超大直径盾构下穿地下管线的变形及其安全控制研究

王晓锋

（国网上海市电力公司，上海200002）

超大直径盾构下穿地下管线的变形及其安全控制研究

王晓锋

（国网上海市电力公司，上海200002）

城市地下管线铺设密集，在近距离隧道施工下极易受到扰动，因此实现隧道施工中地下管线的安全控制十分重要。根据施工前期地表沉降与管线受力变形关系，提出当隧道推进方向与地下管线垂直时，基于管线的极限变形能力确定地表沉降控制值，并依托上海虹梅南路隧道工程中的实测数据以及ABAQUS有限元软件数值分析方法，研究超大直径泥水盾构施工中地埋管线的变形及安全控制的相关问题，为实际工程中管线事故的预防及控制提供参考。

盾构法；隧道施工；地下管线；安全控制

城市地下交通的发展是当今城市建设中的重要组成部分，而城市交通的不断发展，离不开盾构隧道技术尤其是同步注浆技术的迅速发展［1］。然而，无论泥水盾构技术如何进步，超大直径盾构推进过程中仍将不可避免地会使地面出现沉降（或隆起），并且对周围土层产生扰动。实际工程中地下空间往往密集分布着各类管线，其运行状态直接关系到人民生活质量，地下管线周围土体的扰动及其对管线的变形影响及控制是至关重要的研究课题。

目前盾构隧道施工引起土体位移的计算方法中应用最为广泛的是经典的Peck公式［2］。此后刘建航院士（1990）［3］等先后对此方法进行了不断地改进，沈培良等（2003）［4］提出了一个盾构法隧道纵向地面沉降曲线的数学拟合公式，姜忻良等（2004）［5］则通过回归分析提出了不同深度土层沉降槽宽度系数的计算公式。此外，国内外对隧道掘进引起的管线变形研究较多［6－8］，典型的计算方法是 Attewell（1986）［6］基于Winkler弹性地基模型，提出隧道施工对结构与管线的影响，在考虑到管线埋深的影响下引入有效地基反作用模量参数Keff。

本文结合上海虹梅南路隧道工程采用超大直径泥水平衡盾构施工，通过将理论计算值、数值模拟值与实测数据进行分析论证，总结出隧道施工过程中，乙烯燃气管线的变形及受力情况。

1 地层沉降计算

Peck的研究对于地表以下至隧道顶部平面以上土层，地层损失的体积假设仍然成立，即地表以下任意土层的沉降槽的体积等于地层损失，沉降槽曲线均成正态分布曲线，如图1所示，地表横向沉降槽曲线呈正态分布，原点位于隧道中心线正上方，X轴沿地表平面与隧道中心线垂直，Z轴垂直于地表向下。

图1 各土层沉降槽正态分布曲线

地表最大沉降为δmax（0），距地表 Z处地层最大沉降为δmax（Z），i为沉降槽宽度（m），i（Z）距地表 Z处地层沉降槽宽度（m）；Z0为隧道轴线埋深（m）。二者存在以下关系［5］：

2 管线极限变形下地表最大沉降控制值

在研究管线变形时，最重要的并非管线各点的竖向位移，而是各点管线曲率∂2δp／∂x2。根据Attewell的研究表明，管线的最大正曲率总是发生在 x＝0处。而管线的曲率、管线所承受的弯矩和管线最外层纤维的挠应变均可与地表最大沉降值δmax建立关系。设ρ为管线曲率半径，则管线曲率可表示为1／ρ。

2.1 管线的弯矩与地表最大沉降的关系

根据已有的研究，当隧道掘进方向与管线方向垂直时，可以得到管线所受弯矩如图2所示，可以看出，当隧道与管线垂直时，管线弯矩最大值即为隧道正上方位置。

图2 管线与隧道位置关系及管线弯矩简图

2.2 管线的曲率与地表最大沉降的关系

由材料力学的知识［9－10］，管线弯矩与曲率关系得：

当隧道与管线垂直时管线最大曲率与管线处土层最大沉降量的关系如下［8］：

2.3 地表最大沉降的控制

实际工程中，往往不易直接测得管线变形，则需要通过控制地表沉降值来间接控制隧道施工对地下管线的影响。

由材料力学知识得管线最外层纤维的挠应变为：

管线弯曲正应力为：

若已知管线允许弯曲正应力［11］为［σ］，则根据式（5）得该管线的允许曲率为：

3 工程实例分析

3.1 工程概况及基本假定

上海虹梅南路越江隧道采用直径14.93 m泥水平衡盾构施工，为模拟工程中工业乙烯管的受力状态，在隧道某一区段埋设一与乙烯管材质相同的钢管，通过对此钢管的变形情况的分析研究，为施工中乙烯管线的施工保护措施提供必要的数据支持。表1给出本文中工程相关参数。

