一些因素對(duì)地下管線位移的影響

吳 仲

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一些因素對(duì)地下管線位移的影響

吳 仲*

(湖南金順監(jiān)理公司,湖南 長(zhǎng)沙, 410004)

研究了地下管線埋深、管材材料、管線下臥層土質(zhì)、管線與地下結(jié)構(gòu)間的距離以及管線與周?chē)翆拥南鄬?duì)剛度等因素對(duì)地下管線位移的影響. 研究結(jié)果表明: 以上各因素對(duì)地下管線位移均有不同程度的影響, 實(shí)際工程中應(yīng)該根據(jù)各影響因素綜合分析后確定合理的設(shè)計(jì)與施工方案.

地下管線; 位移; 埋深; 彈性模量

深圳中信廣場(chǎng)地下商場(chǎng)地處深南大道與上步路交匯處, 為超淺埋暗挖大斷面平頂直墻地下商場(chǎng). 地面交通繁忙、車(chē)流量大, 施工范圍內(nèi)地下管線密集, 主體結(jié)構(gòu)西側(cè)有3條管線, 且周?chē)ㄖ锩芗? 施工干擾大, 施工環(huán)境十分復(fù)雜.

地下工程在開(kāi)挖過(guò)程中, 由于土體卸載或擾動(dòng)使得周?chē)馏w出現(xiàn)應(yīng)力釋放, 破壞了初始的平衡狀態(tài), 從而使得周?chē)馏w產(chǎn)生變位, 繼而帶動(dòng)了地下管線的移動(dòng), 地下管線的這種位移具有“空間”性. 余振翼, 魏綱[1]分別分析了在頂管施工條件下地下管線埋深、不同管材材料及管線與土體彈性模量之比對(duì)相鄰平行地下管線位移的影響. 魏綱等[2]通過(guò)采用三維有限元方法分析了管線埋深、管線材質(zhì)、管線與隧道軸線間距以及管線與土體彈性模量比等因素對(duì)地下管線位移的影響, 并將得到的數(shù)值結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了比較, 兩者吻合較好. 吳波等[3]分別采用離心模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析了隧道開(kāi)挖對(duì)管線的影響, 2種方法所得結(jié)果均與實(shí)測(cè)值吻合較好. 從已有研究成果[4—8]可知管線材料、管線埋深、管線下臥層的土質(zhì)情況、管材與地下結(jié)構(gòu)間的距離以及管線與周?chē)翆拥南鄬?duì)剛度等因素與地下管線的位移存在不同程度的聯(lián)系.

本文將通過(guò)單一變量控制法分析以上一些因素對(duì)地下管線位移的影響.

1 管線與地下結(jié)構(gòu)間距對(duì)管線位移的影響

實(shí)際研究中, 當(dāng)?shù)叵鹿芫€埋深(管頂至地面的垂直距離)取1.5 m時(shí), 可得管線位移隨管線與地下結(jié)構(gòu)間距離變化的規(guī)律如圖1所示. 圖1中,為結(jié)構(gòu)主體邊緣與地下管線中心線位置間的距離,為地下管線的埋深.

從圖1可知, 隨著地下管線與結(jié)構(gòu)間距離的不斷增大, 管線受土體擾動(dòng)影響的程度就越來(lái)越小, 從而產(chǎn)生的位移量值亦越來(lái)越小.

由圖1可知, 在距離地下結(jié)構(gòu)物1倍的開(kāi)挖深度時(shí), 地下管線的水平位移圖出現(xiàn)拐點(diǎn). 當(dāng)?shù)叵鹿芫€與結(jié)構(gòu)間的距離在1倍的開(kāi)挖深度范圍內(nèi)時(shí), 由于受開(kāi)挖擾動(dòng)影響的程度較小, 從而其產(chǎn)生的位移值較小; 但當(dāng)結(jié)構(gòu)邊緣與地下管線中心間的距離在1～1.5倍開(kāi)挖深度范圍內(nèi)時(shí), 在開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)地下結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生了很大的影響致使出現(xiàn)較大的位移值.

