柔性地下管线受隧道开挖影响的安全性评价

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(1.武汉理工大学 土木工程与建筑学院,武汉 430070；2.中国科学院 武汉岩土力学研究所,武汉 430070)

柔性地下管线受隧道开挖影响的安全性评价

孙吉主1，邓莉1，王勇2

(1.武汉理工大学 土木工程与建筑学院,武汉 430070；2.中国科学院 武汉岩土力学研究所,武汉 430070)

在城市隧道建设中，开挖可能导致邻近地下管线的变形，甚至破坏，但现行规范尚未提出具体评价方法。基于普遍认可的隧道开挖引起的地层位移公式，提出了柔性接头管线受隧道施工影响的安全性评价方法，并给出了算例。该方法考虑了管线变形后的正态曲线形态及管线与隧道的位置关系，涉及的参数较少，易于工程应用;适用于地层和管线资料不够详细的情况或在精细化计算前，对柔性接头管线安全性的预估，对于科学地提出具体隧道施工的环境监测报警值有一定的参考价值。

地下管线；隧道施工；柔性接头;环境监测；安全评价

1 研究背景

因隧道施工对地下管线影响的分析，常常采用数值模拟方法或弹性地基梁解析法进行研究[1-2]，而影响计算结果的主观因素或参数较多，二者不便于实际应用。李兴高等[3](2008)在Bracegirdle 等研究成果的基础上，提出了考虑埋深的管线接头附加转角计算公式，易于工程应用，但该法管线变形曲线与沉降槽的正态分布形态不同。刘建航等[4](1997)将管道变形的曲率半径作为判断标准，但假设接头与管线曲率相同，不符合柔性接头管线的实际变形情况。本文基于Attewell等[5](1986)提出的沉降槽数学描述，提出了地下管线受隧道施工影响的安全评价方法。

2 柔性接头管线的安全评价方法

按接头的刚性强弱，地下管线一般可分为刚性管和柔性管。管线接头允许小量转动的管线称为柔性管，如承插式混凝土污水管、铸铁管等，否则为刚性管，如焊接钢管、燃气管等。本文研究柔性管与隧道垂直和平行2种情况下的安全评价方法。对于这类管道在地层下沉时的安全评价，可以从管节接缝张开值等方面分析每节管道可能承受的管道地基差异沉降量或沉降曲线斜率。本文以允许接头转角[θ]为安全判别标准，当θ≤[θ]时，管线是安全的;反之则管线不安全。θ是隧道施工引起的管线接头最大转角。

3 管线接头转角的确定

3.1 地层位移规律

沿引文献[5]的研究，隧道开挖引起的地表垂直位移W和横向水平位移V可表示为：

(1)

(2)

其中,

(3)

式中：隧道轴向为x方向，隧道开挖面处x=0；隧道横向为y轴,隧道中心处y=0；z轴自地表垂直向下；Wmax为地表垂直方向最大位移；i为地表沉降槽宽度系数；zt为隧道轴线埋深；G(s)可查正态分布函数表求得。

据Mair等[6](1993)研究，地表以下任一土层沉降曲线仍为正态分布，沉降槽体积等于地层损失。据此可以得到地下最大沉降量Wz,max与地表最大沉降量的关系为

卷包车间以技术分中心制定的卷接包工艺标准(BOM)为标准依据，以生产设备科下达的卷包机组调度计划为排产依据，车间根据卷接机组设备能力情况组织卷接包生产，当机组能力不足时，将进行计划的调整。

(4)

随着土层深度z的增大，土层沉降槽曲线宽度系数将会减少。根据姜忻良等[7](2004 )研究，可以得到地下沉降槽宽度系数iz,即

iz=i(1-z/zt)n。

(5)

式中n=[-0.45，-0.2]，一般可取-0.3。

柔性接头管道的接头均设有可适应一定接缝张开的接缝填料，可以适应地层的小变形，本文假定管线与周围土体的竖向位移同步，即用管线所在地层变形曲线代替管线变形曲线。

3.2 与隧道垂直的管线接头转角

当隧道横向地层沉降曲线为正态分布函数时，在隧道轴线处曲率达到最大，管线变形也最大。按最危险情况考虑管线与隧道间的位置关系:假定管节长度相等，接头在最不利的位置，即位于隧道轴线正上方,变形后的管线与地层位移关系如图1所示。图1中R为管线处地层弯曲半径。

图1 隧道横向地层与管线变形关系示意图Fig.1 Strata and pipeline deformation in the cross section of the tunnel

设管节长度为l，直径为D，埋深为z,忽略接缝张开处圆弧的矢高，根据图1中几何关系有:

(6)

(7)

式中：Wp为管节端部的位移;Wpmax,ip分别为管线处地层最大位移和沉降槽宽度系数;h为管节两端的位移差;Δ为接缝张开值;θ为管线接头转角。

根据实际管节长度与接缝张开值的大小关系，近似取Δ/2+lcos(θ/2)≈l，可得接缝张开值为

(8)