表1 算例中的相关数据表

因隧道轴心线与该监测管线近乎垂直，钢管的总长度定为30 m，采用三根钢管焊接而成，每根钢管10m。钢管埋设在奉贤施工场地内，与隧道垂直，钢管中心位置处于H96。钢管每隔约2.5 m设置一个测点，共设13个监测点，其中1个为基准点，12个为监测点，钢管沉降采用BGK－4675型沉降监测（静力水准）系统监测。具体管线情况及测点位置如图3所示。计算分析中，对地质参数做适当简化。

图3 测点分布位置图

3.2 实测数据分析

3.2.1 地表竖向位移

如前文中所述，该模拟实验钢管埋置位置为H96位置处，该处地表竖向位移发展情况如图4所示。地表沉降基本以正态曲线形式分布；而随着施工阶段的不断变化，横断面监测数据大小、沉降槽的形状以及最大沉降都在不断地发生变化，最终稳定竖向最大位移约为8mm。

图4 地表竖向位移发展图

3.2.2 钢管竖向位移

结合试验数据得出钢管的沉降槽具体发展过程图如图5所示。由图5可以看出盾尾脱出10环后，由于土体受盾构推进扰动的不同，钢管中间与两边的差异沉降缓慢增大，各位置变形发展规律与土体竖向位移变化规律基本一致。至2012年11月5日，钢管变形基本稳定，最大沉降约为14mm。

图5 钢管竖向位移发展图

3.3 数值模拟分析

由于研究对象隧－管为空间垂直关系，故利用ABAQUS有限元分析软件，建立二维模型，尺寸300 m×100 m。岩土材料的本构关系采用莫尔－库伦模型，单元类型取CPE4，边界条件取侧面限制水平位移，底面限制水平及竖向位移；模拟钢管采用各项同性弹性材料，单元类型为B21梁单元；钢管与土层之间的接触关系为节点固结，即土层和钢管始终密切接触。另外，为了研究钢管在不同埋深及不同强度下的影响，分以下三个工况进行分析。

（1）与实况一致，加入管线一，埋深2m；

（2）其他条件均不变，加入管线二，埋深10 m，强度与管线一相同；

（3）其他条件均不变，加入管线三，埋深10 m，强度小于管线二。

开挖步骤完成后，取对称土体变形情况如图6所示，土体开挖对地表沉降影响范围约为3.5倍直径，最大沉降发生在隧道轴线正上方。

图6 工况1土体变形云纹图

3.3.1 管线及土层竖向位移

图7反映了地表、管线一、管线二及管线三的竖向变形情况。开挖步骤完成后，由各管线变形情况可以看出对于不同埋深的管线，开挖对其变形影响范围大致相同，单侧约为3倍直径。其中地表最大沉降约为11.5 mm，管线一的最大竖向变形值约为12mm，管线二的最大竖向变形值约为13.4 mm，管线三的最大竖向变形值约为13.7mm。

图7 地表及各管线竖向变形图

由分析结果可得：

（1）同等施工条件下，管线二最大变形明显大于管线一，即管线变形沉降槽最大值随深度增大而增大；

（2）同等施工条件下，管线三最大变形大于管线二，即管线沉降槽最大值随管线强度降低而增大；

（3）当隧道与管线垂直时，地表及地表以下各地层位移基本符合前文中提到的关系式（1）。

3.3.2 管线弯矩

管线沿轴向弯矩计算结果如图8所示，图中，纵坐标表示管线轴线方向的弯矩，正值为负弯矩，负值为正弯矩。由分析结果可得：

（1）隧道开挖后，隧道正上方一倍直径范围内管线受到正弯矩作用，两侧两倍直径范围内，管线受到负弯矩作用，以外范围则作用很小；

（2）同等施工条件下，管线二弯矩明显大于管线一弯矩，即管线所受弯矩随埋深增大而增大；

（3）同等施工条件下，管线三弯矩作用很小，即管线所受弯矩随强度减小而减小。

图8 管线沿轴向弯矩计算结果

3.3.3 土体及管线水平位移

图9反映了地表、管线一、管线二及管线三的水平变形情况。

图9 地表及各管线水平变形图

由分析结果可得：

（1）隧道施工过程中，整体水平位移值较小，且由于开挖土体的损失，导致土体由两侧向中间挤压；

（2）同等施工条件下，各土层土体水平变形值随深度增大而减小；

（3）同等施工条件下，管线水平变形值随管线强度降低而增大。

3.4 实测数据与数值模拟结果对比

图10为地表及管线的实测与数值模拟竖向变形图。实测与数值模拟中，钢管与地表最大竖向位移均发生在隧道轴线上方位置。其中，实测地表最大沉降约为8.2mm，管线最大竖向变形值约为14.5 mm；数值模拟结果地表最大沉降约为11.5 mm，管线最大竖向变形值约为12mm。

