浅埋暗挖施工对地下管线影响研究及运用
2009-01-06 20:42
地铁浅埋暗挖施工对地下管线的影响机理研究及工程运用
摘要:随着城市现代化进程的加快,轨道交通建设全面展开,暗挖施工穿越地下管线情况愈加普遍。研究暗挖施工过程中管线的变形规律,保证管线及施工安全,成为一项重要课题。课题采用理论与实践相结合的方法,建立了一套暗挖施工过程中地下管线变形规律的研究方法;通过工程实际的修正,数值计算模型具有较高的仿真度,可以预测各种管线变化规律,达到指导工程施工的目的。
关键词:暗挖施工;地下管线;监控量测;数值模拟
城市地铁工程开挖对近邻管线的影响是地铁工程中的重点和难点,解决这个问题的关键就是在施工前要能正确地预测管线的受力和变形,然后综合考虑管线的使用功能、埋设年代、材质、构造、接头形式等诸因素,借助已有的控制标准对管线的安全性做出评价,定量掌握地铁暗挖施工对管线的影响程度,以便在施工中做出比较合理的技术决策和应变措施[1]。
1 研究的内容及方法
1.1 内容
本文重点论述给水管线在暗挖施工过程中的变形规律,主要包括以下内容:
1)确定地表、管线沉降控制指标。通过对工程实例的调研,并综合运用模糊聚类分析方法对实地调研数据进行统计分析,同时考虑工程建设的经济性及管线情况,归纳总结出管线沉降控制值。
2)基于数值模拟的方法建立暗挖施工计算模型,模拟暗挖施工中土体变形的动态过程。
3)在地表、暗挖隧道内布置沉降观测点,完成监控量测数据采集。
4)基于监控量测数据的数值模拟计算,拟合与实际较吻合的计算模型。
5)地铁暗挖施工引起的管线破坏评价方法的建立。
1.2 方法
通过数值模拟、监控量测数据分析等方法综合分析,对由于隧道开挖引起的土体、管线变形情况进行预测,再根据管线实际状况提出合理的控制标准,最后根据这些标准和预测制定合理的施工方案和保护措施。
由于管线变形不易监测,而地表沉降、洞内变形比较容易监测,因此通过地表、洞内的变形值拟合数值计算模型,再通过计算模型获取管线标高的土体变形,以达到监测管线变形的目的。在此基础上,绘制开挖过程中管线变形曲线,真正掌握管线的变形规律。
2 工程背景
北京地铁10号线安定路站～北土城东路站区间隧道工程暗挖段(K10+066.741～K10+156.501)位于朝阳区小关路口,下穿安定路,长81.76 m,呈东西走向,埋深9.02 m。暗挖区间正线为双连拱结构,结构跨度11 m,高度6.35 m(见图1)。暗挖段上方K10+122.501处有一Φ600球墨铸铁给水管,柔性接口,管底埋深2.0 m,管线位于粉质黏土地层。该管线为给水干线,供水用户较多,社会意义重大,必须保证施工过程中不发生管线变形、渗漏。
3 管线变形控制指标
管线变形控制的前提是避免对已有重要管线造成不利影响,容许值即用来定量表示这一不利影响的程度,一般采用小于容许值的指标作为施工管理标准值。对于承插接口的球墨铸铁管道,目前常采用以下控制标准。
3.1 管线沉降控制标准
1)管线两接头之间的局部倾斜不得超过b/1 000(b为管节长度),通用的4 m长的管道接头之间的沉降差不得超过40 mm。
2)参考北京、重庆地铁施工总结及相关技术标准,地表最大斜率为2.55 mm/m。
3.2 管节受弯应力控制标准
管节中纵向弯曲应力对管线的受力起控制作用,故管节中的弯曲应力小于容许值时,管道可正常使用,否则产生断裂或泄漏。对于铸铁管线安全系数取5时,容许拉应力[σt]=37.21 MPa,容许压应力[σc]=127.4 MPa,即需满足:σt<[σt]或σc<[σc]。
3.3 管接缝张开值控制标准
当管线接头转动的角度或接缝张开值小于允许值时,管道接头处于安全状态,否则将产生泄漏或破坏,影响使用。根据文献的试验数据,接缝允许张开值[Δ]可取0.925 mm,即直径为D、管节长为b的管线在管线沉降曲线曲率最大处R接缝的张开值需满足:Δ=Db/R<[Δ][2]。
根据以上控制标准,结合管道接头试验,统计分析了管道的允许变形,采用模拟技术和统计检验方法,对管道变形进行了试验。研究表明:当接口刚性填料开裂前,荷载-位移曲线为直线,接头处于弹性工作阶段,当外荷载达到开裂破坏值后,接口出现微渗,荷载-位移曲线出现1.0 mm左右的流幅,漏水量开始增大,随着位移的增加,荷载逐渐下降。但位移增加到破坏值左右时,荷载又有所回升,当超过填料开裂的拉力值,外荷载达到最大值后大幅度下降,接口完全破坏。
刘为民等对国内有代表性的4种接口形式的管子做了拉伸和弯曲试验[3],试验结果如表1所示。
4 监控量测
4.1 测点布置
暗挖区间隧道施工,监测项目主要为地表沉降、拱顶沉降、周边收敛。其中布置地表沉降监测断面5个,拱顶沉降监测断面7个。
