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隧道施工引起地下管線變形的安全評估

文檔作者：向衛(wèi)國，徐玉勝，江輝煌，譚萬忠文檔來源：中國鐵道科學研究院		點擊數：	更新時間： 2021年12月03日
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70
鐵道建筑
Railway Engineering
文章編號：1003．1995(2010)07—0070—04
隧道施工引起地下管線變形的安全評估
向衛(wèi)國，徐玉勝，江輝煌，譚萬忠
(中國鐵道科學研究院，北京 100081)
摘要：基于Peck經驗公式和管土相互作用彈性連續(xù)解的理論，建立地表沉降與管線變形的內在聯系，提
出隧道施工擾動下地下管線的安全評估方法，并結合工程實際案例，對該方法的應用作了詳細的闡述。
該方法能利用施工實測數據及工況，確定地表沉降沉槽寬度系數、地層損失率及管土相對剛度，進而實
時評估管線應力和彎矩及其安全狀態(tài)，對隧道施工引起的地下管線變形的安全評估具有一定的指導意
義和參考價值。
關鍵詞：隧道施工 地表沉降地下管線 安全評估
中圖分類號：U456．3 l 文獻標識碼：A
隧道施工擾動了地層巖土環(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
管線的變形超過一定限度時，較大的應力將導致管線
破壞而引起事故，所以，隧道施工引起的地下管線安全
問題一直倍受關注。
隧道開挖對地下管線的影響，最不利的情況是隧
道在既有管線下垂直穿過(圖1)。0’Rourke和
Trautmann(1982)研究了隧道開挖對小直徑管線的影
響 說明土、管線及隧道間相互作用的復雜性? 。
Attewell(1986)基于Winker彈性地基梁模型提出隧道
施工對管線的影響評價方法 。Klar(2004)推導了
Attewell彈性地基梁問題的封閉解并提出改進的基床
系數，使計算結果與彈性連續(xù)解得出的相一致 。
圖1 管線與隧道相對位置
收稿日期：2010-03—18；修回日期：2010-05-．08
作者簡介：向衛(wèi)國(1985一)，男，江西九江人，碩士研究生。
Vorster(2005)在Klar的基礎上提出了考慮相互作用
的管線的近似設計方法 。
然而，以上研究都是假設管線的變形與地層沉降
曲線一致，而地表真實沉降與管線變形的關系尚未有
研究。本文依托深圳地鐵五號線工程施工安全監(jiān)控的
工作實踐，基于隧道施工工況和實測數據，從監(jiān)控的角
度利用反分析研究地下管線變形的安全評估方法。
管線安全評估的重點是管線變形計算和安全評估
分級，管線變形計算主要是探尋地表沉降與管線變形
的關系，建立已知地表沉降的情況下管線變形估算的
方法和步驟；安全評估分級是依據結構容許理論和報
警分級確定，以便于工程的實際監(jiān)控。
1 管線安全評估
隧道開挖產生的地層位移，引起管線變形并產生
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剛度。從理論上研
究，隧道開挖影響下管線的變形有兩種極限情況：
1)假設管線是無限完全彈性的，管線的變形與周
圍地層沉降曲線一致；
2)假設管線是完全剛性的，周圍地層沉降對其進
行原地的擾動。
顯然，工程中(比如管線的不同、地質的差異及動
態(tài)變化等工況)很少出現上述兩種情況，而往往是介
于兩者之間。因此工程地質資料、工況及監(jiān)測數據是
確定管線周圍地層位移和管土相對剛度的基礎。
這里管線變形計算，除了地質、工況及管線材質信
息，在監(jiān)控量測數據上是基于管線上方地表的監(jiān)測數
2010年第7期 隧道施工引起地下管線變形的安全評估 71
據，即通過地表沉降數據估算管線的變形。
1．1 估算地層損失率與地層沉槽寬度系數
1)地層損失率的計算利用Peck公式，以7 d為計
算標準，認為7 d后該測點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，根據地表沉降來計算地層損失率。
Peck(1969)經典公式，距離隧道中心線 處得地
表沉降s 。。
S =S．~xexp[_著] (1)
式中，Smax為最大沉降量；i為沉槽寬度系數。
地層損失體積 ，地層損失率 分別為：
