頂管施工對鄰近地下管線的影響預(yù)測探討

陳剛

（南京測繪勘察研究院有限公司江蘇南京210000）

頂管施工對鄰近地下管線的影響預(yù)測探討

陳剛

（南京測繪勘察研究院有限公司江蘇南京210000）

城市頂管施工過程中不可避免的會造成管線平面位置土體位移，進(jìn)而對地下管線造成危害，當(dāng)前有關(guān)這方面問題的研究不是很多?；诖?，文章利用Peck公式對頂管施工引起管線平面位置土體豎向位移的情況進(jìn)行了計算與分析，簡化地下管線受力模型，得到基于極限彎矩、理論彎矩、管線變形計算的相關(guān)方法，希望可以為同行業(yè)人士的研究提供一些參考。

頂管施工；鄰近；地下管線；影響；預(yù)測

頂管施工很容易會造成鄰近地下管線變形、位移，如果變形劇烈將會造成管線破損，進(jìn)而引發(fā)管線故障等不良后果。如果施工過程中能夠?qū)芫€安全度進(jìn)行有效控制，就可以在允許范圍內(nèi)始終保持最佳狀態(tài)。土層本身具有一定應(yīng)力，施工過程中不能避免的會遇到斷層等問題，這將會對地下管線造成不小的影響，因此必須在施工之前將土層應(yīng)力估值計算工作做好，通過預(yù)測減小誤差。

1 作用機(jī)理分析

頂管施工之所以會引起土體變形，主要和土體損失、掘進(jìn)機(jī)與土體之間的摩擦力等直接相關(guān)，其中最為主要的影響因素是土體損失，掘進(jìn)機(jī)通過4h（h表示頂管軸線埋深）之后，不需要對正面附加推力、摩擦力的作用進(jìn)行考慮。所以，本文僅需要考慮土體損失對地下管線帶來的影響。圖1為大家呈現(xiàn)了管線受到隧道開挖的影響，其中d表示管線外直徑，R表示隧道外半徑，而z0表示管線軸線與地面的距離，管線和頂管開挖方向正相交時，受力情況是最為不利的，所以本文僅針對這種工況下管線的受力情況進(jìn)行預(yù)測。

圖1 頂管施工對地下管線的影響

開始頂管開挖之前，管線會受到上部下部土的壓力及反力作用而保持平衡狀態(tài)，隧道開挖以后由于土體損失，隧道周圍的土體會發(fā)生移動，進(jìn)而出現(xiàn)土體沉降，這時管線底部土體就會出現(xiàn)沉降，土體反力會隨之減小。土體沉降屬于小變形，加上受到卸荷膨脹的影響，管線和底部土體指不分離的。因?yàn)橥馏w反力減小，管線就會受到上部附加壓力的影響。由于頂管施工造成的土體沉降逐步增大，待掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)一段時間以后，沉降將會達(dá)到最大值，這種情況對管線極為不利。這時管線不會發(fā)生變形，受到的彎矩是最大的，但是管線的實(shí)際剛度有限，在附加壓力的影響下將會出現(xiàn)管線變形的問題。由于存在管線剛度，在附加壓力的影響下，產(chǎn)生的沉降量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于底部土體沉降量。上部附加壓力主要需要由底部土體反力和管線共同來承擔(dān)，其承受的土體附加壓力應(yīng)該與福安縣、底部土體沉降差土體壓力的和相等，這種管線所承受的彎矩達(dá)不到極限彎矩的大小。

如果管線變形過大，或者理論彎矩過大，這時管線就可能會受到破壞，我們將極限彎矩看做是綜合性評價指標(biāo)，管線遭受破壞的可能性會隨著極限彎矩的大小而發(fā)生變化。

2 地下管線產(chǎn)生的彎矩及變形預(yù)測

2.1 地下管線受力模型假定

本文對管線受力模型進(jìn)行了以下幾種假定：①土體是一種均質(zhì)線彈性體，管線是一種連續(xù)彈性體，它的截面基本保持不變，不需要對初始應(yīng)力進(jìn)行考慮；②由于隧道開挖出現(xiàn)的土體移位損失將會嚴(yán)重影響管線；③由于隧道開挖引起的土體位移不會受到原來管線的影響；④管線長度通常都比其直徑大，因此可以將其簡化成彈性地基梁進(jìn)行計算。對于長距離管線來說，只需要對由隧道開挖影響區(qū)的管線受力情況進(jìn)行考慮，不需要對地基邊界無沉降區(qū)域的相關(guān)連續(xù)性進(jìn)行考慮，其模型基本上和Winkler相一致，所以可以將其假定成Winkler地基模型；⑤管線截面主要會受到環(huán)向輻射狀地基反力的影響，本文主要對管線整體受力進(jìn)行分析，因此我們可以用集中力取代原有輻射狀的地基反力，如圖2。

