管線滲漏對(duì)地鐵盾構(gòu)影響的模型試驗(yàn)研究

汪維東,黃曉康,,朱大勇,周 剛

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.蕪湖市軌道(隧道)交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站,安徽 蕪湖 241060)

0 引 言

在城市地下空間開發(fā)與利用的過程中,地鐵作為軌道交通系統(tǒng),是其中的重要組成部分,并且是現(xiàn)代城市軌道交通發(fā)展的主流和方向。因管線滲漏誘發(fā)的工程事故占有較大比重,且其發(fā)生突然、危害性大,直接影響地鐵建設(shè)的正常進(jìn)行,嚴(yán)重威脅著城市的生產(chǎn)和生活,這已引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。

目前,對(duì)于隧道盾構(gòu)施工引起的管線滲漏,相關(guān)研究較多。文獻(xiàn)[1-3]利用平面應(yīng)變模型試驗(yàn),研究了因隧道施工擾動(dòng)地下管線滲漏對(duì)地面坍塌造成的影響,發(fā)現(xiàn)管線滲漏水范圍是直接影響地面坍塌與地層破壞劇烈程度的主要因素,滲漏范圍越大,隧道開挖后造成的地面坍塌程度就越大;文獻(xiàn)[4]基于復(fù)變函數(shù)的共形變換方法,綜合解析法與數(shù)值法,求解穩(wěn)定滲流時(shí)飽和土體二維滲流的基本微分方程,得出當(dāng)盾構(gòu)隧道發(fā)生側(cè)向滲漏水時(shí),周圍土壤孔隙水壓力在1倍隧道中心水平向埋深的范圍內(nèi)發(fā)生較大變化,且滲漏水范圍越大,其衰減速度越顯著;文獻(xiàn)[5-6]采用薄壁銳緣孔來模擬管線滲漏,建立了管線滲漏模型,對(duì)于埋深深度不超過1.5 m的地下管線,假設(shè)管線不能抵抗周圍土層的移動(dòng);文獻(xiàn)[7]在彈性地基梁理論的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了在隧道施工條件下管線彎矩的解析表達(dá)式;文獻(xiàn)[8]利用連續(xù)彈性介質(zhì)理論推導(dǎo)出管道位移和彎矩的表達(dá)式,并提出了管-土相對(duì)剛度的評(píng)估公式;文獻(xiàn)[9]以沈陽地鐵隧道為研究對(duì)象,應(yīng)用FLAC3D計(jì)算軟件模擬復(fù)雜條件下淺埋暗挖大跨度隧道引起的地表沉降變形特征,結(jié)果表明,模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有較好的擬合性,利用數(shù)值分析方法預(yù)測(cè)大跨度隧道施工期地表沉降是可靠的;文獻(xiàn)[10-11]利用ANSYS軟件建立了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)-土體-地下管線耦合作用的三維有限元分析模型,計(jì)算垂直于隧道方向地下管線的沉降,并對(duì)地下管線的安全性進(jìn)行了預(yù)測(cè),利用有限單元法分析隧道施工對(duì)鄰近管線內(nèi)力和位移的影響,指出隧道施工對(duì)管線的擾動(dòng)程度與地層損失率有關(guān);文獻(xiàn)[12]采用彈性地基梁理論與管線-土-盾構(gòu)相互耦合FLAC3D數(shù)值方法,分析了盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近地下管線的影響,并與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比,發(fā)現(xiàn)彈性地基梁法可用于估算管線的最大變形,FLAC3D數(shù)值方法可較準(zhǔn)確模擬盾構(gòu)隧道對(duì)管線的影響;文獻(xiàn)[13]建立結(jié)構(gòu)-地層-管線三維彈塑性數(shù)值模型,得到管-土相對(duì)剛度小于0.18時(shí),管線與土體沉降差小于5%,管-土相對(duì)剛度在2.8～7.2之間,地表與管線沉降相差小于5%,即地表沉降值可以作為管道沉降值;文獻(xiàn)[14]建立了滿足盾構(gòu)隧道剛度要求的模型,可以實(shí)現(xiàn)局部節(jié)理滲水,其研究結(jié)果表明,滲水導(dǎo)致的孔隙水壓力下降越明顯,地表與隧道沉降越顯著;文獻(xiàn)[15]以某地鐵盾構(gòu)隧道的實(shí)測(cè)地面沉降數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),詳細(xì)分析了開挖過程中和開挖后的沉降規(guī)律。

