隧道施工引起地下管線變形的安全評估

向衛(wèi)國，徐玉勝，江輝煌，譚萬忠

(中國鐵道科學研究院，北京 100081)

隧道施工擾動了地層巖土環(huán)境，打破了地下管線的原有平衡狀態(tài)，改變了地下管線的受力狀態(tài)。地下管線的變形超過一定限度時，較大的應力將導致管線破壞而引起事故，所以，隧道施工引起的地下管線安全問題一直倍受關注。

隧道開挖對地下管線的影響，最不利的情況是隧道在既有管線下垂直穿過(圖 1)。O’Rourke和Trautmann(1982)研究了隧道開挖對小直徑管線的影響，說明土、管線及隧道間相互作用的復雜性[1]。Attewell(1986)基于Winker彈性地基梁模型提出隧道施工對管線的影響評價方法［2－3］。Klar(2004)推導了Attewell彈性地基梁問題的封閉解并提出改進的基床系數(shù)，使計算結果與彈性連續(xù)解得出的相一致[4]。Vorster(2005)在Klar的基礎上提出了考慮相互作用的管線的近似設計方法[5]。

圖1 管線與隧道相對位置

然而，以上研究都是假設管線的變形與地層沉降曲線一致，而地表真實沉降與管線變形的關系尚未有研究。本文依托深圳地鐵五號線工程施工安全監(jiān)控的工作實踐，基于隧道施工工況和實測數(shù)據(jù)，從監(jiān)控的角度利用反分析研究地下管線變形的安全評估方法。

管線安全評估的重點是管線變形計算和安全評估分級，管線變形計算主要是探尋地表沉降與管線變形的關系，建立已知地表沉降的情況下管線變形估算的方法和步驟;安全評估分級是依據(jù)結構容許理論和報警分級確定，以便于工程的實際監(jiān)控。

1 管線安全評估

隧道開挖產(chǎn)生的地層位移，引起管線變形并產(chǎn)生附加彎矩。管線變形大小和附加彎矩變化主要取決于管線周圍的地層位移及管土的相對剛度。從理論上研究，隧道開挖影響下管線的變形有兩種極限情況:

1)假設管線是無限完全彈性的，管線的變形與周圍地層沉降曲線一致;

2)假設管線是完全剛性的，周圍地層沉降對其進行原地的擾動。

顯然，工程中(比如管線的不同、地質(zhì)的差異及動態(tài)變化等工況)很少出現(xiàn)上述兩種情況，而往往是介于兩者之間。因此工程地質(zhì)資料、工況及監(jiān)測數(shù)據(jù)是確定管線周圍地層位移和管土相對剛度的基礎。

這里管線變形計算，除了地質(zhì)、工況及管線材質(zhì)信息，在監(jiān)控量測數(shù)據(jù)上是基于管線上方地表的監(jiān)測數(shù)據(jù)，即通過地表沉降數(shù)據(jù)估算管線的變形。

1.1 估算地層損失率與地層沉槽寬度系數(shù)

1)地層損失率的計算利用Peck公式，以7 d為計算標準，認為7 d后該測點沉降量為最大沉降量且沉降已穩(wěn)定。Peck公式原本是估算地表沉降量的，這里將其反算，根據(jù)地表沉降來計算地層損失率。

Peck(1969)經(jīng)典公式，距離隧道中心線x處得地表沉降S[6]x

式中，Smax為最大沉降量;i為沉槽寬度系數(shù)。

地層損失體積VS，地層損失率VL分別為:

式中，D為隧道直徑。

2)考慮深圳地區(qū)地層情況，地表沉槽寬度系數(shù) i的計算采用Clough和Schmidt(1981)經(jīng)驗式:

式中，z0為隧道埋深;r為隧道半徑。

3)計算地層沉槽寬度系數(shù)。考慮地表以下至隧道以上土層，地層損失的體積假設依然成立[7]。于是，Smax和i兩個參數(shù)的取值會隨深度變化而不同，它們均可表示為深度 z的函數(shù) Smax(z)和 i(z)[9]:

1.2 計算管土相對剛度，確定管線最大彎矩及最大應力

1)計算管土相對剛度。劍橋大學Klar(2004)利用Mindlin解[4]，得出管土相互作用彈性連續(xù)解，定義了相對剛度R和標準化彎矩Mn:

式中，Es為土的變形模量(楊氏模量);M為管線彎矩。

2)確定管線最大彎矩及最大應力。Vorster(2005)通過離心模擬試驗對其進行了驗證[5]，并建立管土相互作用經(jīng)驗曲線(圖2)。

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，相對剛度R是對數(shù)坐標。如果土的變形模量Es足夠準確，那么相對剛度R也就能更好地符合實際情況。

圖2 管土相互作用經(jīng)驗曲線(Vorster等，2005)

1.3 計算管線變形系數(shù)，評估管線安全狀態(tài)

