超大直徑盾構(gòu)下穿地下管線的變形及其安全控制研究

王曉鋒

（國網(wǎng)上海市電力公司，上海200002）

超大直徑盾構(gòu)下穿地下管線的變形及其安全控制研究

王曉鋒

（國網(wǎng)上海市電力公司，上海200002）

城市地下管線鋪設(shè)密集，在近距離隧道施工下極易受到擾動(dòng)，因此實(shí)現(xiàn)隧道施工中地下管線的安全控制十分重要。根據(jù)施工前期地表沉降與管線受力變形關(guān)系，提出當(dāng)隧道推進(jìn)方向與地下管線垂直時(shí)，基于管線的極限變形能力確定地表沉降控制值，并依托上海虹梅南路隧道工程中的實(shí)測數(shù)據(jù)以及ABAQUS有限元軟件數(shù)值分析方法，研究超大直徑泥水盾構(gòu)施工中地埋管線的變形及安全控制的相關(guān)問題，為實(shí)際工程中管線事故的預(yù)防及控制提供參考。

盾構(gòu)法；隧道施工；地下管線；安全控制

城市地下交通的發(fā)展是當(dāng)今城市建設(shè)中的重要組成部分，而城市交通的不斷發(fā)展，離不開盾構(gòu)隧道技術(shù)尤其是同步注漿技術(shù)的迅速發(fā)展［1］。然而，無論泥水盾構(gòu)技術(shù)如何進(jìn)步，超大直徑盾構(gòu)推進(jìn)過程中仍將不可避免地會(huì)使地面出現(xiàn)沉降（或隆起），并且對周圍土層產(chǎn)生擾動(dòng)。實(shí)際工程中地下空間往往密集分布著各類管線，其運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到人民生活質(zhì)量，地下管線周圍土體的擾動(dòng)及其對管線的變形影響及控制是至關(guān)重要的研究課題。

目前盾構(gòu)隧道施工引起土體位移的計(jì)算方法中應(yīng)用最為廣泛的是經(jīng)典的Peck公式［2］。此后劉建航院士（1990）［3］等先后對此方法進(jìn)行了不斷地改進(jìn)，沈培良等（2003）［4］提出了一個(gè)盾構(gòu)法隧道縱向地面沉降曲線的數(shù)學(xué)擬合公式，姜忻良等（2004）［5］則通過回歸分析提出了不同深度土層沉降槽寬度系數(shù)的計(jì)算公式。此外，國內(nèi)外對隧道掘進(jìn)引起的管線變形研究較多［6－8］，典型的計(jì)算方法是 Attewell（1986）［6］基于Winkler彈性地基模型，提出隧道施工對結(jié)構(gòu)與管線的影響，在考慮到管線埋深的影響下引入有效地基反作用模量參數(shù)Keff。

本文結(jié)合上海虹梅南路隧道工程采用超大直徑泥水平衡盾構(gòu)施工，通過將理論計(jì)算值、數(shù)值模擬值與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析論證，總結(jié)出隧道施工過程中，乙烯燃?xì)夤芫€的變形及受力情況。

1 地層沉降計(jì)算

Peck的研究對于地表以下至隧道頂部平面以上土層，地層損失的體積假設(shè)仍然成立，即地表以下任意土層的沉降槽的體積等于地層損失，沉降槽曲線均成正態(tài)分布曲線，如圖1所示，地表橫向沉降槽曲線呈正態(tài)分布，原點(diǎn)位于隧道中心線正上方，X軸沿地表平面與隧道中心線垂直，Z軸垂直于地表向下。

圖1 各土層沉降槽正態(tài)分布曲線

地表最大沉降為δmax（0），距地表 Z處地層最大沉降為δmax（Z），i為沉降槽寬度（m），i（Z）距地表 Z處地層沉降槽寬度（m）；Z0為隧道軸線埋深（m）。二者存在以下關(guān)系［5］：

2 管線極限變形下地表最大沉降控制值

在研究管線變形時(shí)，最重要的并非管線各點(diǎn)的豎向位移，而是各點(diǎn)管線曲率?2δp／?x2。根據(jù)Attewell的研究表明，管線的最大正曲率總是發(fā)生在 x＝0處。而管線的曲率、管線所承受的彎矩和管線最外層纖維的撓應(yīng)變均可與地表最大沉降值δmax建立關(guān)系。設(shè)ρ為管線曲率半徑，則管線曲率可表示為1／ρ。

