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(yīng)力、接口模擬、失效模式、管土相互作用、控制標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)估簡(jiǎn)化算法、離心模型實(shí)驗(yàn)以及有限元數(shù)值 分析 等方面,綜述了國(guó)內(nèi)外隧道施工對(duì)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(dǎo)致管線功能喪失的主要原因,主要表        摘要:從地下管線初始應(yīng)力、接口模擬、失效模式、管土相互作用、控制標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)估簡(jiǎn)化算法、離心模型實(shí)驗(yàn)以及有限元數(shù)值 分析 等方面,綜述了國(guó)內(nèi)外隧道施工對(duì)地下管線 影響 的已有

2、研究 成果。開挖引起周圍地層的差異沉降是導(dǎo)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(duì)位置、管線的彎曲剛度和土體的強(qiáng)度。管線的控制標(biāo)準(zhǔn)可以從地層移動(dòng)、管線接頭轉(zhuǎn)角與脫開以及管線應(yīng)變等方面考慮制定。對(duì)此類 問題 的分析,常用的彈性地基梁法與工程類比法都是基于經(jīng)驗(yàn)的預(yù)測(cè) 方法 ,沒有考慮管道腐蝕引起的安全性下降,僅是采用較嚴(yán)格的變形控制標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)在腐蝕管道評(píng)定的基礎(chǔ)上合理制定變形控制標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合開挖引起地層移動(dòng)與管土相互作用以及管材強(qiáng)度與變形特性的研究,建立一套完整適用的管線安全性評(píng)估體系。 關(guān)鍵詞:地下管線;管

3、土相互作用;地鐵施工  目前 我國(guó)已有9個(gè)城市開通了地鐵、輕軌線路。大規(guī)模的地鐵建設(shè)勢(shì)必造成對(duì)城市地下管線的影響,有許多管線年代很久,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低,稍加擾動(dòng)就會(huì)引起滲漏而釀成災(zāi)害和事故。地鐵施工影響鄰近管線問題,國(guó)外已有較多研究,國(guó)內(nèi)在這方面研究不多,僅對(duì)深基坑開挖影響鄰近管線有較深化研究。充分了解國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,對(duì)于下一步開展相關(guān)研究非常必要。1 地下管線研究1·1 初始應(yīng)力研究      埋地管線在受到開挖引起地層運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)前的應(yīng)力稱為初始應(yīng)力。正常情況下埋入地下的管道所受的主要負(fù)荷為內(nèi)壓力(工作壓力、實(shí)驗(yàn)壓力)和外壓力(

4、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(yīng)力、重復(fù)荷載和安裝應(yīng)力,認(rèn)為作用在管線上的初始應(yīng)力值大致為當(dāng)管線縱向彎曲應(yīng)變達(dá)到0.02%0.04%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。Moser2進(jìn)行了螺旋肋鋼管和低勁性加肋鋼管的實(shí)驗(yàn),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。王紹周等3對(duì)各類壓力管進(jìn)行了支座荷載、軸向應(yīng)力等方面的研究工作,提出了初始應(yīng)力 計(jì)算 的 理論 方法及相應(yīng)計(jì)算公式。      埋地管線的實(shí)際受力情況為三維應(yīng)力狀態(tài),當(dāng)管徑較小且埋深較淺時(shí),內(nèi)外壓力引起的徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力相對(duì)較小

5、,一般都小于其抗拉、抗壓強(qiáng)度,而隧道開挖對(duì)他們影響又很小,對(duì)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(yīng)力或接頭脫開應(yīng)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(dòng)的管道稱為柔性管,否則為剛性管。Singhal4在柔性管性能方面做了很多基礎(chǔ)工作,對(duì)公稱口徑分別為100,150,200及250mm的離心鑄造球墨鑄鐵管進(jìn)行彎曲、拉伸和扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn),得到了軸心拉拔力、彎矩和扭矩的計(jì)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)的實(shí)驗(yàn)特性,解析管線接頭的抗變形機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯

6、示管線的埋深與土體的強(qiáng)度均是影響管線變形的因素。在軸向拉伸與扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)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)生脫離以及脫離的工夫;摩擦系數(shù)越大,管段越不易脫離。      李大勇在Singhal的基礎(chǔ)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,并與剛性管進(jìn)行了對(duì)比。指出圍護(hù)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(dá)到對(duì)其安全保護(hù)的措施是采用基坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體加固、加設(shè)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(dòng)而產(chǎn)生附加應(yīng)力和附加變形。同時(shí),

7、由于管線的剛度遠(yuǎn)大于土體的剛度,又必然會(huì)對(duì)周圍土體的移動(dòng)產(chǎn)生抵抗作用。在施工擾動(dòng)作用下,管線可能產(chǎn)生            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(dòng)而產(chǎn)生附加應(yīng)力和附加變形。同時(shí),由于管線的剛度遠(yuǎn)大于土體的剛度,又必然會(huì)對(duì)周圍土體的移動(dòng)產(chǎn)生抵抗作用。在施工擾動(dòng)作用下,管線可能產(chǎn)生泄漏,以至結(jié)構(gòu)上的破壞Clarke8系統(tǒng) 總結(jié) 了管線的各種破壞類型及其原因,如圖1所示

8、。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)向彎矩引起縱向劈裂;熔斷、由長(zhǎng)期腐蝕引起孔洞或穿孔;管線接頭處泄漏;引入連接點(diǎn)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(dǎo)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(duì)于非剛性連接的管線,地層差異沉降導(dǎo)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(rèn)為,隧道施工引起的土體移動(dòng)對(duì)管線的影響應(yīng)根據(jù)隧道軸線方向與管線的相對(duì)位置確定。當(dāng)隧道與管線垂直時(shí),管線周圍土體的縱向位移將引起

9、管線彎曲應(yīng)力的增加及接頭轉(zhuǎn)角的增大;當(dāng)隧道與管線平行時(shí),土體對(duì)管線的軸向拉壓作用將引起接頭脫開以及管體拉壓應(yīng)力的增加。管土相互作用主要表現(xiàn)為管線對(duì)土體移動(dòng)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(dòng)模式,分析了柔性管的破壞準(zhǔn)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(dú)立剛性管段,變形由接頭轉(zhuǎn)角獨(dú)立承擔(dān);理想柔性管變形與

10、地層一致,其變形直接反映地層移動(dòng)的曲率,接頭處無轉(zhuǎn)角。理想剛性管主要通過接頭的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)際的管線屬于剛性管還是柔性管主要取決于管土的相對(duì)剛度、接頭彎矩承載力、接頭相對(duì)于地層移動(dòng)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(duì)應(yīng)的地基反力系數(shù)的值)。     2·2 管土相互作用類型    

11、  根據(jù)管線對(duì)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      對(duì)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(shè)管線對(duì)周圍土體移動(dòng)沒有抵抗能力,將沿土體的移動(dòng)軌跡變形。Carder與Tayor11采取足尺實(shí)驗(yàn),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。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,管線的移動(dòng)軌跡與所處地層土體移動(dòng)軌跡相吻合。      ORourke和

12、Ahmed12等用二維及三維有限元模擬了深溝開挖對(duì)鄰近鑄鐵管線的影響;分析結(jié)果表明,當(dāng)管線與周圍土體不產(chǎn)生相對(duì)位移時(shí),可以不考慮施工對(duì)管線的影響。Nath13 應(yīng)用 三維有限元模擬分析了管徑75450mm的鑄鐵管在埋深1.0m條件下對(duì)鄰近地層開挖的響應(yīng);分析結(jié)果顯示,管徑小于150mm的鑄鐵管線對(duì)地層的移動(dòng)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(dòng)的速度成冪指數(shù)關(guān)系。 2)有抵抗作用      當(dāng)管線管徑增大到一定程度后就會(huì)對(duì)周圍土體的移動(dòng)產(chǎn)生抵制作用,從而增大了管