本文采用室內(nèi)模型試驗(yàn),研究了地鐵施工中管線滲漏對(duì)管線、地層及隧道管片造成的影響,分析盾構(gòu)施工與管線滲漏作用對(duì)管線與地表沉降和隧道管片內(nèi)力變化規(guī)律的影響。

1 模型概況

1.1 相似比

制作試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)要求模型的尺寸滿足幾何相似比,模型材料的重度和強(qiáng)度等近似滿足重度相似比和強(qiáng)度相似比,開挖模擬時(shí)按照時(shí)間相似比確定開挖速度、支護(hù)時(shí)間、左右開挖間隔、應(yīng)力和沉降的監(jiān)測(cè)間隔和整個(gè)模擬試驗(yàn)的時(shí)間。根據(jù)相似原理確定試驗(yàn)參數(shù)相似比,見表1所列。

表1 模型相似比

1.2 模型試驗(yàn)箱

本次試驗(yàn)中,制作了長(zhǎng)2.5 m、高1.0 m、寬0.6 m的模型試驗(yàn)箱,如圖1所示。模型試驗(yàn)箱由角鋼焊接制成箱體的框架,前后側(cè)邊界均用厚25 mm的透明有機(jī)玻璃進(jìn)行約束,方便清晰地觀測(cè)試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)箱體內(nèi)部的情況。有機(jī)玻璃上預(yù)留直徑0.12 m的孔洞為隧道所在位置,隧道模型底部離試驗(yàn)箱體底部距離為0.4 m。兩側(cè)采用密實(shí)厚木板制成,并在對(duì)應(yīng)位置預(yù)留稍大于PVC管直徑的圓孔,便于供水裝置與管線聯(lián)接。底板由密實(shí)厚木板制成,確保模型箱體具有足夠的剛度,可有效控制箱體的變形。

圖1 框架模型試驗(yàn)箱

1.3 砂土制備

砂土土樣取自合肥典型砂土,基本參數(shù)見表2所列。使用砂雨法制作砂土模型,通過進(jìn)行砂雨落高標(biāo)定試驗(yàn),最終取落高為1.0 m,落砂密度1.89 g/cm3,盡量與原始地層條件保持一致。

表2 砂性土體物理力學(xué)參數(shù)

2 試驗(yàn)概述

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱?/h3>

試驗(yàn)前期進(jìn)行了落砂試驗(yàn)研究,落砂石試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3所列。

表3 落砂試驗(yàn)數(shù)據(jù)

使用砂雨法制作砂土模型,如圖2所示,步驟如下:將一定量砂樣放入砂雨箱,懸掛至指定高度(高于箱體底部1 m),打開砂雨箱開關(guān),使砂土均勻落下。每層落砂厚度控制在10 cm,一層完成后將砂雨箱提高10 cm進(jìn)行下一層落砂,重復(fù)以上步驟直至填筑至管線埋深位置為止,待管線埋設(shè)好,最終制成高1.0 m的試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖湔掌?/p>

此次試驗(yàn)中,供水裝置如圖3所示,進(jìn)水口可調(diào)節(jié)流量大小,用波紋軟管將模型管線與供水管線聯(lián)接,利用波紋軟管輕、易伸縮的特點(diǎn),最大程度減小管線的軸向拉力對(duì)管線沉降的影響。

圖3 供水裝置簡(jiǎn)圖

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)中的測(cè)量任務(wù)分為3個(gè)部分:① 通過在模型頂部固定百分表連接在管線上的抱箍沉降桿,對(duì)模型開挖過程中管線沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè),以便于總結(jié)盾構(gòu)開挖對(duì)管線豎向位移的影響規(guī)律;② 通過在模型頂部固定百分表,監(jiān)測(cè)模型試驗(yàn)開挖過程中地表沉降,總結(jié)盾構(gòu)開挖對(duì)地表豎向位移的影響規(guī)律;③ 通過采用黏貼于隧道管片內(nèi)壁電阻應(yīng)變片測(cè)試管道微應(yīng)變,分析盾構(gòu)開挖和管線滲漏情況下隧道管片的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系變化規(guī)律。

