向衛(wèi)國(guó)，徐玉勝，江輝煌，譚萬(wàn)忠

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

隧道施工擾動(dòng)了地層巖土環(huán)境，打破了地下管線的原有平衡狀態(tài)，改變了地下管線的受力狀態(tài)。地下管線的變形超過(guò)一定限度時(shí)，較大的應(yīng)力將導(dǎo)致管線破壞而引起事故，所以，隧道施工引起的地下管線安全問(wèn)題一直倍受關(guān)注。

隧道開(kāi)挖對(duì)地下管線的影響，最不利的情況是隧道在既有管線下垂直穿過(guò)(圖 1)。O’Rourke和Trautmann(1982)研究了隧道開(kāi)挖對(duì)小直徑管線的影響，說(shuō)明土、管線及隧道間相互作用的復(fù)雜性[1]。Attewell(1986)基于Winker彈性地基梁模型提出隧道施工對(duì)管線的影響評(píng)價(jià)方法［2－3］。Klar(2004)推導(dǎo)了Attewell彈性地基梁?jiǎn)栴}的封閉解并提出改進(jìn)的基床系數(shù)，使計(jì)算結(jié)果與彈性連續(xù)解得出的相一致[4]。Vorster(2005)在Klar的基礎(chǔ)上提出了考慮相互作用的管線的近似設(shè)計(jì)方法[5]。

圖1 管線與隧道相對(duì)位置

然而，以上研究都是假設(shè)管線的變形與地層沉降曲線一致，而地表真實(shí)沉降與管線變形的關(guān)系尚未有研究。本文依托深圳地鐵五號(hào)線工程施工安全監(jiān)控的工作實(shí)踐，基于隧道施工工況和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，從監(jiān)控的角度利用反分析研究地下管線變形的安全評(píng)估方法。

管線安全評(píng)估的重點(diǎn)是管線變形計(jì)算和安全評(píng)估分級(jí)，管線變形計(jì)算主要是探尋地表沉降與管線變形的關(guān)系，建立已知地表沉降的情況下管線變形估算的方法和步驟;安全評(píng)估分級(jí)是依據(jù)結(jié)構(gòu)容許理論和報(bào)警分級(jí)確定，以便于工程的實(shí)際監(jiān)控。

1 管線安全評(píng)估

隧道開(kāi)挖產(chǎn)生的地層位移，引起管線變形并產(chǎn)生附加彎矩。管線變形大小和附加彎矩變化主要取決于管線周圍的地層位移及管土的相對(duì)剛度。從理論上研究，隧道開(kāi)挖影響下管線的變形有兩種極限情況:

1)假設(shè)管線是無(wú)限完全彈性的，管線的變形與周圍地層沉降曲線一致;

2)假設(shè)管線是完全剛性的，周圍地層沉降對(duì)其進(jìn)行原地的擾動(dòng)。

顯然，工程中(比如管線的不同、地質(zhì)的差異及動(dòng)態(tài)變化等工況)很少出現(xiàn)上述兩種情況，而往往是介于兩者之間。因此工程地質(zhì)資料、工況及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是確定管線周圍地層位移和管土相對(duì)剛度的基礎(chǔ)。

這里管線變形計(jì)算，除了地質(zhì)、工況及管線材質(zhì)信息，在監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)上是基于管線上方地表的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，即通過(guò)地表沉降數(shù)據(jù)估算管線的變形。

1.1 估算地層損失率與地層沉槽寬度系數(shù)

1)地層損失率的計(jì)算利用Peck公式，以7 d為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為7 d后該測(cè)點(diǎn)沉降量為最大沉降量且沉降已穩(wěn)定。Peck公式原本是估算地表沉降量的，這里將其反算，根據(jù)地表沉降來(lái)計(jì)算地層損失率。

Peck(1969)經(jīng)典公式，距離隧道中心線x處得地表沉降S[6]x

式中，Smax為最大沉降量;i為沉槽寬度系數(shù)。

地層損失體積VS，地層損失率VL分別為:

式中，D為隧道直徑。

2)考慮深圳地區(qū)地層情況，地表沉槽寬度系數(shù) i的計(jì)算采用Clough和Schmidt(1981)經(jīng)驗(yàn)式:

式中，z0為隧道埋深;r為隧道半徑。

3)計(jì)算地層沉槽寬度系數(shù)?？紤]地表以下至隧道以上土層，地層損失的體積假設(shè)依然成立[7]。于是，Smax和i兩個(gè)參數(shù)的取值會(huì)隨深度變化而不同，它們均可表示為深度 z的函數(shù) Smax(z)和 i(z)[9]:

1.2 計(jì)算管土相對(duì)剛度，確定管線最大彎矩及最大應(yīng)力

1)計(jì)算管土相對(duì)剛度。劍橋大學(xué)Klar(2004)利用Mindlin解[4]，得出管土相互作用彈性連續(xù)解，定義了相對(duì)剛度R和標(biāo)準(zhǔn)化彎矩Mn:

式中，Es為土的變形模量(楊氏模量);M為管線彎矩。

2)確定管線最大彎矩及最大應(yīng)力。Vorster(2005)通過(guò)離心模擬試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證[5]，并建立管土相互作用經(jīng)驗(yàn)曲線(圖2)。

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)剛度R是對(duì)數(shù)坐標(biāo)。如果土的變形模量Es足夠準(zhǔn)確，那么相對(duì)剛度R也就能更好地符合實(shí)際情況。

圖2 管土相互作用經(jīng)驗(yàn)曲線(Vorster等，2005)

1.3 計(jì)算管線變形系數(shù)，評(píng)估管線安全狀態(tài)

目前，國(guó)內(nèi)規(guī)范中對(duì)管線安全警戒值沒(méi)有明確的規(guī)定?，F(xiàn)階段是根據(jù)現(xiàn)有管線保護(hù)單位提出的警戒值確定，或根據(jù)當(dāng)?shù)毓芫€主管部門(mén)提出的要求確定。在管線單位沒(méi)有對(duì)管線的預(yù)報(bào)警值作出特殊規(guī)定的情況下，對(duì)于重要管線即按上述方法對(duì)其使用情況和極限情況進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而做出評(píng)估。

這里認(rèn)為隧道施工擾動(dòng)產(chǎn)生的管線應(yīng)力σ與其允許應(yīng)力［σw］的比值反映了管線的變形狀態(tài)及管線的安全性狀，將該比值定義為變形系數(shù)ξ:

可見(jiàn)一般情況下0≤ξ≤1，當(dāng)ξ=1時(shí)管線破壞。因此ξ的大小可以反映管線工作狀態(tài)與破壞狀態(tài)的距離。

于是根據(jù)結(jié)構(gòu)容許理論的判定標(biāo)準(zhǔn)，取管線允許變形的2/3作為控制值，且考慮實(shí)踐中三級(jí)報(bào)警[9]機(jī)制可定義:ξ≤70%時(shí)，可認(rèn)為管線離破壞還很遠(yuǎn)，管線處于絕對(duì)可靠狀態(tài)，不需要對(duì)管線采取保護(hù)措施。70%<ξ<85%時(shí)，則認(rèn)為管線距離失效狀態(tài)很近，要進(jìn)行預(yù)警;ξ≥85%時(shí)，則認(rèn)為管線處于失效狀態(tài)的邊緣，需引起相關(guān)部門(mén)及人員的注意并采取相應(yīng)措施。

2 案例應(yīng)用

2.1 工程概況

深圳地鐵5號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間所在地區(qū)為海積平原，原地貌為瀕海漁塘，現(xiàn)已經(jīng)人工堆填整平，地形平坦，地面高程4.0 m左右。附近主要建筑有麗晶國(guó)際、濱海小學(xué)等。隧道主要在創(chuàng)業(yè)一路下穿行，地下管線密集，有電力、電信、污水、雨水、上水等多條主要管線。