13、線破壞的風(fēng)險(xiǎn)。按照管線與周圍土體的接觸情況,對(duì)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(bào)道相對(duì)較少。3 研究方法3.1 地下管線的經(jīng)驗(yàn)控制標(biāo)準(zhǔn)1)地層移動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn) ORourkeTrautman10提出了一種管線損害評(píng)估的經(jīng)驗(yàn)方法,主要 參考 指標(biāo)是管線可能受損處的地層移動(dòng)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(duì)砂層中的淺埋隧道,規(guī)定了橫向                 

14、1)地層移動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)      ORourke&Trautman10提出了一種管線損害評(píng)估的經(jīng)驗(yàn)方法,主要 參考 指標(biāo)是管線可能受損處的地層移動(dòng)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(duì)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(fēng)險(xiǎn),對(duì)于脆性材質(zhì)管線如灰色鑄鐵管,上述評(píng)估方法并不適用。      2)接頭轉(zhuǎn)角與脫開控制標(biāo)準(zhǔn)      如表2所示

15、,Attewell9等人給出了鑄鐵管在地層移動(dòng)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(jì),并取最大估計(jì)值。當(dāng)管線與隧道橫交時(shí), 將計(jì)算的估計(jì)值與表2的控制標(biāo)準(zhǔn)比較,可以做出管線的安全性評(píng)價(jià)。      3)管線應(yīng)變控制標(biāo)準(zhǔn)      鑄鐵管對(duì)隧道開挖引起的拉應(yīng)變比較敏感,一般壓應(yīng)變不起控制作用。總拉應(yīng)變主要由2部分組成:與曲率相關(guān)的彎曲應(yīng)變和軸向應(yīng)變。受管線鑄造質(zhì)量等多種因素的影響,管線破裂時(shí)的拉應(yīng)變值變化很大,一般在40006000。鑄鐵的缺陷會(huì)引起應(yīng)

16、力集中,在管壁相對(duì)較薄地方的拉應(yīng)變可以降到200015。另外,其他原因?qū)е碌貙右苿?dòng)而引起管線的應(yīng)力集中也會(huì)導(dǎo)致鑄鐵的質(zhì)量退化16和腐蝕17。因此想象時(shí)需要考慮這些因素。Attewell等提出了在直接拉應(yīng)力作用下總允許應(yīng)變的限制范圍,如表3所示;如果考慮地層移動(dòng)作用下管線的附加應(yīng)變,允許值的選用應(yīng)該更加保守,如表4所示。   1)地層移動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn) ORourkeTrautman10提出了一種管線損害評(píng)估的經(jīng)驗(yàn)方法,主要 參考 指標(biāo)是管線可能受損處的地層移動(dòng)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(duì)砂層中的淺埋隧道,規(guī)定了橫向   &

17、#160;              1)地層移動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)      ORourke&Trautman10提出了一種管線損害評(píng)估的經(jīng)驗(yàn)方法,主要 參考 指標(biāo)是管線可能受損處的地層移動(dòng)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(duì)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(fēng)險(xiǎn),對(duì)于脆性材質(zhì)管線如灰色鑄鐵管,上述評(píng)估方法并不適用。      2)接頭轉(zhuǎn)角與脫開控制標(biāo)準(zhǔn)      如表2所示,Attewell9等人給出了鑄鐵管在地層移動(dòng)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(jì),并取最大估計(jì)值。當(dāng)管線與隧道橫交時(shí), 將計(jì)算的估計(jì)值與表2的控制標(biāo)準(zhǔn)比較,可以做出管線的安全性評(píng)價(jià)。      3)管線應(yīng)變控制標(biāo)準(zhǔn)