2.1 管線的彎矩與地表最大沉降的關(guān)系

根據(jù)已有的研究，當(dāng)隧道掘進(jìn)方向與管線方向垂直時(shí)，可以得到管線所受彎矩如圖2所示，可以看出，當(dāng)隧道與管線垂直時(shí)，管線彎矩最大值即為隧道正上方位置。

圖2 管線與隧道位置關(guān)系及管線彎矩簡圖

2.2 管線的曲率與地表最大沉降的關(guān)系

由材料力學(xué)的知識［9－10］，管線彎矩與曲率關(guān)系得：

當(dāng)隧道與管線垂直時(shí)管線最大曲率與管線處土層最大沉降量的關(guān)系如下［8］：

2.3 地表最大沉降的控制

實(shí)際工程中，往往不易直接測得管線變形，則需要通過控制地表沉降值來間接控制隧道施工對地下管線的影響。

由材料力學(xué)知識得管線最外層纖維的撓應(yīng)變?yōu)椋?/p>

管線彎曲正應(yīng)力為：

若已知管線允許彎曲正應(yīng)力［11］為［σ］，則根據(jù)式（5）得該管線的允許曲率為：

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程概況及基本假定

上海虹梅南路越江隧道采用直徑14.93 m泥水平衡盾構(gòu)施工，為模擬工程中工業(yè)乙烯管的受力狀態(tài)，在隧道某一區(qū)段埋設(shè)一與乙烯管材質(zhì)相同的鋼管，通過對此鋼管的變形情況的分析研究，為施工中乙烯管線的施工保護(hù)措施提供必要的數(shù)據(jù)支持。表1給出本文中工程相關(guān)參數(shù)。

表1 算例中的相關(guān)數(shù)據(jù)表

因隧道軸心線與該監(jiān)測管線近乎垂直，鋼管的總長度定為30 m，采用三根鋼管焊接而成，每根鋼管10m。鋼管埋設(shè)在奉賢施工場地內(nèi)，與隧道垂直，鋼管中心位置處于H96。鋼管每隔約2.5 m設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)，共設(shè)13個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，其中1個(gè)為基準(zhǔn)點(diǎn)，12個(gè)為監(jiān)測點(diǎn)，鋼管沉降采用BGK－4675型沉降監(jiān)測（靜力水準(zhǔn)）系統(tǒng)監(jiān)測。具體管線情況及測點(diǎn)位置如圖3所示。計(jì)算分析中，對地質(zhì)參數(shù)做適當(dāng)簡化。

圖3 測點(diǎn)分布位置圖

3.2 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

3.2.1 地表豎向位移

如前文中所述，該模擬實(shí)驗(yàn)鋼管埋置位置為H96位置處，該處地表豎向位移發(fā)展情況如圖4所示。地表沉降基本以正態(tài)曲線形式分布；而隨著施工階段的不斷變化，橫斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)大小、沉降槽的形狀以及最大沉降都在不斷地發(fā)生變化，最終穩(wěn)定豎向最大位移約為8mm。

圖4 地表豎向位移發(fā)展圖

3.2.2 鋼管豎向位移

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出鋼管的沉降槽具體發(fā)展過程圖如圖5所示。由圖5可以看出盾尾脫出10環(huán)后，由于土體受盾構(gòu)推進(jìn)擾動(dòng)的不同，鋼管中間與兩邊的差異沉降緩慢增大，各位置變形發(fā)展規(guī)律與土體豎向位移變化規(guī)律基本一致。至2012年11月5日，鋼管變形基本穩(wěn)定，最大沉降約為14mm。

