1、地鐵淺埋暗挖施工對(duì)地下管線的影響機(jī)理研究及工程運(yùn)用摘要:隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程的加快,軌道交通建設(shè)全面展開,暗挖施工穿越地下管線情況愈加普遍。研究暗挖施工過程中管線的變形規(guī)律,保證管線及施工安全,成為一項(xiàng)重要課題。課題采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的方法,建立了一套暗挖施工過程中地下管線變形規(guī)律的研究方法;通過工程實(shí)際的修正,數(shù)值計(jì)算模型具有較高的仿真度,可以預(yù)測(cè)各種管線變化規(guī)律,達(dá)到指導(dǎo)工程施工的目的。關(guān)鍵詞:暗挖施工;地下管線;監(jiān)控量測(cè);數(shù)值模擬城市地鐵工程開挖對(duì)近鄰管線的影響是地鐵工程中的重點(diǎn)和難點(diǎn),解決這個(gè)問題的關(guān)鍵就是在施工前要能正確地預(yù)測(cè)管線的受力和變形,然后綜合考慮管線的使用功能、埋設(shè)年代、材

2、質(zhì)、構(gòu)造、接頭形式等諸因素,借助已有的控制標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管線的安全性做出評(píng)價(jià),定量掌握地鐵暗挖施工對(duì)管線的影響程度,以便在施工中做出比較合理的技術(shù)決策和應(yīng)變措施1。1 研究的內(nèi)容及方法1.1 內(nèi)容本文重點(diǎn)論述給水管線在暗挖施工過程中的變形規(guī)律,主要包括以下內(nèi)容:1)確定地表、管線沉降控制指標(biāo)。通過對(duì)工程實(shí)例的調(diào)研,并綜合運(yùn)用模糊聚類分析方法對(duì)實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,同時(shí)考慮工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性及管線情況,歸納總結(jié)出管線沉降控制值。2)基于數(shù)值模擬的方法建立暗挖施工計(jì)算模型,模擬暗挖施工中土體變形的動(dòng)態(tài)過程。3)在地表、暗挖隧道內(nèi)布置沉降觀測(cè)點(diǎn),完成監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)采集。4)基于監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)值模擬計(jì)算,擬

3、合與實(shí)際較吻合的計(jì)算模型。5)地鐵暗挖施工引起的管線破壞評(píng)價(jià)方法的建立。1.2 方法通過數(shù)值模擬、監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析等方法綜合分析,對(duì)由于隧道開挖引起的土體、管線變形情況進(jìn)行預(yù)測(cè),再根據(jù)管線實(shí)際狀況提出合理的控制標(biāo)準(zhǔn),最后根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)測(cè)制定合理的施工方案和保護(hù)措施。 由于管線變形不易監(jiān)測(cè),而地表沉降、洞內(nèi)變形比較容易監(jiān)測(cè),因此通過地表、洞內(nèi)的變形值擬合數(shù)值計(jì)算模型,再通過計(jì)算模型獲取管線標(biāo)高的土體變形,以達(dá)到監(jiān)測(cè)管線變形的目的。在此基礎(chǔ)上,繪制開挖過程中管線變形曲線,真正掌握管線的變形規(guī)律。2 工程背景北京地鐵10號(hào)線安定路站北土城東路站區(qū)間隧道工程暗挖段(K10+066.741K10+15

4、6.501)位于朝陽區(qū)小關(guān)路口,下穿安定路,長81.76 m,呈東西走向,埋深9.02 m。暗挖區(qū)間正線為雙連拱結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)跨度11 m,高度6.35 m(見圖1)。暗挖段上方K10+122.501處有一600球墨鑄鐵給水管,柔性接口,管底埋深2.0 m,管線位于粉質(zhì)黏土地層。該管線為給水干線,供水用戶較多,社會(huì)意義重大,必須保證施工過程中不發(fā)生管線變形、滲漏。3 管線變形控制指標(biāo)管線變形控制的前提是避免對(duì)已有重要管線造成不利影響,容許值即用來定量表示這一不利影響的程度,一般采用小于容許值的指標(biāo)作為施工管理標(biāo)準(zhǔn)值。對(duì)于承插接口的球墨鑄鐵管道,目前常采用以下控制標(biāo)準(zhǔn)。3.1 管線沉降控制標(biāo)準(zhǔn)1)管