= J2~is? (2)
：= { (3)
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i
的計算采用Clough和Schmidt(1981)經驗式：
一f 。
r
— I J (4)
式中， 為隧道埋深；r為隧道半徑。
3)計算地層沉槽寬度系數?？紤]地表以下至隧
道以上土層，地層損失的體積假設依然成立 。于
是，Js? 和i兩個參數的取值會隨深度變化而不同，它
們均可表示為深度 的函數Js?(z)和 ( ) ：
_(1 (5)
i(z)=i(1一z／z。) (6)
1．2 計算管土相對剛度，確定管線最大彎矩及最大
應力
1)計算管土相對剛度。劍橋大學Klar(2004)利
用Mindlin解 ]，得出管土相互作用彈性連續(xù)解，定義
了相對剛度R和標準化彎矩M ：
： (7)
P-．5
j
，。
M = M i2
(8)
式中，E 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力。Vorster
(2005)通過離心模擬試驗對其進行了驗證 ，并建立
管土相互作用經驗曲線(圖2)。
從圖2可以發(fā)現，相對剛度R是對數坐標。如果
土的變形模量E 足夠準確，那么相對剛度R也就能更
好地符合實際情況
靜
磐
蜷
L2
1．0
O_8
無限彈性
■ 、＼＼ ＼
圖2 管土相互作用經驗曲線(Vorster等，2005)
lo0
1．3 計算管線變形系數。評估管線安全狀態(tài)
目前，國內規(guī)范中對管線安全警戒值沒有明確的
規(guī)定。現階段是根據現有管線保護單位提出的警戒值
確定，或根據當地管線主管部門提出的要求確定。在
管線單位沒有對管線的預報警值作出特殊規(guī)定的情況
下，對于重要管線即按上述方法對其使用情況和極限
情況進行計算，進而做出評估。
這里認為隧道施工擾動產生的管線應力 與其
允許應力[ ]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 ：
南 (9)
可見一般情況下0≤ ≤1，當 =1時管線破壞。
因此 的大小可以反映管線工作狀態(tài)與破壞狀態(tài)的距
離。
于是根據結構容許理論的判定標準，取管線允許
變形的2／3作為控制值，且考慮實踐中三級報警 機
制可定義： ≤70％ 時，可認為管線離破壞還很遠，管線
處于絕對可靠狀態(tài)，不需要對管線采取保護措施。
70％ < <85％ 時，則認為管線距離失效狀態(tài)很近，要
進行預警； ≥85％ 時，則認為管線處于失效狀態(tài)的邊
緣，需引起相關部門及人員的注意并采取相應措施。
2 案例應用
2．1 工程概況
深圳地鐵5號線某盾構區(qū)間所在地區(qū)為海積平
原，原地貌為瀕海漁塘，現已經人工堆填整平，地形平
坦，地面高程4．0 in左右。附近主要建筑有麗晶國際、
濱海小學等。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 工程現場管線及其地層分布
盾構掘進橫穿次高壓管燃氣管線，隧道頂部覆土
深度為10．0 in，隧頂覆土主要為填土層、淤泥層和礫
72 鐵道建筑
質黏性土層，隧道主要穿越礫質黏性土層和全風化花
崗巖層，土層工程地質參數見表1。該管線為次高壓
燃氣鋼管，隧道埋深10．0 m、燃氣管線埋深1．5 m、隧
道與燃氣管線的相對距離約8．5 m。
表1 土層工程地質參數
土質厚度
／m
重力 變形 基床
密度 模量 系數
／(kN／m )／(MPa／m)／(MPa／m) 男萋
2．3 數據分析與安全評估
表2列出了盾構穿越管線前后D311-D315五個
測點7 d的沉降數據。數據顯示D313為最大沉降點，
其沉降值超出警戒值，監(jiān)控中心及時發(fā)出了地表沉降
的黃色報警? 。
表2 管線正上方地表沉降數據 mm
為評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)以測點D313累計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。已知
盾構的直徑6．34 m，盾構的截面面積31．55 m 。
。： 31 ： 0．97％ ；
． 55 。 ’
江3． 7( ) 56 m；
) 56×( 一 ) 34 m；
s一㈤ ．76×10-3×( 一 )。。。 ．3?