圖5 鋼管豎向位移發(fā)展圖

3.3 數(shù)值模擬分析

由于研究對象隧－管為空間垂直關(guān)系，故利用ABAQUS有限元分析軟件，建立二維模型，尺寸300 m×100 m。巖土材料的本構(gòu)關(guān)系采用莫爾－庫倫模型，單元類型取CPE4，邊界條件取側(cè)面限制水平位移，底面限制水平及豎向位移；模擬鋼管采用各項(xiàng)同性彈性材料，單元類型為B21梁單元；鋼管與土層之間的接觸關(guān)系為節(jié)點(diǎn)固結(jié)，即土層和鋼管始終密切接觸。另外，為了研究鋼管在不同埋深及不同強(qiáng)度下的影響，分以下三個(gè)工況進(jìn)行分析。

（1）與實(shí)況一致，加入管線一，埋深2m；

（2）其他條件均不變，加入管線二，埋深10 m，強(qiáng)度與管線一相同；

（3）其他條件均不變，加入管線三，埋深10 m，強(qiáng)度小于管線二。

開挖步驟完成后，取對稱土體變形情況如圖6所示，土體開挖對地表沉降影響范圍約為3.5倍直徑，最大沉降發(fā)生在隧道軸線正上方。

圖6 工況1土體變形云紋圖

3.3.1 管線及土層豎向位移

圖7反映了地表、管線一、管線二及管線三的豎向變形情況。開挖步驟完成后，由各管線變形情況可以看出對于不同埋深的管線，開挖對其變形影響范圍大致相同，單側(cè)約為3倍直徑。其中地表最大沉降約為11.5 mm，管線一的最大豎向變形值約為12mm，管線二的最大豎向變形值約為13.4 mm，管線三的最大豎向變形值約為13.7mm。

圖7 地表及各管線豎向變形圖

由分析結(jié)果可得：

（1）同等施工條件下，管線二最大變形明顯大于管線一，即管線變形沉降槽最大值隨深度增大而增大；

（2）同等施工條件下，管線三最大變形大于管線二，即管線沉降槽最大值隨管線強(qiáng)度降低而增大；

（3）當(dāng)隧道與管線垂直時(shí)，地表及地表以下各地層位移基本符合前文中提到的關(guān)系式（1）。

3.3.2 管線彎矩

管線沿軸向彎矩計(jì)算結(jié)果如圖8所示，圖中，縱坐標(biāo)表示管線軸線方向的彎矩，正值為負(fù)彎矩，負(fù)值為正彎矩。由分析結(jié)果可得：

（1）隧道開挖后，隧道正上方一倍直徑范圍內(nèi)管線受到正彎矩作用，兩側(cè)兩倍直徑范圍內(nèi)，管線受到負(fù)彎矩作用，以外范圍則作用很?。?/p>

（2）同等施工條件下，管線二彎矩明顯大于管線一彎矩，即管線所受彎矩隨埋深增大而增大；

（3）同等施工條件下，管線三彎矩作用很小，即管線所受彎矩隨強(qiáng)度減小而減小。

圖8 管線沿軸向彎矩計(jì)算結(jié)果

3.3.3 土體及管線水平位移

圖9反映了地表、管線一、管線二及管線三的水平變形情況。

圖9 地表及各管線水平變形圖

由分析結(jié)果可得：

（1）隧道施工過程中，整體水平位移值較小，且由于開挖土體的損失，導(dǎo)致土體由兩側(cè)向中間擠壓；

（2）同等施工條件下，各土層土體水平變形值隨深度增大而減??；

（3）同等施工條件下，管線水平變形值隨管線強(qiáng)度降低而增大。

3.4 實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比

圖10為地表及管線的實(shí)測與數(shù)值模擬豎向變形圖。實(shí)測與數(shù)值模擬中，鋼管與地表最大豎向位移均發(fā)生在隧道軸線上方位置。其中，實(shí)測地表最大沉降約為8.2mm，管線最大豎向變形值約為14.5 mm；數(shù)值模擬結(jié)果地表最大沉降約為11.5 mm，管線最大豎向變形值約為12mm。

圖10 實(shí)測與數(shù)值模擬結(jié)果對比

由圖10可以看出，就地表沉降而言，實(shí)測值比數(shù)值模擬值小，但沉降槽形狀幾乎一致，可見該段施工中采取了較為有效的沉降控制措施；而就管線而言，實(shí)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果在數(shù)值上差異不大，但沉降槽形狀差異很大，即可能由于模擬實(shí)驗(yàn)并不能完全真實(shí)反映實(shí)際情況。