試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置情形如圖4所示,百分表布置情形如圖5所示,隧道應(yīng)變片布設(shè)情形如圖6所示,應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)位置如圖7所示。

圖4 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置情形

圖5 百分表布置情形 圖6 隧道應(yīng)變片布設(shè)情形 圖7 應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)位置

2.3 試驗(yàn)過程

模型砂樣填充后,開始安放百分表,并將應(yīng)變片的屏蔽測(cè)試導(dǎo)線連接至靜態(tài)應(yīng)變儀,在計(jì)算機(jī)外控狀態(tài)下設(shè)定應(yīng)變片、管線各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)試。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱魍瓿珊?靜置,監(jiān)測(cè)管線沉降值和微應(yīng)變,直至數(shù)值不再發(fā)生變化或者變化值很小(此時(shí)認(rèn)為模型達(dá)到天然條件下的密實(shí)度),表明土體模型初始沉降狀態(tài)已經(jīng)完成,相當(dāng)于初始地應(yīng)力已經(jīng)完全形成,可以進(jìn)行開挖模擬試驗(yàn),記錄保存此時(shí)靜態(tài)應(yīng)變儀讀數(shù)以及所有百分表的讀數(shù)。為保證每組試驗(yàn)的均一性,每組試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱魍瓿珊?靜置時(shí)間保持一致。

隧道開挖共歷時(shí)10.2 h,靜置至微應(yīng)變和沉降量數(shù)值不再發(fā)生變化或者變化值很小,此時(shí),管線滲漏,滲漏水壓力約為0.3 MPa。試驗(yàn)中,每隔15 min左右觀察1次隧道拱頂?shù)那闆r,當(dāng)管線不再產(chǎn)生滲漏時(shí),隧道拱頂拼接縫也能看到有些許滲水。

在試驗(yàn)結(jié)束后,取模型砂土樣,得出此時(shí)砂土密度,并拆開模型觀察,也能明顯看到管線滲漏處至隧道拱頂范圍內(nèi)的砂土含水明顯較高于周圍砂土,最終滲漏水范圍可確定為至隧道拱頂位置。

對(duì)管線沉降值、隧道應(yīng)變值及地表沉降值進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),得到大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過對(duì)數(shù)據(jù)從不同的側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行整理,可以得到管線垂直位移的變化規(guī)律,以及盾構(gòu)開挖條件下管線破壞后地表沉降和隧道應(yīng)變規(guī)律。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

將試驗(yàn)開始記為0 h,0～18.2 h記為開挖穩(wěn)定階段,18.2～19.2 h記為滲漏第1階段,19.2～20.2 h記為滲漏第2階段,20.2～34.2 h記為滲漏第3階段,管線、土體最終沉降至穩(wěn)定狀態(tài)。

3.1 管線整體沉降隨時(shí)間變化規(guī)律

隧道開挖完成后,待到管線沉降趨于穩(wěn)定,管線通水并發(fā)生滲漏,此時(shí)再監(jiān)測(cè)管線沉降變化,隧道出現(xiàn)明顯滲水后,關(guān)閉水源。在滲漏第1階段,由于滲漏產(chǎn)生了滲透力,地層的應(yīng)力進(jìn)行重新分布,造成地表沉降,在管-土相互作用下,管線沉降也緩慢增大;在滲漏第2階段,管線沉降明顯加快,這是由于隨著滲漏量增加,地表沉降加速,此時(shí)又帶動(dòng)管線沉降,造成此階段管線沉降量明顯變大;在滲漏第3階段,管線沉降量逐漸減小,最終沉降趨于穩(wěn)定,不再產(chǎn)生變化。