图10 实测与数值模拟结果对比

由图10可以看出，就地表沉降而言，实测值比数值模拟值小，但沉降槽形状几乎一致，可见该段施工中采取了较为有效的沉降控制措施；而就管线而言，实测结果与数值模拟结果在数值上差异不大，但沉降槽形状差异很大，即可能由于模拟实验并不能完全真实反映实际情况。

4 结 论

（1）当隧道与管线垂直时，地表及地表以下各地层位移基本符合前文中提到的关系式（1）。另外，由于施工中采取了较为有效的沉降控制措施，数值模拟值略大于实测结果数值，但沉降槽形状几乎一致；

（2）同等施工条件下，管线变形沉降槽最大值随深度增大而增大、随管线强度降低而增大；隧道施工过程中，由于开挖土体的损失，导致土体由两侧向中间挤压，但整体水平位移值较小；且土层水平变形值随深度增大而减小，管线水平位移也随管线强度降低而增大；

（3）隧道开挖后，垂直于隧道的地下管线在隧道正上方一倍直径范围内受到正弯矩作用，两侧两倍直径范围内，管线受到负弯矩作用，以外范围作用很小；同等施工条件下，管线所受弯矩随埋深增大而增大，随强度减小而减小；

（4）文中模拟钢管实验由于边界条件等局限性，并不能真实反映实际情况，该钢管并不完全满足与土体协调变形的假设，因此导致其实测沉降槽形态与数值模拟结果有较大差异。

［1］ 姜玉松.现代注浆技术的开拓应用及发展［J］.现代隧道技术，2008，45（2）：6-9.

［2］ Peck R B.Deep excavations and tunneling in soft ground［R］.Proceeding of 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.Mexico City：State of the Art Report，1969：225-290.

［3］ 刘建航，侯学渊.盾构法隧道［M］.北京：中国铁道出版社，1991.

［4］ 沈培良，张海波，殷宗泽上海地区地铁隧道盾构施工地面沉降分析［J］.河海大学学报，2003，31（5）：556－559.

［5］ 姜忻良，赵志民，李 圆.隧道开挖引起土层沉降槽曲线形态的分析与计算［J］.岩土力学，2004，25（10）：1542-1544.

［6］ Attewell PB，Yeates J，Selby A R.Soilmovements induced by tunneling and their effectson pipelines and structures［M］.London：Blackie＆Son Ltd，1986.

［7］ 张晓玲.浅谈弹性地基梁的计算方法［J］.山西建筑，2008，34（5）：150-152.

［8］ 陈 敏.隧道施工扰动下邻近管线的位移及其周围土体变形的研究［D］.北京：北京交通大学，2008.

［9］ 孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学（I）［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［10］ 莫海鸿，杨小平.基础工程（第二版）［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［11］ Moser A P，北京市市政工程设计研究总院《地下管设计》翻译组译.地下管设计［M］.北京：机械工业出版社，2003.

Deformation and Safety Control of Buried Pipelines Crossed by Super-diameter Slurry Shield-tunneling

WANG Xiao-feng
（Shanghai City Electric Power Company of State Grid，Shanghai 200002，China）

Nowadays，the urban buried-pipelines have a dense distribution and is easier to be disturbed by tunneling around，therefore，how to control the urban pipelines safely during the tunnel construction is an important subject.According to the theoretical relation between surface subsidence and pipeline stresswhen the pipeline is perpendicular to the tunnel drive，it is proposed thata control value of themaximum ground settlement is determined based on the limit deformation capacity of the pipeline.The study for the deformation and safety control of the buried-pipelines crossed by superdiameter slurry shield-tunneling in Shanghai Hong-mei South Road’s tunnel construction is carried out based on the site data and finite element simulation by ABAQUS software，so as to provide some references for the pipeline accident prevention and safety control in the future.

shieldingmethod；tunnel construction；buried pipelines；security control

U455

A

1672—1144（2014）01—0169—05

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.035

2013-10-08

2013-12-30

王晓锋（1982—），男，江苏通州人，工程师，主要从事工程管理类科研工作。