系统专业论文）隧道施工扰动下邻近管线的位移及其周围土体变形的研究.pdf

j 匕塞交通太堂亟堂僮i 金室垴要 摘要 城市隧道施工过程中，管线安全问题是城市现代化建设中一个亟待解决的关 键性技术问题。隧道开挖会破坏隧道周围土体的内力平衡，造成土体的变形和位 移，进而使这部分土体中既有管线承受的荷载和约束发生变化，管线的内力改变 并重分布。这样，既有管道就存在安全问题。本文对隧道施工过程中邻近管线的 位移和管线周围土体变形进行了研究，主要研究内容包括： 1 总结了地下管线的安全性判别方法及保护措施，分析归纳了管线变形参数 与地表沉降值之间的关系。以杭州市某排水管为例，通过建立有限元模型，对其 在施工中会受到的影响进行了预测。 2 分析了隧道施工对邻近地下管线位移影响参数的敏感性，主要包括管线与 隧道相对位置、管材以及管线埋深等，得出了相应规律，可供地下管线安全性评 价参考。 3 分析了隧道施工对邻近地下管线周围土体变形的影响，主要包括在土体变 形模量、管壁厚度、隧道埋深和隧道直径改变时土体变形的变化，得出了相应规 律，对隧道施工扰动下管线所受影响的进一步研究具有参考价值。 关键词：地下管线；隧道施工；沉降；土体 分类号：t u 9 9 0 3 a b s t r a ct i nt h eu r b a nt u n n e lc o n s t r u c t i o n ，t h es a f e t yo ft h ep i p e si sak e yt e c h n i c a lp r o b l e m w h i c hi nt h ec i t ym o d e r n i z a t i o nu r g e n t l ya w a i t st ob es o l v e d t u n n e le x c a v a t i o nw i l l c h a n g et h eb a l a n c eo fs o i la r o u n dt h et u n n e l ，r e s u l t i n gi n t h ed e f o r m a t i o na n d d i s p l a c e m e n to ft h es o i l ，a sw e l la st h ep i p e s ，w h i c hm a k et h ei n t e r n a lf o r c e so ft h e p i p e sr e d i s t r i b u t e t h u s ，t h ee x i s t i n gp i p em i g h tf a c er i s k so ns a f e t y i nt h i sp a p e r , t h e i m p a c to ns o i la n dp i p e sc a u s e db yt u n n e lc o n s t r u c t i o nh a sb e e ns t u d i e da n dt h em a i n c o n t e n t si n c l u d e ： 1 s a f e t yd e t e r m i n a t i o nm e t h o d sa n dp r o t e c t i v e m e a s u r e s o fu n d e r g r o u n da r e s u m m a r i z e da n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep i p ed e f o r m a t i o n sp a r a m e t e ra n dt h e s u r f a c es u b s i d e n c ei sa n a l y z e d t a k i n gaw a s t ew a t e rp i p ei nh a n gz h o ua st h ee x a m p l e ， t h r o u g hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h ei n f l u e n c ew h i c ht h ep i p er e c e i v e si nt h ec o n s t r u c t i o n i sp r e d i c t e d 2 t h es e n s i t i v i t yo fp a r a m e t e r si sa p p r o a c h e d ，i n c l u d i n gt h ed i s t a n c eb e t w e e np i p e a n dt u n n e l ，t h ee l a s t i cm o d u l u so fp i p ea n dt h eb u r i e dd