5、線兩接頭之間的局部?jī)A斜不得超過b/1 000(b為管節(jié)長度),通用的4 m長的管道接頭之間的沉降差不得超過40 mm。2)參考北京、重慶地鐵施工總結(jié)及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),地表最大斜率為2.55 mm/m。3.2 管節(jié)受彎應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)中縱向彎曲應(yīng)力對(duì)管線的受力起控制作用,故管節(jié)中的彎曲應(yīng)力小于容許值時(shí),管道可正常使用,否則產(chǎn)生斷裂或泄漏。對(duì)于鑄鐵管線安全系數(shù)取5時(shí),容許拉應(yīng)力t=37.21 MPa,容許壓應(yīng)力c=127.4 MPa,即需滿足:t<t或c<c。3.3 管接縫張開值控制標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)管線接頭轉(zhuǎn)動(dòng)的角度或接縫張開值小于允許值時(shí),管道接頭處于安全狀態(tài),否則將產(chǎn)生泄漏或破壞,影響使用。根

6、據(jù)文獻(xiàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),接縫允許張開值可取0.925 mm,即直徑為D、管節(jié)長為b的管線在管線沉降曲線曲率最大處R接縫的張開值需滿足:=Db/R<2。根據(jù)以上控制標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合管道接頭試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)分析了管道的允許變形,采用模擬技術(shù)和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法,對(duì)管道變形進(jìn)行了試驗(yàn)。研究表明:當(dāng)接口剛性填料開裂前,荷載-位移曲線為直線,接頭處于彈性工作階段,當(dāng)外荷載達(dá)到開裂破壞值后,接口出現(xiàn)微滲,荷載-位移曲線出現(xiàn)1.0 mm左右的流幅,漏水量開始增大,隨著位移的增加,荷載逐漸下降。但位移增加到破壞值左右時(shí),荷載又有所回升,當(dāng)超過填料開裂的拉力值,外荷載達(dá)到最大值后大幅度下降,接口完全破壞。劉為民等對(duì)國內(nèi)有代表性的

7、4種接口形式的管子做了拉伸和彎曲試驗(yàn)3,試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。4 監(jiān)控量測(cè)4.1 測(cè)點(diǎn)布置暗挖區(qū)間隧道施工,監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要為地表沉降、拱頂沉降、周邊收斂。其中布置地表沉降監(jiān)測(cè)斷面5個(gè),拱頂沉降監(jiān)測(cè)斷面7個(gè)。4.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析4.2.1 地表沉降根據(jù)600給水管線周邊的地表沉降點(diǎn)觀測(cè)得到的數(shù)據(jù),收集整理并繪制成圖3。地表沉降在開挖前,由于受其他因素影響(如溫度、濕度等),地表變形有一個(gè)上拱的趨勢(shì)。待開挖接近給水管線5 m處,管線上方土體變形速度明顯增大。施工穿越管線時(shí),地表變形持續(xù)增加。初期支護(hù)后,地表變形繼續(xù)增加但速率減小。二襯完成后,地表變形趨于穩(wěn)定。受施工步序影響,后續(xù)施工部位地表沉降較大,

8、最大變形達(dá)到41.27 mm。4.2.2 拱頂沉降施工中,在暗挖拱頂處安設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn),收集整理暗挖拱頂(600給水管線下方)變形數(shù)據(jù),繪制成圖4。拱頂沉降變形趨勢(shì)與地表沉降類似,暗挖施工通過管線20 m左右后,拱頂沉降趨于穩(wěn)定,最大值達(dá)到11.57 mm。5 理論計(jì)算5.1 模型建立采用FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)軟件模擬演算。5.1.1 計(jì)算區(qū)域的確定雙連拱掘進(jìn)建模的計(jì)算范圍:模型尺寸為40 m×30 m,豎向上取至地面,下至隧道底部以下15 m處,橫向取至距洞室中線兩側(cè)各20 m。模型選用80×60的網(wǎng)格組成,其中