圖1 L/h對(duì)地下管線水平位移的影響

2 管線材料對(duì)管線水平位移的影響

在地下管線距離結(jié)構(gòu)= 1.5 m, 且管線埋深= 1.5 m時(shí), 分析不同管材材料對(duì)管線水平位移的影響, 結(jié)果如圖2所示. 從圖2可知, 使用PVC管產(chǎn)生的水平位移最大, 然后依次是混凝土管、鑄鐵管. 由于鋼管的彈性模量較其它幾種大, 提供的約束亦較大, 與土體協(xié)調(diào)變形的能力也就較差, 致使產(chǎn)生的附加應(yīng)力較大, 從而產(chǎn)生的水平位移就較小.

圖2 管材材料對(duì)地下管線水平位移的影響

3 管線下臥土層土質(zhì)對(duì)管線位移的影響

研究管線下臥層的土質(zhì)對(duì)管線位移的影響規(guī)律, 一般采用逐級(jí)變化的土體彈性模量試塊進(jìn)行試驗(yàn). 根據(jù)文獻(xiàn)[9]中的研究結(jié)果可知, 管線的水平和豎向位移均隨著彈性模量的增加而逐漸減小, 且當(dāng)將管線下臥層土體的彈性模量從4 MPa提高到14 MPa時(shí), 地下管線的豎向位移和水平位移將分別減少95%和49%. 由此可知不同的下臥層土質(zhì)對(duì)地下管線的水平位移和豎向位移有不同程度的影響, 而且較好的下臥層土質(zhì)能有效降低地下管線的位移, 當(dāng)然在實(shí)際工程中還要考慮其經(jīng)濟(jì)性并進(jìn)行綜合分析后決定是否選用此種施工方法.

圖3 地下管線最大位移與h/D的關(guān)系

4 管線埋深對(duì)管線位移的影響

設(shè)為地下管線埋深,為地下管線的外徑, 在地下管線距離結(jié)構(gòu)= 6 m的情況下, 地下管線的最大豎向和水平位移(max)與/的關(guān)系如圖3所示. 由圖3可知, 地下管線的最大豎向和水平位移與/有關(guān), 最大豎向位移隨著/的增大而逐漸增大, 而最大水平位移隨著/的增大而呈現(xiàn)減小的趨勢(shì). 實(shí)際工程中, 地下管線的埋深一般設(shè)計(jì)為0～6 m, 因此, 在不同埋深時(shí), 可對(duì)管線埋深和管線外徑(/)對(duì)地下管線位移的影響做進(jìn)一步的分析.

5 管材彈性模量Ep與周?chē)馏w彈性模量Es對(duì)地下管線位移的影響

根據(jù)圖4的結(jié)果, 可知地下管線最大水平位移隨p/s比值的增大而增大, 而最大豎向位移隨p/s比值的增大而減小. 當(dāng)p/s的比值很大時(shí), 管線的最大位移分別趨于一個(gè)穩(wěn)定值, 由此可知p/s對(duì)地下管線的位移有很大的影響. 實(shí)際工程中可根據(jù)p/s對(duì)地下管線位移的影響規(guī)律對(duì)地下管線的位移進(jìn)行相應(yīng)的控制. 當(dāng)然通過(guò)局部加固地下管線周?chē)耐馏w未必能夠有效地控制地下管線的水平和豎直位移, 而且, 通過(guò)相關(guān)分析可知, 局部加固對(duì)水平位移的影響很小, 而對(duì)其豎向位移有很大的影響. 為了有效地控制地下管線的位移, 可采取對(duì)管線周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的土體進(jìn)行整體加固, 當(dāng)然, 這樣會(huì)存在工程經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題. 在目前更多的工程項(xiàng)目中, 經(jīng)濟(jì)且施工方便的方法是采用管底注漿, 它可以在一定程度上有效控制地下管線的豎向位移, 但其對(duì)水平位移的影響并不顯著.