e p t ho fp i p e s 3 t h ei n f l u e n c e st ot h es o i la r o u n dt h eu n d e r g r o u n dp i p eb r o u g h tb yt u n n e l c o n s t r u c t i o na r ea n a l y z e d ，m a i n l yi n c l u d i n gs o i lm o d u l u s ，w a l lt h i c k n e s so ft h ep i p e s ， t h eb u r i e dd e p t ho ft h et u n n e la n dt h et u n n e ld i a m e t e r s o m ep r i n c i p l e sa r eo b t a i n e d ， w h i c hp r o v i d e sag o o dr e f e r e n c ef o rt h es a f e t ye v a l u a t i o no fu n d e r g r o u n dp i p e s 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 ；t u n n e lc o n s t r u c t i o n ；s e t t l e m e n t ；s o i lb o d y c l a s s n 0 ：t u 9 9 0 3 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：陈童疋 签字日期：勿湄年易月f 日 新繇柱呶均乙 签字同期：芴够年月日 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。 学位论文作者签名： 傅岔 签字日期：z 纺够年d 月 日 6 2 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。在此衷心感谢两年来 杨成永老师对我的关心和指导。 在撰写论文期间，张强、刘韦平等同学对我论文中的部分研究工作给予了热 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。 1 1 选题背景 1 引言 随着城市人口密度的不断增加，许多大城市存在人口膨胀、交通拥挤等问题。 为缓解人口增长对城市环境造成的压力，许多城市将修建地下轨道交通作为个 解决办法。城市地铁不仅安全可靠、准时方便，而且它占用土地少，基本上不破 坏地面景观；城市地铁将部分地面交通转移到地下，能够极大地缓解城市交通拥 挤问题；许多城市地铁不仅起到交通运输的作用，而且在战争时期还发挥了防空 掩蔽所的作用。早在1 8 6 3 年，英国伦敦采用明挖法建成世界上第一条地铁线路， 线路全长6 4 k m 。而后1 8 9 0 年在伦敦首次使用盾构法施工，建成另外一条电气化地 铁线，全长2 k m 。从此，城市地铁进入了一个飞速发展的时期。 目前，交通条件严重恶化、道路交通严重阻塞的局面在中国一些大城市上演。 这些城市空气和噪声的污染严重，对居民的身心健康构成威胁。发展城市地铁， 不仅可以缓解地面交通阻塞和解决居民乘车难的问题，还有利于城市环境保护。 1 9 6 5 年在北京开始修建第一条地铁线，一期工程全长2 2 1 7 k m ，于1 9 7 1 年投入运营； 二期工程地铁环线1 6 1 k m 也建成通车。至) j 2 0 0 0 年北京地铁已经有5 5 k m 投入正式运 营。此外，目前还同时有几条地铁线在建或者规划修建。除此之外，我国其他大 型城市，如上海、广州、南京、杭州、深圳等，因为经济发展的需要，已经开始 兴起地下铁道建设的高潮。同时，地下通道等地下构筑物也需要配合修建。 城市隧道施工引发了相关的环境问题。譬如地表沉降会使邻近建筑和公用设 施倾斜、扭曲等；大的地表沉降还会致使房屋倒塌。地铁线路经过之处，需要将 原来的地下设施如给排水管道、地下电缆线路等改道，需要对邻近建筑物进行加 固处理。地铁运营时，车辆与轨道系统的振动和产生的噪音也会使附近居民产生 生理上的不快。因此，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。 城市各种地下管线种类繁多，一般主要包括上下水、煤气、污水、雨水、电 信等管线及热力管沟、电力管沟和人防管线等。隧道施工引起的地层位移将带动 管线产生变形，如果隧道埋深较大，且地表沉降控制的很好，管线可能就基本不 受影响，假如是浅埋隧道施工，就应考虑管线的保护措施或改移方案。研究隧道 施工对于管线的影响，以及对管线的保护是城市隧道建设面临的普遍任务。 1 2 研究意义 在隧道施工过程中，由于存在地层损失，会产生地表沉降，导致邻近既有管 线变形。