2)再由E1=145 000 kN·m ，Es=12 000 kPa，按
式(7)計算管土相對剛度
一
R == ——8 —0—0—0 — ———0— —2—5— ——4— —3— 4 =_ Uo．． 89。
× ． × ． ’
3)根據管土相互作用經驗曲線圖2和式(8)，求
得M =0．66，繼而計算管線最大彎矩及應力。
0．66： 絲 ： =
l45 000 ×32．3 × l0～
M = 164．1 kN ·In， = 89．2 MPa。
4)由管線允許應力[ ]=180 MPa，計算管線變
形系數
= - 49．5％ < 70％
監(jiān)控中心于2010—01-03日發(fā)出了地表沉降的黃
色報警，并就是否對此管線實施注漿進行了討論。筆
者通過以上數據分析和計算，認為目前管線仍屬安全
狀態(tài)；基于此分析，后來未對其進行管底注漿加固，只
是對管線進行跟蹤監(jiān)測。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
漸進收斂，管線處于安全狀態(tài)。
— ．_GYMQI-．．It--GYMQ2~ GYMQ3—} GYMQ4—．-GYMQ5
圖3 某盾構區(qū)間(左線)煤氣管線沉降曲線
3 結論
在實際工程中，人們往往希望把管線的變形與地
表的沉降對應起來。即在不直接對管線進行監(jiān)測或很
難對其進行直接監(jiān)測時，能通過地表的沉降來估算管
線的變形，從而評估其安全狀態(tài)。本文就此在前人研
究的基礎上，結合工程實踐作了有意義的探索。
1)隧道施工擾動地層，引起地層位移，最終導致
地表沉降。其中地層位移通過管土相互作用必將引起
管線的變形。本文利用Peek經驗公式和管土相互作
用經驗曲線，通過反分析把地表沉降、地層位移與管線
變形建立聯系，提出基于地表沉降的管線變形安全評
估方法。
2)該方法從工程風險監(jiān)控和判別的角度，綜合考
慮了地層地質參數、管線材質參數及施工監(jiān)測數據，嚴
格按照理論進行了計算和分析，并提出變形系數的概
念對管線安全評估劃分了等級。方法的可行性和操作
性在工程實踐中得到了驗證。
2010年第7期
鐵道建筑
Railway Engineering 73
文章編號：1003—1995(2010)07-0073-04
超高滲透壓力下無蓋重固結灌漿施工技術研究
蔡海燕
(中國水利水電第七工程局成水公司，成都611730)
摘要：以最大壓力水頭1 100 m的錦屏二級水電站引水隧洞工程為背景，對無蓋重固結灌漿施工技術進
行研究。運用灌漿理論及技術，結合錦屏工程地質及圍巖條件，確定了固結灌漿鉆孔孔徑、檢查孔孔徑、
彈性波檢測孔孔徑均為th56 film，先導孔孔徑咖76 him、抬動觀測孔孔徑 91 mm、漿液擴散半徑檢測孔
孔徑 76 mm及其相應間距為2～3 m和孔深為11—12 m等灌漿鉆孔參數，提出了固結灌漿工藝流程、
施工程序、灌漿段長與壓力，以及灌漿水灰比和漿液變換原則。實踐表明，采用無蓋重固結灌漿施工技
術及其布孔參數與工藝，可使隧洞圍巖防滲能力顯著提高，能夠滿足工程實際需要。
關鍵詞：隧道工程無蓋重固結灌漿施工技術施工工藝 參數超高滲透壓力
中圖分類號：U455．49 文獻標識碼：A
錦屏二級水電站工程樞紐主要由首部低閘、引水
系統、尾部地下廠房等永久性建筑物組成，為一低閘、
長隧洞、大容量引水式電站。引水隧洞最大埋深
2 525 m、最高地下水位約2 623 m，最大壓力水頭
1 100 m左右。根據三維應力場初始地應力場反演回
歸分析，在隧洞高程1 600 in處最大主應力為70．1
MPa，最小主應力30．1 MPa。由此可知，在如此惡劣地
質條件下，加上隧洞圍巖及封閉隧洞周邊巖體裂隙的
影響，隧洞圍巖的整體性和抗變形能力將受到極其嚴
峻的考驗。 因此，必須采取諸如固結灌漿等工程措施
收稿日期：2010~4—14；修回日期：2010~5·10
作者簡介：蔡海燕(1977一)，男，四川巴中人，工程師。
對隧洞圍巖進行加固以增強圍巖抗?jié)B能力和長期滲透
穩(wěn)定性，從而確保整個錦屏工程安全及順利竣工。
為減小內側襯砌結構上的外水壓力和滲透梯度，
防滲高壓固結灌漿，利用在滲透水壓力作用下結構滲
透系數與所受滲透壓力成反比的滲流力學基本原理，
通過合理的圍巖固結灌漿設計，實現隧洞外層圍巖固
結灌漿圈滲透系數較小，相應承擔的外水滲透壓力大；
內層固結灌漿圈滲透系數較大，相應承擔的外水滲透
壓力小。即達到隧洞圍巖滲透系數由外到內逐層遞
增，滲透水壓力由外到內逐層遞減的效果，使圍巖固結
灌漿圈成為承載高外水壓力的主要結構。
本文以錦屏二級水電站引(4)14+870一引(4)14
+920洞段為研究對象，采用防滲無蓋重高壓固結灌
參 考 文 獻
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(責任審編孟慶伶)

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