9、x向80個(gè)網(wǎng)格,y向60個(gè)網(wǎng)格,合計(jì)4 800個(gè)網(wǎng)格,模型斷面見圖5。5.1.2 荷載條件計(jì)算荷載主要為土體自重、地面活荷載。土體自重荷載參照巖土層物理力學(xué)參數(shù)表,地面活荷載取均布活荷載,取3 kN/m2。5.1.3 邊界條件確定該模型側(cè)面和底面為位移邊界,側(cè)面限制水平移動(dòng);底部為固定邊界,限制水平移動(dòng)和垂直移動(dòng)。模型上面為地表,取為自由邊界。5.1.4 強(qiáng)度準(zhǔn)則及變形模式模型采用彈塑性理論計(jì)算,強(qiáng)度準(zhǔn)則采用摩爾-庫侖準(zhǔn)則,變形模式采用大應(yīng)變變形模式。5.1.5 巖土層物理力學(xué)參數(shù)(略)5.2 結(jié)果分析5.2.1 地表沉降采用數(shù)值計(jì)算模型模擬暗挖施工,通過計(jì)算可得管線上方地表最大沉降為40.4

10、7 mm,這與監(jiān)控量測(cè)所得到的41.27 mm較為接近,且地表位移的變化規(guī)律也很相似,因此該模型具有較高的仿真度,可作為研究模型模擬其他變形。從地表至拱頂范圍內(nèi),土層變形呈現(xiàn)一個(gè)先增大后減小的趨勢(shì),在地表以下4.5 m左右達(dá)到最大值42.2 mm。管線上方的地表沉降變形曲線見圖6。5.2.2 拱頂沉降同樣采用數(shù)值模型模擬拱頂變形,可得到中洞拱頂最大變形29.36 mm,這與監(jiān)控量測(cè)的最大值11.57 mm有一定相差,其主要原因?yàn)槭┕み^程中拱頂觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)前,拱頂已經(jīng)產(chǎn)生了較大的變形,而監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中反應(yīng)不了這部分變形,因此計(jì)算模擬的值較監(jiān)控量測(cè)值大,這與實(shí)際也是吻合的。中洞拱頂沉降-時(shí)間曲線見圖7。

11、5.2.3 管線變形通過對(duì)管線周邊土體位移的數(shù)值模擬計(jì)算,并與監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比,得到了一個(gè)與實(shí)際比較吻合的計(jì)算模型。由于暗挖上方!600給水管線埋深為2.0 m,現(xiàn)通過模型計(jì)算2 m埋深處的土體變形,整理土體位移數(shù)值,繪制管線沉降-時(shí)間曲線圖,詳見圖8。從圖中明顯看到:管線所在位置的土體變形是隨開挖進(jìn)行逐漸增大的,最大變形達(dá)到了41.67 mm。各導(dǎo)洞開挖時(shí),土體位移增加速率較大。土體變形規(guī)律與地表變形規(guī)律類似,管線變形在初襯完成后基本趨于穩(wěn)定。由于該600給水管線狀況較好,將表1的試驗(yàn)結(jié)果作為判斷標(biāo)準(zhǔn),管線沒有發(fā)生滲漏現(xiàn)象。采用經(jīng)工程實(shí)際擬合的計(jì)算模型,可以模擬工程周邊土體任意一點(diǎn)的位移變

12、化規(guī)律,當(dāng)然也可以計(jì)算暗挖上方各條管線所處位置的變形量,對(duì)于所處位置變形較大的管線,可能會(huì)導(dǎo)致管線破壞的,提前采取地面、地下注漿或?qū)芫€進(jìn)行加強(qiáng),可有效地防止管線破壞。6 結(jié)語1)本課題采用了理論與實(shí)踐相結(jié)合的方法,建立了一套暗挖施工過程中地下管線變形規(guī)律的研究方法。通過工程實(shí)際的修正,數(shù)值計(jì)算模型具有較高的仿真度,可以預(yù)測(cè)各種管線變化規(guī)律,以到達(dá)指導(dǎo)工程施工的目的。2)本課題針對(duì)社會(huì)意義重大的給水管線進(jìn)行研究,建立了相應(yīng)的管線變形判斷標(biāo)準(zhǔn)。由于管線變形的影響因素較多,采用該方法進(jìn)行管線破壞評(píng)價(jià)時(shí),建議根據(jù)管線的具體條件,結(jié)合監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果綜合分析管線的破壞程度。3)數(shù)值模擬計(jì)算時(shí),需對(duì)模型進(jìn)行反復(fù)調(diào)試,盡可能使模擬結(jié)果與實(shí)際相吻合。隨著工程的進(jìn)