2.2 工程現(xiàn)場(chǎng)管線及其地層分布

盾構(gòu)掘進(jìn)橫穿次高壓管燃?xì)夤芫€，隧道頂部覆土深度為10.0 m，隧頂覆土主要為填土層、淤泥層和礫質(zhì)黏性土層，隧道主要穿越礫質(zhì)黏性土層和全風(fēng)化花崗巖層，土層工程地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。該管線為次高壓燃?xì)怃摴?，隧道埋?0.0 m、燃?xì)夤芫€埋深1.5 m、隧道與燃?xì)夤芫€的相對(duì)距離約8.5 m。

表1 土層工程地質(zhì)參數(shù)

2.3 數(shù)據(jù)分析與安全評(píng)估

表2列出了盾構(gòu)穿越管線前后D311－D315五個(gè)測(cè)點(diǎn)7 d的沉降數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示D313為最大沉降點(diǎn)，其沉降值超出警戒值，監(jiān)控中心及時(shí)發(fā)出了地表沉降的黃色報(bào)警[8]。

表2 管線正上方地表沉降數(shù)據(jù) mm

為評(píng)估地表下方管線安全狀態(tài)，按上述步驟做下面定量分析:

1)以測(cè)點(diǎn)D313累計(jì)沉降量為最大沉降量，反算地層損失率、地層最大沉降量與沉槽寬度系數(shù)。已知盾構(gòu)的直徑6.34 m，盾構(gòu)的截面面積31.55 m2。

2)再由 EI=145 000 kN·m2，ES=12 000 kPa，按式(7)計(jì)算管土相對(duì)剛度

3)根據(jù)管土相互作用經(jīng)驗(yàn)曲線圖2和式(8)，求得Mn=0.66，繼而計(jì)算管線最大彎矩及應(yīng)力。

4)由管線允許應(yīng)力［σw］=180 MPa，計(jì)算管線變形系數(shù)

監(jiān)控中心于2010－01－03日發(fā)出了地表沉降的黃色報(bào)警，并就是否對(duì)此管線實(shí)施注漿進(jìn)行了討論。筆者通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析和計(jì)算，認(rèn)為目前管線仍屬安全狀態(tài);基于此分析，后來(lái)未對(duì)其進(jìn)行管底注漿加固，只是對(duì)管線進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。圖3為該管線2009－12－27至2010－01－17的變形曲線圖，從圖3可以看出管線沉降漸進(jìn)收斂，管線處于安全狀態(tài)。

圖3 某盾構(gòu)區(qū)間(左線)煤氣管線沉降曲線

3 結(jié)論

在實(shí)際工程中，人們往往希望把管線的變形與地表的沉降對(duì)應(yīng)起來(lái)。即在不直接對(duì)管線進(jìn)行監(jiān)測(cè)或很難對(duì)其進(jìn)行直接監(jiān)測(cè)時(shí)，能通過(guò)地表的沉降來(lái)估算管線的變形，從而評(píng)估其安全狀態(tài)。本文就此在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)踐作了有意義的探索。

1)隧道施工擾動(dòng)地層，引起地層位移，最終導(dǎo)致地表沉降。其中地層位移通過(guò)管土相互作用必將引起管線的變形。本文利用Peck經(jīng)驗(yàn)公式和管土相互作用經(jīng)驗(yàn)曲線，通過(guò)反分析把地表沉降、地層位移與管線變形建立聯(lián)系，提出基于地表沉降的管線變形安全評(píng)估方法。

2)該方法從工程風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控和判別的角度，綜合考慮了地層地質(zhì)參數(shù)、管線材質(zhì)參數(shù)及施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，嚴(yán)格按照理論進(jìn)行了計(jì)算和分析，并提出變形系數(shù)的概念對(duì)管線安全評(píng)估劃分了等級(jí)。方法的可行性和操作性在工程實(shí)踐中得到了驗(yàn)證。

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