地鐵施工影響鄰近管線的研究現(xiàn)狀與展望

1、地鐵施工影響鄰近管線的研究現(xiàn)狀與展望        摘要:從地下管線初始應力、接口模擬、失效模式、管土相互作用、控制標準、評估簡化算法、離心模型試驗以及有限元數(shù)值分析等方面,綜述了國內(nèi)外隧道施工對地下管線影響的已有研究成果。開挖引起周圍地層的差異沉降是導致管線功能喪失的主要原因,主要表現(xiàn)形式為縱向彎矩引起的橫向斷裂和非剛性連接的管線接頭張開等。影響管線變形的主要因素包括管線與隧道的相對位置、管線的彎曲剛度和土體的強度。管線的控制標準可以從地層移動、管線接頭轉(zhuǎn)角與脫開以及管線應變等方面考慮制定。對此類問題的分析,常用

2、的彈性地基梁法與工程類比法都是基于經(jīng)驗的預測方法,沒有考慮管道腐蝕引起的安全性下降,僅是采用較嚴格的變形控制標準。應在腐蝕管道評定的基礎上合理制定變形控制標準,結(jié)合開挖引起地層移動與管土相互作用以及管材強度與變形特性的研究,建立一套完整實用的管線安全性評估體系。關(guān)鍵詞:地下管線;管土相互作用;地鐵施工 目前我國已有9個城市開通了地鐵、輕軌線路。大規(guī)模的地鐵建設勢必造成對城市地下管線的影響,有許多管線年代很久,結(jié)構(gòu)強度低,稍加擾動就會引起滲漏而釀成災害和事故。地鐵施工影響鄰近管線問題,國外已有較多研究,國內(nèi)在這方面研究不多,僅對深基坑開挖影響鄰近管線有較深入研究。充分了解國內(nèi)外的研究現(xiàn)

3、狀,對于下一步開展相關(guān)研究十分必要。1 地下管線研究1·1 初始應力研究      埋地管線在受到開挖引起地層運動擾動前的應力稱為初始應力。正常情況下埋入地下的管道所受的主要負荷為內(nèi)壓力(工作壓力、實驗壓力)和外壓力(垂直土荷載、水平土荷載和地面活荷載)。Taki與ORourke1分析了作用在鑄鐵管上的內(nèi)部壓力、溫度應力、重復荷載和安裝應力,認為作用在管線上的初始應力值大致為當管線縱向彎曲應變達到0.02%0.04%時對應的應力值。Moser2進行了螺旋肋鋼管和低勁性加肋鋼管的試驗,結(jié)果顯示這些管線的性能很大程度上受土壤密度的影響。王

4、紹周等3對各類壓力管進行了支座荷載、軸向應力等方面的研究工作,提出了初始應力的理論方法及相應計算公式。      埋地管線的實際受力情況為三維應力狀態(tài),當管徑較小且埋深較淺時,內(nèi)外壓力引起的徑向應力和環(huán)向應力相對較小,一般都小于其抗拉、抗壓強度,而隧道開挖對他們影響又很小,對管線的安全不起控制作用,可以只考慮由于隧道開挖而在管線中引起的縱向彎曲應力或接頭脫開應力。1·2 管道接頭模擬       地下管可分為剛性管和柔性管。接頭允許轉(zhuǎn)動的管道稱為柔性管,否則為剛性管。Singhal4在

5、柔性管性能方面做了很多基礎工作,對公稱口徑分別為100,150,200及250mm的離心鑄造球墨鑄鐵管進行彎曲、拉伸和扭轉(zhuǎn)試驗,得到了軸心拉拔力、彎矩和扭矩的計算公式。通過研究球墨鑄鐵管橡膠接頭的軸向拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)的試驗特性,解析管線接頭的抗變形機制。試驗結(jié)果顯示管線的埋深與土體的強度均是影響管線變形的因素。在軸向拉伸與扭轉(zhuǎn)試驗中,接頭處的密封圈與管道之間的摩擦系數(shù)控制著管段間是否發(fā)生脫離以及脫離的時間;摩擦系數(shù)越大,管段越不易脫離。      李大勇在Singhal的基礎上,研究了深基坑開挖引起的柔性接口地下管線位移及其接口內(nèi)力問題,并與剛