由于岩土工程本身的复杂性以及相关理论的不完善，既有管线研究尚处 于发展阶段。城市隧道施工中，周围土体受到施工扰动引起管线不均匀沉降和水 平位移而使管线产生附加应力。如果处理不当，产生的附加应力一旦超过管体的 允许强度时，管道很可能会发生破坏，造成安全事故。 由于各种管线埋深、管径、管材、保护标准各不相同，应根据管线具体情况 研究相应的处理措施。但是目前国内大部分城市地下管线信息系统并未完善，如 果建设单位对地下管线情况了解不够清楚，施工中不对管线采取相应保护措施， 就容易引起地下管线破坏，造成施工事故。如长沙芙蓉路电缆隧道施工时就曾发 生过污水管破裂事故，给j 下常隧道施工与当地居民生活带来不便，造成了重大的 经济损失；2 0 0 6 年1 月北京市东三环路京广桥东南角辅路污水管线发生漏水事故， 导致三环路南向北方向部分主辅路塌陷，污水灌入地铁十号线区间段，严重影响 施工进度及路面交通。因此如何在开挖过程中防止坍塌，并有效地控制丌挖引起 的地面沉降，以保护工程沿线地下管线的安全，已成为城市隧道施工中亟待解决 的一项重要任务。 目前的地铁设计规范都是给出一个地表最大允许沉降值，例如北京地铁和广 州地铁的施工一般都是将地表沉降控制在3 0 r a m 之内，认为这样基本上可以控制 管线和建筑物的变形。这个控制值的确定是基于若干规范和工程实践经验，具有 相当程度的可靠性，但是这个控制值的确定带有一定的随意性。管线与隧道的空 间位置不是一成不变的，管线的设防级别也是不同的，当地表沉降控制在3 0 m m 之内时，对于有些管线来说是绝对安全的，但是，当管线离隧道距离较近时，尽 管地表沉降值没有超限，管线的安全却未必都能够得到保障。 管线的变形虽然可以实测，但在实际工程应用中存在一些问题：首先管线埋 置于地下，不易量测其变形和应变，其次对于柔性接头的管线，判断管线变形的 接头转角根本无法实测。存在的问题还包括对施工扰动引起周围土体工程性质的 改变和施工中管线与土体介质的变形、失稳与破坏的发展过程认识的不足；或者 已经意识到，但是由于隧道施工方法的多样性和工程地质以及水文地质条件的复 杂性，对这个课题的研究无论是从广度还是深度来说，都还不够。要解决这些问 题，首先在施工前要能正确地预测管线的受力和变形，其次综合考虑管线的使用 功能、埋设年代、材质、构造、接头形式等诸因素，定量掌握城市隧道施工对管 线的影响程度，以便在施工中做出比较合理的技术决策和应变措施。因此，在地 下管线密集的市区施工，较为准确的预测隧道施工扰动对管线的影响，科学的采 取管线保护措施是非常重要的。 1 3 研究现状与不足 1 3 1 地下管线的初始应力 地下管线的初始应力是指城市隧道开挖之前地下管线就承受的应力，由先期 地层运动、上覆土层的压力、动静荷载、安装应力、管道内部工作压力及环境影 响等因素共同作用形成。例如，在上覆土压力与动静荷载的作用下，管段横断面 会趋于椭圆，同时管段应力的也会发生改变；当管线埋置在不同的土层中时，管 线不同部位也会产生不同的应力状态：例如，管线周围土体湿度的变化会引起管 线各部位的腐蚀，导致管线的强度降低，而管线埋置于温差较大的土层会使管线 各部位产生应变等；当管线安装挚层没有充分压实，或者由于其他原因导致不均 匀沉降的时候，管段应力增加或接头转角增大都有可能发生；当管道内外压力不 同的时候，管段会产生环向应力。 国内外学者对地下管线的初始应力进行了较多的研究。o r o u r k e 与t a k i 对作用 在铸铁管上的重复荷载、温度应力、内部压力和安装应力进行了分析，得到了低 压管在综合作用下拉应力与弯曲应变的典型值，并作出了作用在管线上的初始应 力大致为管线纵向弯曲应变为0 0 2 0 0 4 时对应的应力值。美国犹他州立大 学的学者和研究人员进行了对聚氯乙稀管、螺旋肋钢管、低劲性加肋钢管的应力、 应变和应力松弛试验，并得出一些结论【2 】。国内学者也对各类压力管进行了轴向应 力、支座荷载等方面的研究，提出了一些地下管线初始应力计算的理论方法以及 计算公式【3 1 。 1 3 2 地下管线与周围土体的相互作用 国内外学者的主要研究项目是管线与周围土体之间的相互作用力对工程的影 响。在隧道施工过程中，由于地下管线周围土体受到施工扰动而移动，管线也会 产生一定的不均匀沉降和水平位移，管段上就会产生附加应力；地下管线管材的 弹性模量一般是周围土体变形模量的数千倍，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 认为管线在隧道施工引起土体移动时的所受的影响可从管线与隧道 轴线相对空间位置来确定。当隧道轴线平行于管线轴线时，管线所受的影响主要 表现为周围土体对管线的轴向拉压作用；当隧道轴线垂直于管线轴线时，管线所 受的影响主要表现在管线周围土体的纵向位移导致管线弯曲应力的增加及接头转 角的增大；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【4 j 。 