圖4 地下管線最大位移與Ep/Es的關(guān)系

6 結(jié)論

① 地下管線與開(kāi)挖邊界距離的不同使得結(jié)構(gòu)對(duì)地下管線有不同的抑制作用, 從而決定地下管線位移具有不同的曲線形式. 地下管線離開(kāi)挖邊界越遠(yuǎn), 抑制作用越小, 若兩者相距“很遠(yuǎn)”時(shí), 其抑制作用基本可以忽略. 反之亦然, 且地下管線在結(jié)構(gòu)端部范圍內(nèi)有較為明顯地上抬現(xiàn)象.

② 管線材料不同程度地影響了管線的位移. 管材彈性模量越小, 其與土體協(xié)調(diào)變形的能力就越好, 提供的附加約束也越小, 從而產(chǎn)生的位移就越大.

③ 地基下臥層的土質(zhì)對(duì)地下管線的水平位移和豎向位移有不同程度的影響, 且影響較大.

④ 地下管線的埋深對(duì)其位移有較大的影響. 最大豎向位移隨著埋深的增大而逐漸增加, 而最大水平位移隨著埋深的增加卻呈現(xiàn)減小的趨勢(shì).

⑤ 地下管線與周?chē)馏w彈性模量的比值(p/s)對(duì)地下管線的位移存在顯著的影響. 實(shí)際工程中可根據(jù)相應(yīng)的變化規(guī)律, 采取對(duì)管線周?chē)馏w進(jìn)行整體加固的方法來(lái)有效減小地下管線的位移.

[1] 余振翼, 魏綱. 頂管施工對(duì)相鄰平行地下管線位移影響因素分析[J]. 巖土力學(xué), 2005, 25(3): 441—445.

[2] 魏綱, 魏新江, 裘新谷, 等. 過(guò)街隧道施工對(duì)地下管線影響的三維數(shù)值模擬[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2009, 28(增1): 2853—2859.

[3] 吳波, 高波, 索曉明, 等. 城市地鐵隧道施工對(duì)管線的影響研究[J]. 巖土力學(xué), 2004, 25(4): 657—663.

[4] 王夢(mèng)恕. 地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2004: 85—95.

[5] 施仲衡. 淺埋暗挖法設(shè)計(jì)理論論述[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2005, 42(2): 37—39.

[6] 馮衛(wèi)星, 王克麗. 地道橋設(shè)計(jì)與施工[M]. 石家莊: 河北科學(xué)技術(shù)出版社, 2001: 92—98.

[7] 劉月梅. 城市施工中地下管線的保護(hù)[J]. 市政技術(shù), 2005, 23(4): 235—236.

[8] 李大勇, 龔曉南. 深基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)叵鹿芫€影響因素分析[J]. 建筑技術(shù), 2003, 34(2): 94—96.

[9] 胡冬. 深基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)叵鹿芫€變形影響的有限元分析[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 2008.

The impact of certain factors on displacement of underground pipeline

WU Zhong

(Supervisory Company of Jinshun in Hunan, Changsha 410004, China)

The impact of certain factors on displacement of underground pipeline were studied. The results show that the displacement of pipeline was related with the distance between pipeline and underground structure, pipeline material, the properties of substratum, buried depth of pipeline as well as the ratio of elasticity modulus between pipeline and surrounding soil to varying extent. Therefore, a reasonable design scheme should synthesize those factors above in the actual project.

underground pipeline; displacement; burial depth; elasticity modulus

10.3969/j.issn.1672-6146.2013.03.012

TU 473.2

1672-6146(2013)03-0053-03

email: 1173248802@qq.com.

2013-07-06

(責(zé)任編校: 江 河)