6、性管進行了對比。指出圍護結(jié)構(gòu)位移與地下管線位移密切相關(guān),最有效控制地下管線位移,達到對其安全保護的措施是采用基坑內(nèi)被動區(qū)土體加固、加設內(nèi)撐或兩者并用的方案。1.3 管線失效模式      管線功能失效的形式是多樣的,并因其周圍土體受到施工擾動而產(chǎn)生附加應力和附加變形。同時,由于管線的剛度遠大于土體的剛度,又必然會對周圍土體的移動產(chǎn)生抵抗作用。在施工擾動作用下,管線可能產(chǎn)生泄漏,甚至結(jié)構(gòu)上的破壞Clarke8系統(tǒng)了管線的各種破壞類型及其原因,如圖1所示。Attewell9等提出了脆性灰鐵管的幾種功能失效的模式:縱向彎矩引起橫向斷裂;環(huán)向彎矩引起縱

7、向劈裂;熔斷、由長期腐蝕引起孔洞或穿孔;管線接頭處泄漏;引入連接點處泄漏;直接沖擊引起損傷。上述破壞形式的出現(xiàn)與管線的材料、接頭類型、幾何尺寸等多種因素有關(guān)。在地鐵施工過程中,開挖引起周圍地層的差異沉降是導致管線功能喪失的主要原因,主要表現(xiàn)形式為縱向彎矩引起的橫向斷裂。對于非剛性連接的管線,地層差異沉降導致的管線接頭張開也是非常普遍的現(xiàn)象。2 管土相互作用Attewell9認為,隧道施工引起的土體移動對管線的影響應根據(jù)隧道軸線方向與管線的相對位置確定。當隧道與管線垂直時,管線周圍土體的縱向位移將引起管線彎曲應力的增加及接頭轉(zhuǎn)角的增大;當隧道與管線平行時,土體對管線的軸向拉壓作用將引起接頭脫開以

8、及管體拉壓應力的增加。管土相互作用主要表現(xiàn)為管線對土體移動的抵制作用,這種抵制作用主要與管線的直徑、剛度、接頭類型及所處位置有關(guān)。2.1 理論模型      ORourke10根據(jù)隧道開挖引起的地層移動模式,分析了柔性管的破壞準則,提出了管土相互作用的模型。      如圖2所示,理想剛性管變形類似獨立剛性管段,變形由接頭轉(zhuǎn)角獨立承擔;理想柔性管變形與地層一致,其變形直接反映地層移動的曲率,接頭處無轉(zhuǎn)角。理想剛性管主要通過接頭的相對轉(zhuǎn)動承受變形,理想柔性管承受變形主要是在管內(nèi)產(chǎn)生彎矩,實際的管線

9、屬于剛性管還是柔性管主要取決于管土的相對剛度、接頭彎矩承載力、接頭相對于地層移動的位置,等等。ORourke提出采用彈簧-滑塊模型來模擬管土相互作用,如圖3所示。彈簧的彈性系數(shù)為      式中:d表示管線外徑,mm;k為系數(shù)(取管徑305mm對應的地基反力系數(shù)的值)。2·2 管土相互作用類型      根據(jù)管線對土體有無抵制作用,可以將管土相互作用分為2類。      1)無抵制作用    &#

10、160; 對于埋置深度不大(一般在1.5m以內(nèi))的地下管線,通?？梢约僭O管線對周圍土體移動沒有抵抗能力,將沿土體的移動軌跡變形。Carder與Tayor11采取足尺試驗,研究了置于不同土體中的埋置深度0.75m和直徑100mm的鑄鐵管在鄰近開挖影響下的性狀改變情況。試驗結(jié)果表明,管線的移動軌跡與所處地層土體移動軌跡相吻合。      ORourke和Ahmed12等用二維及三維有限元模擬了深溝開挖對鄰近鑄鐵管線的影響;分析結(jié)果表明,當管線與周圍土體不產(chǎn)生相對位移時,可以不考慮施工對管線的影響。Nath13應用三維有限元模擬分析了管徑75450m