研究成果【l 】表明，对管道直径不大的地下管线，假设其对周围土体移动不产生 抵抗作用，将沿土体的移动轨迹变形是可行的。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开挖影响下的性 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 r a 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；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丌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 0 m m , - 一5 0 0 m m 的地下管线预测变形值与现场实测数 据相符。 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，增大 了管线破坏的风险，在隧道施工中要引起重视。对地层运动比较剧烈，管材、接 头比较脆弱，运营年限久的大管径管线应该进行专门的安全性评估。国内学者蒋 洪胜等以上海地铁二号线工程为背景，通过在地下污水管道周围的地层中测定地 层的超孔隙水压力和土层的移动( 包括地层的分层沉降以及地层在两个方向的水平 位移) ，研究了盾构法隧道穿越地下污水管道时盾构推进与地层移动的相关性1 5 1 ， 认为由于地下污水管道自身具有一定的刚度，对盾构掘进引发的地层移动产生一 种遮拦作用而使地层移动特征发生变化。不过a t t e w e u 认为尽管大管径管线抵抗土 体移动时会增加管身的应力，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【3 l 。 概括说来，现阶段管土相互作用模型主要有存在以下几种：弹性地基梁模型、 土弹簧模型和非线性接触模型6 1 。 1 弹性地基梁模型 弹性地基粱模型是一种静力分析，主要考虑土体最终位移对管线的作用，假 设前提如下：管线为梁模型，而且管线周围土体均匀分布。 2 土弹簧模型 土弹簧模型最早来源于地下结构土结相互作用分析简化模型，它的主要原理 是将管线周围土体简化为一系列的等效弹塑性弹簧。 4 3 非线性接触模型 管一土作用是单相的接触问题。两个物体间的初始接触面可以是一个或数个 点，也可以是一条或数条曲线。如果物体分别是有支撑的，则初始接触面可能是 空集，只是荷载达到一定程度时，才发生接触。一般来说，接触面将依赖于加载 方式、加载水准、弹塑性常数及接触面性质。 由于管线埋设在土体内，在管一土结构的计算模型中，管线与土体之间的联 结可采用以下两种方式：一是假定管线与土体之间是完全固定的，没有任何相对 位移，管线的应变等于它周围土体的应变。二是在管线和土体之间采用接触单元， 如果管线用实体单元模拟，可在管线的两侧用两个接触单元。在接触单元内，管 线与土体之间的接触力是连续分布的，为了模拟管一土相互作用，可在接触单元 内多布置一些高斯积分点，逐点进行非线性分析。这两种联结方式，固定联结是 比较简单的。一般说来，如果计算的目的在于了解结构的承载能力和整体反应， 可以假定管线与土体是固定联结的。如果需要了解管线与土体之间摩擦力的分布， 则要采用接触单元。考虑到在地层移动时管线与土体的接触情况还没有统一的规 律及公式，本文采用管线与土体的固定联结方式进行分析。 1 3 3 地下管线在隧道施工影响下的变形研究 目前对地下管线的受力变形计算研究主要有解析法与数值模拟法两种。 1 解析法 解析法是使用数学分析的方法，如微分、积分、特殊方程等，列出方程，用 解析的方式，求出比较正规的函数解。这样可以解决的问题有限，因为很多实际 问题是不能用函数简单模拟的。 z 褒芴2 z 舅2 z 刃虿宓敖窃z 罩；5 露 j i = = j 啐 地下管线 图i - i 弹性地基梁计算模型1 7 j f i g 1 1t h em o d e lo f e l a s t i c a l l yf o u n d a t i o nb e a m a t t e w e l l 基于w i n k 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【3 1 。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，其计算模型如图1 1 ，建立地下管线的位 移方程为： j 匕塞銮道太堂亟堂僮论室星i直 等枷4 砟= 寿 m ) 式中：五=，其中k 为地基机床系数，k = k i + 墨； 耳管线弹性模量； 厶管线截面惯性矩； q 作用在管线上的压力。 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【8 】。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【9 1 。 