4.2 监测数据分析
4.2.1 地表沉降
根据Φ600给水管线周边的地表沉降点观测得到的数据,收集整理并绘制成图3。地表沉降在开挖前,由于受其他因素影响(如温度、湿度等),地表变形有一个上拱的趋势。待开挖接近给水管线5 m处,管线上方土体变形速度明显增大。施工穿越管线时,地表变形持续增加。初期支护后,地表变形继续增加但速率减小。二衬完成后,地表变形趋于稳定。受施工步序影响,后续施工部位地表沉降较大,最大变形达到41.27 mm。
4.2.2 拱顶沉降
施工中,在暗挖拱顶处安设沉降监测点,收集整理暗挖拱顶(Φ600给水管线下方)变形数据,绘制成图4。拱顶沉降变形趋势与地表沉降类似,暗挖施工通过管线20 m左右后,拱顶沉降趋于稳定,最大值达到11.57 mm。
5 理论计算
5.1 模型建立
采用FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)软件模拟演算。
5.1.1 计算区域的确定
双连拱掘进建模的计算范围:模型尺寸为40 m×30 m,竖向上取至地面,下至隧道底部以下15 m处,横向取至距洞室中线两侧各20 m。模型选用80×60的网格组成,其中x向80个网格,y向60个网格,合计4 800个网格,模型断面见图5。
5.1.2 荷载条件
计算荷载主要为土体自重、地面活荷载。土体自重荷载参照岩土层物理力学参数表,地面活荷载取均布活荷载,取3 kN/m2。
5.1.3 边界条件确定
该模型侧面和底面为位移边界,侧面限制水平移动;底部为固定边界,限制水平移动和垂直移动。模型上面为地表,取为自由边界。
5.1.4 强度准则及变形模式
模型采用弹塑性理论计算,强度准则采用摩尔-库仑准则,变形模式采用大应变变形模式。
5.1.5 岩土层物理力学参数(略)
5.2 结果分析
5.2.1 地表沉降
采用数值计算模型模拟暗挖施工,通过计算可得管线上方地表最大沉降为40.47 mm,这与监控量测所得到的41.27 mm较为接近,且地表位移的变化规律也很相似,因此该模型具有较高的仿真度,可作为研究模型模拟其他变形。从地表至拱顶范围内,土层变形呈现一个先增大后减小的趋势,在地表以下4.5 m左右达到最大值42.2 mm。管线上方的地表沉降变形曲线见图6。
5.2.2 拱顶沉降
同样采用数值模型模拟拱顶变形,可得到中洞拱顶最大变形29.36 mm,这与监控量测的最大值11.57 mm有一定相差,其主要原因为施工过程中拱顶观测点布设前,拱顶已经产生了较大的变形,而监控数据中反应不了这部分变形,因此计算模拟的值较监控量测值大,这与实际也是吻合的。中洞拱顶沉降-时间曲线见图7。
5.2.3 管线变形
通过对管线周边土体位移的数值模拟计算,并与监控量测数据的对比,得到了一个与实际比较吻合的计算模型。由于暗挖上方!600给水管线埋深为2.0 m,现通过模型计算2 m埋深处的土体变形,整理土体位移数值,绘制管线沉降-时间曲线图,详见图8。从图中明显看到:管线所在位置的土体变形是随开挖进行逐渐增大的,最大变形达到了41.67 mm。各导洞开挖时,土体位移增加速率较大。土体变形规律与地表变形规律类似,管线变形在初衬完成后基本趋于稳定。由于该Φ600给水管线状况较好,将表1的试验结果作为判断标准,管线没有发生渗漏现象。
采用经工程实际拟合的计算模型,可以模拟工程周边土体任意一点的位移变化规律,当然也可以计算暗挖上方各条管线所处位置的变形量,对于所处位置变形较大的管线,可能会导致管线破坏的,提前采取地面、地下注浆或对管线进行加强,可有效地防止管线破坏。
6 结语
1)本课题采用了理论与实践相结合的方法,建立了一套暗挖施工过程中地下管线变形规律的研究方法。通过工程实际的修正,数值计算模型具有较高的仿真度,可以预测各种管线变化规律,以到达指导工程施工的目的。
2)本课题针对社会意义重大的给水管线进行研究,建立了相应的管线变形判断标准。由于管线变形的影响因素较多,采用该方法进行管线破坏评价时,建议根据管线的具体条件,结合监控量测数据和数值模拟结果综合分析管线的破坏程度。
3)数值模拟计算时,需对模型进行反复调试,尽可能使模拟结果与实际相吻合。随着工程的进行,在完成现场监控量测数值的采集、整理后,应及时对模型进行修正,使其真正起到指导施工的目的。
参考文献:
[1]蒋正华,吴波,高波.地铁区间隧道施工对管线影响的数值模拟[J].现代隧道技术,2003,40(1):16.
[2]袁正辉,贺美德.地铁隧道施工对地下管线的影响[J].市政技术,2006,24(5):319.
[3]韩扬,孙绍平.地下管道抗震分析中的若干参数[J].特种结构,1999,16(3):16.