11、m的鑄鐵管在埋深1.0m條件下對鄰近地層開挖的響應;分析結(jié)果顯示,管徑小于150mm的鑄鐵管線對地層的移動幾乎沒有任何抵抗能力。Georgiadis14研究表明,埋置深度不大(通常在1.5m以內(nèi))的地下管線受到的作用力與土體移動的速度成冪指數(shù)關(guān)系。2)有抵抗作用      當管線管徑增大到一定程度后就會對周圍土體的移動產(chǎn)生抵制作用,從而增大了管線破壞的風險。按照管線與周圍土體的接觸情況,對此又可分為管線與土體緊密接觸和管線與土體分離2種情況。這方面的研究報道相對較少。3 研究方法3.1 地下管線的經(jīng)驗控制標準   

12、   1)地層移動控制標準      ORourke&Trautman10提出了一種管線損害評估的經(jīng)驗方法,主要指標是管線可能受損處的地層移動坡角Smax/i,它與可能的管線破壞的關(guān)系是高斯沉降分布的函數(shù)。對砂層中的淺埋隧道,規(guī)定了橫向沉降槽的Smax/i限值,如表1所示。由于該方法沒有考慮地層條件、管線種類等變化帶來的風險,對于脆性材質(zhì)管線如灰色鑄鐵管,上述評估方法并不適用。      2)接頭轉(zhuǎn)角與脫開控制標準    

13、60; 如表2所示,Attewell9等人給出了鑄鐵管在地層移動作用下接頭轉(zhuǎn)角與脫開的允許值。在沒有足夠資料條件下,管線接頭轉(zhuǎn)角可以采用保守的估計,并取最大估計值。當管線與隧道橫交時, 將計算的估計值與表2的控制標準比較,可以做出管線的安全性評價。      3)管線應變控制標準      鑄鐵管對隧道開挖引起的拉應變比較敏感,一般壓應變不起控制作用。總拉應變主要由2部分組成:與曲率相關(guān)的彎曲應變和軸向應變。受管線鑄造質(zhì)量等多種因素的影響,管線破裂時的拉應變值變化很大,一般在40006000。鑄

14、鐵的缺陷會引起應力集中,在管壁相對較薄地方的拉應變可以降到200015。另外,其他原因?qū)е碌貙右苿佣鸸芫€的應力集中也會導致鑄鐵的質(zhì)量退化16和腐蝕17。因此設計時需要考慮這些因素。Attewell等提出了在直接拉應力作用下總允許應變的限制范圍,如表3所示;如果考慮地層移動作用下管線的附加應變,允許值的選用應該更加保守,如表4所示。 1              表3中的標準比較保守。關(guān)于拉應變?nèi)≈?Herbert和Leach18指出:對于直徑大于300mm的灰色

15、鑄鐵管取200,直徑小于300mm的灰色鑄鐵管取150是合理的;在相對不利情況下,可將上述取值分別降低為150和100。3.2 彈性地基梁法      Attewell9基于Winker彈性地基梁理論提出了隧道施工對管線影響的模型,分別計算了管線垂直與平行地層運動時管線的彎曲應力與接頭轉(zhuǎn)角。研究認為,采用彈性地基梁法預測管道的變形是簡單且可靠的,并提出了一系列的經(jīng)驗公式以及管線經(jīng)驗控制標準。如圖4所示,劉建航、侯學淵19用彈性地基梁法計算了基坑施工引起的管道地基沉陷以及管道的彎曲應力,將管道變形的曲率半徑作為判斷標準。  &