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，m o l n a r 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，分别为川弯曲应力的计算 公式( 模型如图1 2 所示) ： 图l - 2 管线弯曲应力计算模型 f i g 1 - 2t h ec o m p u t a t i o nm o d e lo f p i p e l i n e sb e n d i n gs t r e s s q = e x ，z ”( x ) e 毛x ”( ) ( 1 - 2 ) 式中：q 管线i 点的弯曲应力； 6 e 一管线的弹性模量； 而，毛分别为管线外部纤维到中性轴的侧向及纵向距离； z ”( v ) ，工”( i ) 分别为管线在i 点的纵向及侧向曲率。 z j k 一 p 扣 一 图1 3 管线接头转角计算模型 f i g 1 - 3t h ec o m p u t a t i o nm o d e lo fp i p e l i n e sj o i n tc o m e r 接头转角计算公式( 模型如图1 3 所示) ： 口，：c o s 一- 干鱼丝丝叁兰丝一 ( i - 3 ) j 心k p j ? + l j ? + s j ? 、0 p 0 + l 0 + s 孑 式中：乃管线上i 与j 点之间侧向位移差值； 办管线上i 与j 点之间沉降差值； l ，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，可以作为预测管线的安全状况的方法。解析法、经验法虽然能够较好地 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 数值模拟是以不用具体的函数表达式，而是用多个点的数值表示函数的方法， 来解实际问题的解法。数值模拟方法广泛适用于很多实际问题。 吉小明等( 2 0 0 2 ) 采用二维平面有限元对浅埋暗挖地铁隧道开挖过程进行了模 拟研究，研究了不同开挖方式对地表沉降的影响【l o 】。实际上隧道开挖施工过程是 三维开挖过程，采用平面有限元分析无法模拟空间效应。李德才等( 2 0 0 0 ) 采用三维 有限元对广州地铁二号线的施工过程进行分析，对地层沉降和水平位移进行模拟 7 计掣1 1 1 。m r o u e h ( 2 0 0 3 ) j l 宙过建立三维仿真模型模拟计算了软土隧道和上部结构的 相互影响问题【l 引。 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，建议对铸铁管线由周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0 1 5 【l 】。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【b 】，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【m 】。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【l 5 1 。 1 3 4 地下管线的破坏模式 地下管线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由其中一种模式控制也可能两种破坏同时发生：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， 管段抗拉能力差且接头处柔性能力不足， 尤其是对运营年代长的铸铁管，由于其 两种破坏模式均有可能出现。 文献 1 定义了隧道施工引起的地下管线破坏模式：一、柔性管( 主要为钢管 及塑料管) 由于屈服或绕曲作用产生过度变形而使管段发生破裂；二、刚性管( 主 要为脆性灰铁管线) 破坏的主要模式有：( 1 ) 由纵向弯曲引起的横断面破裂，( 2 ) 由管段环向变形引起的径向开裂，( 3 ) 管段接头处不能承受过大转角而发生渗漏。 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，破坏主要由管道允许张开值和管线允许的纵向和横 向抗弯强度所决定【9 1 。 1 3 5 地下管线的安全性判别方法 常用地下管线安全性判别方法根据地下管线破坏模式一般分为应力判别法和 管道张角判别法两大类。 刚性地下管线采用材料力学中的强度理论进行强度校核。具体步骤如下： 计算地下管线的内力：弯矩和剪力，确定其所承受的最大弯矩和剪力；确定地 下管线截面最大应力，并与材料的容许应力比较判断其安全性。 柔性管线一般设有接头，且设有可适应一定接缝宽度的接缝填料，可由管节 接缝张开值求得管线的允许变形。 1 应力判别方法 地下管线内力计算包括弯矩m 和剪力q 的计算。