4 結(jié) 論

（1）當(dāng)隧道與管線垂直時(shí)，地表及地表以下各地層位移基本符合前文中提到的關(guān)系式（1）。另外，由于施工中采取了較為有效的沉降控制措施，數(shù)值模擬值略大于實(shí)測結(jié)果數(shù)值，但沉降槽形狀幾乎一致；

（2）同等施工條件下，管線變形沉降槽最大值隨深度增大而增大、隨管線強(qiáng)度降低而增大；隧道施工過程中，由于開挖土體的損失，導(dǎo)致土體由兩側(cè)向中間擠壓，但整體水平位移值較??；且土層水平變形值隨深度增大而減小，管線水平位移也隨管線強(qiáng)度降低而增大；

（3）隧道開挖后，垂直于隧道的地下管線在隧道正上方一倍直徑范圍內(nèi)受到正彎矩作用，兩側(cè)兩倍直徑范圍內(nèi)，管線受到負(fù)彎矩作用，以外范圍作用很??；同等施工條件下，管線所受彎矩隨埋深增大而增大，隨強(qiáng)度減小而減小；

（4）文中模擬鋼管實(shí)驗(yàn)由于邊界條件等局限性，并不能真實(shí)反映實(shí)際情況，該鋼管并不完全滿足與土體協(xié)調(diào)變形的假設(shè)，因此導(dǎo)致其實(shí)測沉降槽形態(tài)與數(shù)值模擬結(jié)果有較大差異。

［1］ 姜玉松.現(xiàn)代注漿技術(shù)的開拓應(yīng)用及發(fā)展［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2008，45（2）：6-9.

［2］ Peck R B.Deep excavations and tunneling in soft ground［R］.Proceeding of 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.Mexico City：State of the Art Report，1969：225-290.

［3］ 劉建航，侯學(xué)淵.盾構(gòu)法隧道［M］.北京：中國鐵道出版社，1991.

［4］ 沈培良，張海波，殷宗澤上海地區(qū)地鐵隧道盾構(gòu)施工地面沉降分析［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，31（5）：556－559.

［5］ 姜忻良，趙志民，李 圓.隧道開挖引起土層沉降槽曲線形態(tài)的分析與計(jì)算［J］.巖土力學(xué)，2004，25（10）：1542-1544.

［6］ Attewell PB，Yeates J，Selby A R.Soilmovements induced by tunneling and their effectson pipelines and structures［M］.London：Blackie＆Son Ltd，1986.

［7］ 張曉玲.淺談彈性地基梁的計(jì)算方法［J］.山西建筑，2008，34（5）：150-152.

［8］ 陳 敏.隧道施工擾動(dòng)下鄰近管線的位移及其周圍土體變形的研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2008.

［9］ 孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來泰.材料力學(xué)（I）［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［10］ 莫海鴻，楊小平.基礎(chǔ)工程（第二版）［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［11］ Moser A P，北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院《地下管設(shè)計(jì)》翻譯組譯.地下管設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

Deformation and Safety Control of Buried Pipelines Crossed by Super-diameter Slurry Shield-tunneling

WANG Xiao-feng
（Shanghai City Electric Power Company of State Grid，Shanghai 200002，China）

Nowadays，the urban buried-pipelines have a dense distribution and is easier to be disturbed by tunneling around，therefore，how to control the urban pipelines safely during the tunnel construction is an important subject.According to the theoretical relation between surface subsidence and pipeline stresswhen the pipeline is perpendicular to the tunnel drive，it is proposed thata control value of themaximum ground settlement is determined based on the limit deformation capacity of the pipeline.The study for the deformation and safety control of the buried-pipelines crossed by superdiameter slurry shield-tunneling in Shanghai Hong-mei South Road’s tunnel construction is carried out based on the site data and finite element simulation by ABAQUS software，so as to provide some references for the pipeline accident prevention and safety control in the future.

shieldingmethod；tunnel construction；buried pipelines；security control

U455

A

1672—1144（2014）01—0169—05

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.035

2013-10-08

2013-12-30

王曉鋒（1982—），男，江蘇通州人，工程師，主要從事工程管理類科研工作。