滲漏階段管線沉降曲線如圖8所示。

圖8 滲漏階段管線沉降曲線

中心沉降點(diǎn)滲漏階段管線沉降結(jié)果見表4所列。滲漏第1階段、第2階段造成的沉降值較大,占總沉降量的16.66%;管線滲漏的水體對(duì)砂土的滲透力作用導(dǎo)致局部土體發(fā)生位移,在管-土相互作用下,管線沉降值增加,滲漏階段管線沉降值占總沉降的24.76%。管線沉降各階段最終穩(wěn)定曲線表明,管線在這種情形下的沉降類似于兩端簡(jiǎn)支、其上均布荷載的簡(jiǎn)支梁。

表4 中心沉降點(diǎn)滲漏階段管線沉降結(jié)果

3.2 管線測(cè)點(diǎn)沉降隨時(shí)間變化規(guī)律

從試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷乃淼篱_挖,經(jīng)過34.2 h的連續(xù)監(jiān)測(cè),獲得了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù),并經(jīng)過整理研究管線的垂直位移變化。選取管線測(cè)點(diǎn)C3、C4、C5、C6、C7為研究對(duì)象,分析管線豎向位移隨時(shí)間沉降變化規(guī)律,監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出:

圖9 滲漏階段管線沉降隨時(shí)間變化曲線

(1) 在滲漏第1階段,由于滲漏產(chǎn)生了滲透力,地層的應(yīng)力進(jìn)行重新分布,產(chǎn)生沉降,造成此階段管線沉降增加,且沉降較大;在滲漏第2階段,管線沉降速率明顯增大,這是由于地層運(yùn)動(dòng)作用,引起管線產(chǎn)生附加變形和附加應(yīng)力,導(dǎo)致管線受損且滲漏量增加,滲漏水又促使地表沉降速率加快,從而導(dǎo)致管線沉降速率加快;在滲漏第3階段,隧道內(nèi)出現(xiàn)明顯滲水后,關(guān)閉水源,管線沉降逐漸趨于穩(wěn)定,最終沉降不再發(fā)生變化。

(2) 管線豎向最大變形位于隧道軸線正上方,其次是中間,充分說明了隧道開挖和管線滲漏對(duì)隧道正上方土層擾動(dòng)最大,地層損失最大。

(3) 距開挖隧道軸線的水平距離越遠(yuǎn),沉降越小,表明滲漏影響范圍有一定距離。

3.3 地表沉降規(guī)律對(duì)比

滲漏階段地表沉降曲線如圖10所示。由圖10可知,隧道地表沉降槽曲線大致呈典型正態(tài)分布,寬度和深度較大,管線滲漏后的“沉降槽”也對(duì)稱。

圖10 滲漏階段地表沉降曲線

在滲漏第1階段,管線滲漏水對(duì)砂土產(chǎn)生了滲透力,地層的應(yīng)力進(jìn)行重新分布,地層開始沉降;在滲漏第2階段,地表沉降明顯加快,這是由于隨著滲漏量的增加,造成局部砂土應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)變化加快,地表沉降加速;在滲漏第3階段,管線沉降量逐漸減小,最終沉降趨于穩(wěn)定,不再發(fā)生變化。管線滲漏造成的沉降值較大,這是由于管線滲漏的水體對(duì)砂土的滲透力作用,導(dǎo)致局部土體發(fā)生位移,沉降值變大。在砂土每個(gè)階段的最終穩(wěn)定性曲線中,地表沉降曲線通常是具有較大寬度和深度的典型正態(tài)分布。

在開挖穩(wěn)定階段和滲漏各階段的時(shí)間段內(nèi),地表中心沉降點(diǎn)產(chǎn)生的沉降值見表5所列。由表5可知:

表5 中心沉降點(diǎn)滲漏階段地表沉降結(jié)果

(1) 管線滲漏造成的地表沉降占總沉降的28.78%,前期的沉降是由于隧道直接開挖擾動(dòng)土體所致的,后期的沉降則是管線滲漏水產(chǎn)生的滲透力造成的,導(dǎo)致土體應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)重新調(diào)整。同時(shí),隧道盾構(gòu)施工期間引起的沉降比較有限,大部分沉降是在開挖階段完成產(chǎn)生的,但滲漏造成的地表沉降進(jìn)一步增大,增加了地表沉降過大造成地表塌陷的危險(xiǎn)。