地下管线剪力分为竖直方向 和水平方向两部分剪力，其具体计算参见1 6 】。地下管线最大弯矩为竖直方向和水 平方向最大弯矩之和，即： m 一= m ，衄2 + 帆一2 ( 1 4 ) 管线横截面所受的最大压应力、拉应力为： 5 等 1 5 ) 式中：w 抗弯截面系数，计算公式如下： w ：d 3 , - r ( 1 - 0 4 ) ( 1 6 ) 3 z 式中：a = d d ；d 和d 分别为地下管线外径和内径。 应力判别法按下式进行判别【1 7 1 ： 【盯j ( 1 - 7 ) 式中：管道横截面最大拉、压应力： 【o 】管道材料的容许抗拉、压应力。 以输油管道为例，钢管的允许应力计算公式为： 【仃】2 k o r , ( 1 8 ) 式中： o 】允许应力( m p a ) ； k 设计系数，输油站外取为0 7 2 ， 啦一焊缝系数； 仉钢管的最低屈服强度( m p a ) ， 9 输油站内取为o 6 0 ： 应符合表1 1 的规定。 表1 - 1 钢管的最低屈服强度和焊缝系数 t a b l e1 - lt h el o w e rl i m i to fy i e l da n df a c t o ro ft h ew e l do fs t e e lp i p e 钢管标准名称钢号或钢种最低屈服强度( m p a )焊缝系数 1 6 m n3 2 5 承压流体输送螺旋缝埋弧焊铜管0 9 q 2 3 5 ( a 3 ) 2 3 5 1 6 m n3 2 5 ( 胁1 5 m m 为3 1 5 ) 输送流体用无缝钢管1 0 2 02 3 5 s 2 0 52 0 5 $ 2 4 52 4 5 $ 2 9 02 9 0 笮i 油、天然气输送管道用螺旋缝埋s 3 1 53 1 5 弧焊钢管与石油、天然气输送管道用直 $ 3 6 03 6 01 o 缝电阻焊钢管$ 3 8 53 8 5 s 4 1 54 1 5 $ 4 5 04 5 0 $ 4 8 04 8 5 2 管道张角判别方法 ( 1 ) 管道接头张角判断 图1 4 柔性管变形 f i g i - 4t h ed e f o r m a t i o no f f l e x i b l ep i p e l i n e s 柔性管接头一般设有可适应一定接缝开度的接缝填料。对于这类管线，可从 管节接缝张开值，求得管线的允许变形。如图1 4 所示，管线变形曲率半径为r ， 管节长度为1 ，管线外径为d 。 根据几何关系6 d = i r 可得管线接头接缝张开值： 万：丝 r ( 1 9 ) 若已知管线接头允许接缝张开值【6 】，则管线允许曲率半径为： 1 0 陆两l d ( 若实际计算所得的曲率半径r 不小于允许曲率半径 r 】，则地下管线是安全的， 否则，管线会因变形过大而产生破裂，或在接头处因接缝张开过大而漏水或漏气。 2 管道接头抗拔力判断 柔性接头( 承插式) 管道大都是由橡胶密封圈密封的。密封圈的存在使得管道内 壁与之产生了摩擦力，摩擦力用以阻止管道有位移时管节发生脱离。该摩擦力称 为抗拔力。抗拔力需经过抗拔试验得到，s i g n a l ( 1 9 8 4 ) 在试验的基础上得到了如 下的抗拔力公式： 乞= 5 x a e , 聊脚 式中：i i 橡胶密封圈与管道的摩擦系数，约为o 1 ； 卜橡胶密封圈的直径； i 管道接头间隙，为( p 一) 2 ； 丘- 橡胶的等效弹性模量，约为2 5 5 m p a ； e ，广分别为管道接头内径和管道外径。 如果计算得到的管道接头处的拉力p 小于p 嗍，则管道处于安全状态，否则为 不安全状态。 1 3 6 地下管线的控制标准 邻近施工的大前提是避免对已有重要管线造成不利影响。容许值被用来定量 表示这一不利影响的程度，一般采用小于容许值的指标作为施工管理标准值。目 前国内外在工程实践中常用的主要有以下几个控制标准。 1 管线变形控制标准 承插接口及机械铸铁管道和柔性接缝管道，每节许可差异沉降为： l 10 0 0 ( l 为管节长度) ； 国内如北京地铁、重庆地铁等施工总结的相关技术标准规定，地表最大斜 率为：2 5 5 m m m ： 上海市政部门对煤气管线的允许水平位移规定为：1 0 m r n - - 一1 5 r a m ； 德国建筑标准规定：管线允许水平变形为0 6 m m m ，容许倾斜变形为1 2 m m m 。 2 管节弯曲应力控制标准 管节中纵向弯曲应力对管线的受力起控制作用，故管节中的弯曲应力小于容 许值时，管道可正常使用，否则产生断裂或泄漏。 3 管接缝张开角控制标准 当管线接头转动的角度或接缝张开角小于允许值时，管道接头处于安全状态， 否则也将产生泄漏或破坏，影响使用。根据试验数据，接缝允许张开值 6 】可取为 0 9 2 5 m m ，即当管节长度为l 时，直径为d 的管线在管线沉降曲线曲率r 最大处，接 缝的张开值需满足： 艿= 坳r 【万】 ( 1 一1 2 ) 1 3 7 地下管线的保护措施 城市隧道施工导致管线损坏的原因可归结为土体位移或变形使管线变形超过 极限值或受力过大，应力超过强度极限而发生破坏。