目前，國內(nèi)規(guī)范中對管線安全警戒值沒有明確的規(guī)定?，F(xiàn)階段是根據(jù)現(xiàn)有管線保護單位提出的警戒值確定，或根據(jù)當?shù)毓芫€主管部門提出的要求確定。在管線單位沒有對管線的預報警值作出特殊規(guī)定的情況下，對于重要管線即按上述方法對其使用情況和極限情況進行計算，進而做出評估。

這里認為隧道施工擾動產(chǎn)生的管線應力σ與其允許應力［σw］的比值反映了管線的變形狀態(tài)及管線的安全性狀，將該比值定義為變形系數(shù)ξ:

可見一般情況下0≤ξ≤1，當ξ=1時管線破壞。因此ξ的大小可以反映管線工作狀態(tài)與破壞狀態(tài)的距離。

于是根據(jù)結構容許理論的判定標準，取管線允許變形的2/3作為控制值，且考慮實踐中三級報警[9]機制可定義:ξ≤70%時，可認為管線離破壞還很遠，管線處于絕對可靠狀態(tài)，不需要對管線采取保護措施。70%<ξ<85%時，則認為管線距離失效狀態(tài)很近，要進行預警;ξ≥85%時，則認為管線處于失效狀態(tài)的邊緣，需引起相關部門及人員的注意并采取相應措施。

2 案例應用

2.1 工程概況

深圳地鐵5號線某盾構區(qū)間所在地區(qū)為海積平原，原地貌為瀕海漁塘，現(xiàn)已經(jīng)人工堆填整平，地形平坦，地面高程4.0 m左右。附近主要建筑有麗晶國際、濱海小學等。隧道主要在創(chuàng)業(yè)一路下穿行，地下管線密集，有電力、電信、污水、雨水、上水等多條主要管線。

2.2 工程現(xiàn)場管線及其地層分布

盾構掘進橫穿次高壓管燃氣管線，隧道頂部覆土深度為10.0 m，隧頂覆土主要為填土層、淤泥層和礫質(zhì)黏性土層，隧道主要穿越礫質(zhì)黏性土層和全風化花崗巖層，土層工程地質(zhì)參數(shù)見表1。該管線為次高壓燃氣鋼管，隧道埋深10.0 m、燃氣管線埋深1.5 m、隧道與燃氣管線的相對距離約8.5 m。

表1 土層工程地質(zhì)參數(shù)

2.3 數(shù)據(jù)分析與安全評估

表2列出了盾構穿越管線前后D311－D315五個測點7 d的沉降數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示D313為最大沉降點，其沉降值超出警戒值，監(jiān)控中心及時發(fā)出了地表沉降的黃色報警[8]。

表2 管線正上方地表沉降數(shù)據(jù) mm

為評估地表下方管線安全狀態(tài)，按上述步驟做下面定量分析:

1)以測點D313累計沉降量為最大沉降量，反算地層損失率、地層最大沉降量與沉槽寬度系數(shù)。已知盾構的直徑6.34 m，盾構的截面面積31.55 m2。

2)再由 EI=145 000 kN·m2，ES=12 000 kPa，按式(7)計算管土相對剛度

3)根據(jù)管土相互作用經(jīng)驗曲線圖2和式(8)，求得Mn=0.66，繼而計算管線最大彎矩及應力。

4)由管線允許應力［σw］=180 MPa，計算管線變形系數(shù)

監(jiān)控中心于2010－01－03日發(fā)出了地表沉降的黃色報警，并就是否對此管線實施注漿進行了討論。筆者通過以上數(shù)據(jù)分析和計算，認為目前管線仍屬安全狀態(tài);基于此分析，后來未對其進行管底注漿加固，只是對管線進行跟蹤監(jiān)測。圖3為該管線2009－12－27至2010－01－17的變形曲線圖，從圖3可以看出管線沉降漸進收斂，管線處于安全狀態(tài)。

圖3 某盾構區(qū)間(左線)煤氣管線沉降曲線

3 結論

在實際工程中，人們往往希望把管線的變形與地表的沉降對應起來。即在不直接對管線進行監(jiān)測或很難對其進行直接監(jiān)測時，能通過地表的沉降來估算管線的變形，從而評估其安全狀態(tài)。本文就此在前人研究的基礎上，結合工程實踐作了有意義的探索。

1)隧道施工擾動地層，引起地層位移，最終導致地表沉降。其中地層位移通過管土相互作用必將引起管線的變形。本文利用Peck經(jīng)驗公式和管土相互作用經(jīng)驗曲線，通過反分析把地表沉降、地層位移與管線變形建立聯(lián)系，提出基于地表沉降的管線變形安全評估方法。

2)該方法從工程風險監(jiān)控和判別的角度，綜合考慮了地層地質(zhì)參數(shù)、管線材質(zhì)參數(shù)及施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，嚴格按照理論進行了計算和分析，并提出變形系數(shù)的概念對管線安全評估劃分了等級。方法的可行性和操作性在工程實踐中得到了驗證。

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