(2) 滲漏第2階段產(chǎn)生的沉降比第1階段要大,表明隨著滲漏時(shí)間的推移,更多的滲漏水滲入砂土,地層的應(yīng)力變化加快,地表沉降進(jìn)一步擴(kuò)大。最后,滲流場(chǎng)趨于穩(wěn)定,故滲漏第3階段的沉降值較小。

3.4 隧道應(yīng)變各階段變化規(guī)律

隧道開挖過程中,對(duì)隧道管片應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。由于開挖引起地層損失導(dǎo)致地表沉降,使管片承受應(yīng)力,并產(chǎn)生變形和附加應(yīng)力。為了簡(jiǎn)化對(duì)模型變化規(guī)律分析,選取隧道襯護(hù)頂部的4個(gè)應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析,整個(gè)試驗(yàn)過程為單側(cè)隧道開挖至靜置穩(wěn)定,時(shí)間為0～34.2 h。彎曲應(yīng)力歷時(shí)曲線如圖11所示。

圖11 隧道管片應(yīng)力變化歷時(shí)曲線

從圖11可以看出:

(1) 測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2的應(yīng)力變化類似,測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4的應(yīng)力變化類似;靠近測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2側(cè)先進(jìn)行隧道開挖,故這2處測(cè)得的應(yīng)力比測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4處的變化速率要快。

(2) 在開挖完成靜置9 h,待到應(yīng)力穩(wěn)定后,管線發(fā)生滲漏,此時(shí)隧道頂部應(yīng)力隨時(shí)間增加開始增加;最終隧道頂部的微應(yīng)變趨于穩(wěn)定。

(3) 在完成隧道開挖時(shí),應(yīng)力不發(fā)生改變,此時(shí)測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)4的應(yīng)力分別為3.435、3.435、3.225、3.270 kPa;經(jīng)過連續(xù)34 h監(jiān)測(cè),最終4個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化趨于穩(wěn)定,其應(yīng)力值也趨于近似,此時(shí)測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)4的最終應(yīng)力分別為4.845、4.875、4.650、4.740 kPa。管線滲漏造成的隧道管片應(yīng)力增量占最終應(yīng)力的30%左右。

由此可以看出,管線發(fā)生滲漏時(shí),隧道管片承受的應(yīng)力要遠(yuǎn)大于開挖穩(wěn)定后的應(yīng)力,可能會(huì)出現(xiàn)管片環(huán)縫開量過大而漏水、漏砂或者管片縱向受拉破壞,對(duì)整個(gè)盾構(gòu)施工造成較大的損失。

管線滲漏,水體進(jìn)入砂土,在逐漸下滲過程中,滲漏產(chǎn)生了滲透力,地層應(yīng)力重新分布,滲漏產(chǎn)生地表沉降,造成此階段沉降速率加快,此時(shí)隧道頂部承受的壓力變大。隨著地表沉降變化,隧道應(yīng)變逐漸增大,最終隧道應(yīng)變趨于穩(wěn)定。隧道周圍地層在管線滲漏作用下產(chǎn)生不均勻沉降,地層表面的不均勻沉降逐級(jí)傳遞至隧道,所傳遞下來的壓力會(huì)導(dǎo)致隧道頂部因受力而產(chǎn)生安全問題,因此必須加大對(duì)地鐵隧道的保護(hù)力度。

4 結(jié) 論

(1) 地下管線滲漏的存在對(duì)隧道周圍砂土的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)有著較明顯的影響,管線滲漏造成的地表沉降占總沉降的28.78%。

(2) 管線滲漏增加了管線的沉降,這是由于管線滲漏水體的滲透力作用,導(dǎo)致局部土體位移增加,在管-土相互作用下,管線沉降增大了24.76%。

(3) 在隧道開挖過程中,隧道頂部始終受上層土體壓力且逐漸增大;管線滲漏,地表沉降變大,造成隧道管片承受的應(yīng)力也隨之增大,增幅為30%左右。