圖2 管線受到地基反力等效簡化

要想對極限彎矩、理論彎矩進(jìn)行確定，首先需要對管線平面位置上土體沉降量以及管線最終沉降量進(jìn)行確定。管線平面位置上土體個點(diǎn)可能會受到隧道開挖影響，進(jìn)而產(chǎn)生豎向位移，這里我們將豎向位移記作UZ，這里可以將其看作是管線平面位置上土體卸荷的過程，那么該點(diǎn)上管線承受的等效即為：

式中：k表示管線平面位置上的地基反力系數(shù)，利用載荷板試驗(yàn)可以確定地面k0值，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深度修正，或者也可以將基礎(chǔ)剛度、彈性地基特性與地基反力系數(shù)聯(lián)系到一起，這樣我們可以將長梁的k值表達(dá)為：

式中：E0表示土變形模量，μ表示土的泊松比，EI表示管線的抗彎剛度，b表示地基梁寬度，這里出于對管線埋深影響的考慮，可以將管線平面位置上地基反力系數(shù)記作2k。

2.2 管線平面位置土體位移計算

利用Peck經(jīng)驗(yàn)公式可以準(zhǔn)確的描述出管線平面位置上各點(diǎn)土體位移情況，土體任意點(diǎn)（x，y，z）的沉降UZ就是：

式中：x表示與頂管軸線橫向之間的水平距離，y表示地面點(diǎn)沿著隧道掘進(jìn)方向的坐標(biāo)，yi表示頂管開挖面推進(jìn)的起始點(diǎn)，yf表示現(xiàn)在頂管開挖面的具體位置，z表示與地面之間的豎向距離，φ由標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)表查到，h表示頂管軸線埋深，Vloss表示隧道單位長度土體損失量，i表示地面沉降槽寬度系數(shù)。

Vloss的計算方法共有經(jīng)驗(yàn)方法和利用等效土體損失參數(shù)g進(jìn)行計算兩種方法，其中經(jīng)驗(yàn)方法是指按照以前的經(jīng)驗(yàn)選擇挖掘百分率，古都按出土體損失大小，假設(shè)η表示土體損失百分率，那么有Vloss=πR2η。按照Attewell提出的觀點(diǎn)，η應(yīng)該在0.5～2.5%之間，通過對國外眾多工程案例進(jìn)行研究可以得到，η21例的范圍在0.773～7.712%之間，取其平均值是3.08%。按照韓煊等人的統(tǒng)計分析可以得知，η在0.22～6.90%之間。按照等效土體損失參數(shù)g進(jìn)行計算，我們可以將單位長度土體損失量表示如下：

式中：g=ω+GP′+U3D，GP′=αGP，GP表示管道和掘進(jìn)機(jī)之間的幾何空隙，處于對注漿填充的考慮，與折減系數(shù)α相乘。通過一系列分析可一直，隨著管土剛度系數(shù)的不斷增大，管線最大沉降逐漸變小，但是影響范圍越來越大?？梢钥闯?，管線變形和土質(zhì)條件、管線彈性模量及管線尺寸相關(guān)。

3 結(jié)語

綜上所述，通過本文對管線受力機(jī)理的相關(guān)問題，提出了理論文具、極限彎矩的區(qū)別，基于Peck公式提出了極限彎矩與理論彎矩、管線變形計算的方法，這種方法在各種土質(zhì)中均使用，可以很好的對管線承受的彎矩進(jìn)行預(yù)測，同時還不會低估管線受到的最大彎矩。但是值得一提的是，地下管線被破壞的原因非常多，本文僅對管線受彎矩的情況進(jìn)行了分析，在以后的工作中還應(yīng)該進(jìn)行進(jìn)一步分分析和研究，通過本文的分析可以看出，管線變形和土質(zhì)條件、管線彈性模量及管線尺寸等因素緊密相關(guān)。

[1]杜小萍，郝鑫，趙建立.軟土地質(zhì)條件下樹根樁技術(shù)在保護(hù)鄰近頂管施工地下管線中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2013，15：103～105.

[2]高丙麗，蔡智云.地鐵隧道施工對鄰近垂直于地鐵線路管線的變形影響規(guī)律研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2015，12：59～64.

TU990.3

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2016-9-21