将式(8)代入式(4)和式(5)，考虑Δ≈θD，可得用地表沉降槽参数表示的管线接头转角为

(9)

式中zp为管线埋深。显然，如果知道了接头允许转角，通过式(9)也可求得管线安全时允许地表最大沉降量，从而为实际工程监测报警值的确定提供依据。

3.3 与隧道平行的管线接头转角

管线与隧道轴线的水平距离为yp，其变形曲线可用式(1)描述。在开挖面前、后方水平距离为沉降槽宽度系数处(x=ip,x=-ip)曲率达到最大，管线变形也最大。假定管节长度相同，按最危险情况计算，即隧道推进到与接头距离为ip的位置，此时变形后的管线与地层位移关系如图2所示。

图2 隧道纵向地层与管线变形关系示意图Fig.2 Strata and pipeline deformation in the longitudinal section of the tunnel

设管线危险接头与邻近接头的位移分别为Si,S1,S2，考虑实际接头允许转角很小，则隧道开挖引起的危险接头转角为

(10)

由式(10)也可计算接缝张开值Δ≈θD。

进一步考虑横向水平位移对管线接头的影响，管线处地层变形为垂直位移W与横向水平位移V的矢量和，即

(11)

取x=ip-l，ip，ip+l，y=yp可分别求得S1,Si,S2。同理代入式(4)和式(5)，也可得到用地表沉降槽参数表示的管线接头变形。

4 算 例

某人行地下通道轴线埋深8 m、开挖半径3 m，隧道上方有一与其轴线垂直的承插式自来水管通过，管道直径0.6 m、管节长度5 m、埋深3 m，土体内摩擦角 30°。分析该地区地质条件、隧道规模和施工方法等类似工程的地表沉降实测数据，可知地层损失率约为5%。取Attewell等[5]给出的供水铸铁管在地层移动作用下接头转角允许值[θ]=1.5°为安全评价标准。

按前述方法对隧道施工引起的管线接头变形计算如下。

5 结 语

本文根据广泛认可的隧道开挖引起的地层位移公式，提出了柔性管线受隧道施工影响的安全性评价方法，考虑了管线变形后的正态曲线形态及管线与隧道的相对位置，该法参数较少，易于工程应用，适用于地层和管线资料不够详细的情况，或在精细化计算前，对柔性接头管线安全性的预估。目前某些地下工程相关的监测规范给出了沉降变形报警值，很多工程表明过于保守[8]，本文方法科学地提出具体隧道工程的环境监测报警值,有一定的参考价值。进一步的研究可以考虑管线对地层位移规律的影响。

[1] VORSTER T E, KLAR A, SOGA K,etal. Estimating the Effects of Tunneling on Existing Pipelines[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2005, 131(11):1399-1410.

[2] 吴为义，孙宇坤，张土乔. 盾构隧道施工对邻近地下管线影响分析[J].中国铁道科学，2008，29(3)：58-62.

[3] 李兴高，王 霆. 柔性管线安全评价的简便方法[J].岩土力学，2008, 29(7): 1861-1864.

[4] 刘建航，侯学渊. 基坑工程手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1997.

[5] ATTEWELL P B, YEATES J, SELBY A R. Soil Movements Induced by Tunneling and Their Effects on Pipelines and Structures[M]. London: Blackie and Son Ltd., 1986.

[6] MAIR R J, TAYLOR R N, BRACEGIRDLE A. Subsurface Settlement Profiles above Tunnel in Clays[J].Geotechnique, 1993, 43(2): 315-320.

[7] 姜忻良，赵志民，李 园. 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.

Safety Assessment of Underground Flexible Pipes Affected by Tunneling

SUN Ji-zhu1, DENG Li1, WANG Yong2

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2.Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430070, China)

Urban tunneling could cause deformation or even damage of underground pipeline. But there is no method in existing specifications to evaluate the damage. In this article, we propose a safety assessment method for the deformation of flexible pipeline joint induced by tunneling based on the popular soil displacement formula, and give a calculation example in details. This method is easily applicable to engineering by taking into consideration the position relation between pipeline and tunnel and the normal curve shape of deformed pipeline, with few parameters required. It is suitable for cases with no sufficient strata and pipeline data or before fine computation when safety estimation is needed. It could also offer reference for the warning value of environmental monitoring around the tunnel.

underground pipeline; safety evaluation; tunneling; flexible joint; environmental monitoring

2016-09-21;

2016-10-30

国家自然科学基金项目(51579237)

孙吉主(1970-)，男，湖北监利人，教授，博士，主要从事岩土工程的教学和科研工作。E-mail:sunjizhu1@163.com

10.11988/ckyyb.20160978

TU433

A

1001-5485(2018)01-0073-03

(编辑：赵卫兵)