因此，隧道施工中对管线的 保护也是从这两方面采取相应措施。 1 隔离法 通过钢板桩、树根桩、深层搅拌桩等形成隔离体，限制地下管线周围的土体 位移，阻止因打桩、压桩、顶管等施工时产生的挤压力、振动力传到管线上，同 时也可起消振隔振作用。这种方法较适合管线埋深较大而又临近隧道断面的情况。 对于管线埋深不大的也可通过挖隔离槽方法，即将管线挖出悬空。隔离槽一定要 挖深至管线底部以下，才能起到隔断挤压力和振动力的作用。 2 悬吊法 如果土体产生较大位移，而采用隔离法将管线挖出后，中间不宜设支撑，此 时可考虑悬吊法固定管线。吊索的变形伸长以及吊索的固定点位置应不受土体变 形的影响。悬吊法中，管线受力、位移明确，并可以通过吊索不断调整管线的位 移和受力点。 3 支撑法 对于土体可能产生较大沉降而造成管线悬空的情况，可沿线设置若干支撑点 支撑管线。支撑体可考虑是临时的，如打设支撑桩、砌支墩等；也可以是永久的。 对于前者，设置时要考虑拆除时的方便与安全。对于后者一般结合永久性建筑物 进行。 4 土体加固法 隧道施工时，可能由于土体超挖和坍塌而导致地面沉降和土体位移的情况， 可以采取注浆加固土体的办法。是施工前对地下管线与施工区之间土体进行注 浆加固；二是施工结束后对管壁松散土和空隙进行注浆充填加固。也可用旋喷法、 深层搅拌法、分层注浆法加固管线周围的土体，来达到保护临近地下管线的目的。 5 对管线进行搬迂与加固处理 1 2 对于便于改道搬迁，且费用不大的管线，可以在隧道施工之前临时搬迁改道， 或者通过改善、加固原管线材料、接头方式，设置伸缩节等措施，增大管线的抗 变形能力，以确保土体位移时也不失去使用功能。 6 卸载保护 施工期间，卸去管线周围荷载，尤其是上部的，或者通过设置卸荷板等方式， 使作用在管线及周围土体上的荷载减弱，以减少土体的变形和管线的受力，达到 保护管线的目的。 7 合理选择施工工艺 隧道施工方法对地层的沉降情况起着至关重要的作用。为了保护管线，可以 选择影响最小的隧道施工方法。 各种保护地下管线的方法，实际中如何选用要视具体的管线性质( 如管线使 用功能、管材、接头构造、基础型式、管径、管节长度以及管内压力等) ，管线 埋深、走向和隧道工程的类型、规模、施工工艺以及地质地形等现场条件而定。 同时还要考虑费用、工期长短等因素。在选用保护措施时尽可能结合对邻近建筑 物的保护一同考虑，以降低保护费用。 1 3 8 存在的问题与不足 地下管线受到隧道施工的影响问题的研究涉及到市政工程、地下工程、工程 风险评估等众多学科，在地下管线初始应力、管一土相互作用、应力变形计算、 管线变形允许值等方面均有待深入。 1 地下管线的初始应力是由先期地层运动、上覆土层的压力、动静荷载、安 装应力、管道内部工作压力及环境影响等因素共同作用形成的。目前所做的研究 针对于单一因素的比较完善，然而靠简单叠加并不能准确反映初始应力由上述各 因素综合作用的结果。目前对初始应力的估计还大部分依赖于经验，而实际条件 通常是复杂多变的。因此建立比较有效的管线初始应力计算理论，为管线变形允 许值的确定提供理论基础是非常有必要的。 2 在土一管相互作用的研究上，目前大部分学者仍然假设管与土紧密接触， 不发生相对位移。这种假设对小管径管线且埋置土层工程性质好的情况是适用的， 但由于大管径管线会对周围土体的移动产生明显抵抗作用，这种假设不再适用。 同样，如果管线所处地层土体含水量较大，在土体产生移动时土一管间也存在相 对位移，该方面的研究工作有待进一步加强。 3 管线控制标准应该综合考虑管材、管径、接头类型、管线功能、管线运营 时间、管线与隧道的相对位置、隧道施工方法等因素确定。而目前的地铁规范基 本是给出一个地表最大允许沉降值，没有依据具体情况具体分析来确定允许值， 在有些情况下可能会发生危险，也可能在有些情况下低估管线的自承能力，从而 影响施工进度，增加了工程投资。 4 现阶段比较常用的对管线的应力变形计算多是基于a t t e w e l l 等1 9 8 6 年提出 的根据w i n k e r 弹性地基梁理论分析的结果，而大部分数值模拟也是把地下管线简 化成地基梁来计算。这样得到的结论趋于保守并且在有些情况下是不适宜的；管 线接头转角大部分是根据弹性地基梁的计算结果反分析得到的，由于是把管线变 形强加到接头处使之“产生”转角，这种方法不一定适用。 随着计算机技术的发展，对隧道引起的管线位移、应力和应变分析可以采取 数值模拟，把隧道掘进与管线响应当作一个整体考虑。这样就可以得出比较合适 的系统分析成果。 1 4 本文的研究内容和思路 1 4 1 研究内容 本文主要研究内容包括以下几点： 1 从理论上分析归纳管线变形参数与地表沉降值之间的关系，得出通过控制 地表沉降来控制管线变形的方法。以杭州市某排水管为例，对其在施工中会受到 的影响进行预测。 2 采用数值模拟方法分析盾构隧道施工对邻近地下管线位移影响参数的敏感 性，主要分析管线与隧道相对位置、管材以及管线埋深变化时相应的规律。 