16、#160;   式中:K為基床系數(shù);Ep為管道的彈性模量;Ip為管道的慣性矩;q為作用在管道上的壓力;Sp為管道位移量。      Takagi20在現(xiàn)場調(diào)查的基礎上,研究了由于開挖引起的地層沉降模式。采用彈性地基梁法計算隧道開挖在鋼管與鑄鐵管上引起的附加應力。研究認為:當?shù)貙右苿优c管線走向垂直時,彎曲應力起控制作用;隨沉降槽寬度的增加,管線上的彎曲應力逐漸減小。在考慮地層沉降后,對彈性地基梁方程進行了修正,如式(5)所示。EI(d4S/dx4)+KSd=KSpd     &

17、#160;    (5)      式中:S為地層沉降量;Sp為管線沉降量;EI為管線彎曲剛度;K為地基基床系數(shù);d為管線直徑。高田至郎21根據(jù)彈性地基梁理論對受到地基沉降影響下的地下管線進行模型化處理,提出了計算管線最大彎曲變形、最大接頭轉(zhuǎn)角、最大接頭脫開的設計公式。段光杰22結(jié)合理論分析與實測結(jié)果給出了地表沉降曲線的經(jīng)驗公式,建立了管線變形參數(shù)與地表沉降值的經(jīng)驗函數(shù)關(guān)系。高文華23利用Winker彈性地基梁理論分析了基坑開挖導致的地下管線豎向位移和水平位移,給出了不同管線變形控制標準及安全度評價準則。研究認為,

18、管線的最大豎向位移與地基豎向基床換算系數(shù)在一定值內(nèi)成反比;當基床換算系數(shù)增大到一定數(shù)值,管線豎向位移趨于平穩(wěn);地表沉陷量與地下管線豎向位移成正比。3.3 剛性管線由隧道開挖引起的最大彎矩的計算方法      Vorster24提出了預測剛性接頭地下管線在隧道開挖下引起的最大彎矩的方法,主要根據(jù)管線和隧道的幾何形狀、土體與管道的剛度、管線位置處的地層移動進行判斷。該方法采用等效線性的方法并考慮了土體的非線性特性。用該方法計算得到的彎矩可以作為離心機模型試驗結(jié)果的上限。      綜上所述,地鐵施工

19、對管線影響的預測分析方法大致可分為數(shù)學解析法和工程類比法2類。數(shù)學解析法又分為兩階段分析法和地層結(jié)構(gòu)法,地層結(jié)構(gòu)法中包括彈性地基梁法和結(jié)構(gòu)土體完全耦合作用法。但上述方法也存在不足。彈性地基梁法沒有考慮管道結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系,僅通過地層沉降推測管道沉降,沒有對管線的安全與否做出評價。工程類比法給出了管線變形的控制標準以及保守的變形估計值,但缺乏對這一問題的系統(tǒng)研究,尚未建立管線安全的評估體系。對于管線受施工影響的預測分析,本文推薦采用彈性地基梁法,選用地表最大沉降值作為目標控制值。4 離心機模型試驗研究情況OsamuKusakabe25主要研究在砂土中開挖對鄰近管線響應的離心模型試驗。離心機的模型如

20、圖5所示。根據(jù)離心模型試驗,影響管線移動的2個主要因素是管線軸線與開挖面的距離和管線的彎曲剛度。管線的彎曲剛度越大,所承受的彎矩也越大。最大的彎曲應變(豎直的和水平的)發(fā)生在靠近開挖面附近的位置?？拷_挖面的管線主要承受豎直彎矩,隨著與開挖面距離的增加,逐漸承受豎直和水平方向的彎矩。管線與開挖面距離越遠,管線運動的水平分量越大,豎向彎曲應變和水平彎曲應變越小,且豎向應變降低的速度比水平應變快。5 采用有限元法的研究情況李大勇5-7采用三維有限元法研究軟土地基深基坑工程對鄰近管線的影響,并考慮了基坑圍護結(jié)構(gòu)、土體與地下管線變形的耦合作用。計算管線位移與監(jiān)測結(jié)果吻合較好。吳波26,27等人利用三維有限元方法和基于ANSYS軟件平臺,建立了隧道支護結(jié)構(gòu)土體地下管線耦合作用的三維有限元分析模型,對地下管線的安全性進行了預測。      Hunter28采用兩階段分析法和有限元模型,將施工過