3 采用数值模拟方法分析盾构隧道施工对邻近地下管线周围土体变形的影 响，主要包括在土体变形模量、管壁厚度、隧道埋深和隧道直径变化时土体变形 的变化，得出相应规律。 1 4 2 研究思路 1 通过查阅大量文献，利用解析法确定地表最大沉降值与地下管线的变形及 应变的关系，这样就可以在工程中通过控制地表沉降值来间接控制隧道施工对地 下管线的影响。最后采用数值模拟法对一个工程实例进行分析，判断其是否需要 采取措施对地表沉降值进行控制。 2 隧道施工时邻近地下管线的位移受到管线与隧道空间相对位置、管材、埋 深、下卧层土质、管线与周围土层的相对刚度、施工方法等诸多因素的影响，为 1 4 了便于分析规律，本文在考虑某一因素的影响时，假定其他条件不变。对管线与 隧道相对空间位置、管材以及管线埋深作详细分析，得出相应规律。 3 隧道施工时邻近地下管线周围土体的变形受到很多因素的影响。采用数值 模拟方法分析盾构隧道施工对邻近地下管线周围土体变形的影响，主要分析管线 走向垂直于隧道轴线时，在土体变形模量、管壁厚度、隧道埋深和隧道直径变化 时地下管线周围土体变形的变化，得出相应规律。 1 5 本章小结 本章对有关该课题管线方面的研究现状和不足做了综述，包括管线的变形、 受力、破坏标准及管线保护措施等，对本文的研究内容和研究思路作了说明。 2 城市隧道施工引起的地表及土层沉降规律 隧道施工会引起地面沉降，即使采用先进的盾构技术，要完全消除地面沉降 也是不可能的。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， 掌握地层变形规律和地表沉降值的计算方法是评价隧道工程施工对管线影响的基 础。因此，必须了解隧道施工时引起地层移动，造成地面沉降的机理，对地面沉 降量和影响范围进行预测。 2 1 隧道施工扰动引起的地层变形 图2 1 地表沉降二维效果 f i g 2 - 1t h r e ed i m e n s i o n a le f f e c to fs u r f a c es e t t l e m e n t 城市隧道施工造成的地表沉降三维效果如图2 1 所示。施工造成的地层沉降， 在开挖经过的上部地表形成一个凹槽。位于该凹槽范围内以及往下的构筑物将不 同程度地受到隧道施工引发的地层运动的影响，影响的程度视沉降槽的宽度与大 小而定。地层变形可分为隧道横断面方向的横向变形及隧道开挖推进方向的纵向 变形。 下面以盾构法修建隧道为例，说明隧道施工过程中地层损失发生的几个阶段。 地面沉降的基本原因是盾构掘进所引起的地层损失和隧道周围地层受到扰动 或剪切破坏的再固结。地层损失是指盾构施工中实际开挖的土体体积与竣工隧道 体积之差。竣工隧道体积包括衬砌外围包裹的注入浆体体积。地层损失引起的地 面沉降，大都在施工期间呈现出来；再固结引起的地面沉降，在砂性土中呈现较 快，但在粘性土中则要延续较长时间。 a t t w e l l ( 1 9 7 8 ) 将盾构隧道造成的地层损失划分为四类。 面损失：即开挖掌子面附近的取土松弛所造成的损失； 1 6 防护损失：即机体洞周的径向取土空隙被周边土挤入填充，尤其是在超挖 时损失更大； 衬砌安装阶段及安装后的地层损失：主要是发生在盾尾安装衬砌管片阶 段，管片与土体间的空隙造成的损失； 注浆后的地层损失：该损失沿洞周的径向，由上覆土体荷重转移到衬砌管 片上使管片压缩造成的损失。 引起地层损失的因素是：开挖面土体移动，当盾构掘进时，若开挖面受到的 支护力小于地层的原始应力，则开挖面土体向盾构内移动，引起地层损失和地面 沉降。反之，当支护力大于原始应力时，则开挖面土体向上向前移动，引起负地 层损失和地面隆起；盾构在暂停推进时，千斤顶可能漏油回缩引起盾构后退，而 使开挖面坍塌，引起地层损失；盾尾后面的建筑问隔未能及时、有效地进行充填， 从而使周围土体挤入建筑问隔，引起地层损失( 在含水的不稳定地层中，这往往是 引起地层损失的主要因素) ；盾构在曲线推进和修正蛇行时的超挖和扰动所引起的 地层损失；在土压力的作用下，隧道变形或沉降也会引起地层损失；施工中盾构 操作失误，而引起开挖地面坍塌，或前方地质条件骤变，而使丌挖面土体急剧流 动或崩坍而造成不正常的地层损失等等。周围土体为弥补地层损失，就要向隧道 移动，从而引起地面沉降。 下面给出六个针对不同施工因素引起的地层损失的计算公式，列于表2 1 中。 表2 - 1 地层损失的计算公式 t a b l e2 1t h ef o r m u l ao fs t r a t u ml o s s 地层损欠冈素单位长度内最大地层损失 开挖面的地层损失 切口边缘后的地层损失 沿着盾壳的地层损失 盾尾后的地层损失 改变推进方向的地层损失 曲线推进的地层损失 正面障碍物引起的地层损失 g r 2 h 2 7 r r t 0 1 7 r r 2 2 宄- ( r r i ) d 卑l 毒死r z s l 2 x r ( r + 尺