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隧道施工引起地下管線變形的安全評(píng)估

文檔作者：向衛(wèi)國(guó)，徐玉勝，江輝煌，譚萬(wàn)忠文檔來(lái)源：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年12月03日
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70
鐵道建筑
Railway Engineering
文章編號(hào)：1003．1995(2010)07—0070—04
隧道施工引起地下管線變形的安全評(píng)估
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)
摘要：基于Peck經(jīng)驗(yàn)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(nèi)在聯(lián)系，提
出隧道施工擾動(dòng)下地下管線的安全評(píng)估方法，并結(jié)合工程實(shí)際案例，對(duì)該方法的應(yīng)用作了詳細(xì)的闡述。
該方法能利用施工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及工況，確定地表沉降沉槽寬度系數(shù)、地層損失率及管土相對(duì)剛度，進(jìn)而實(shí)
時(shí)評(píng)估管線應(yīng)力和彎矩及其安全狀態(tài)，對(duì)隧道施工引起的地下管線變形的安全評(píng)估具有一定的指導(dǎo)意
義和參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：隧道施工 地表沉降地下管線 安全評(píng)估
中圖分類(lèi)號(hào)：U456．3 l 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
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)。0’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? 。
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 。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 。
圖1 管線與隧道相對(duì)位置
收稿日期：2010-03—18；修回日期：2010-05-．08
作者簡(jiǎn)介：向衛(wèi)國(guó)(1985一)，男，江西九江人，碩士研究生。
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 。
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?chē)牡貙游灰萍肮芡恋南鄬?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?chē)貙映两祵?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?chē)貙游灰坪凸芡料鄬?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)
2010年第7期 隧道施工引起地下管線變形的安全評(píng)估 71
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 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(shù)。
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(shù)i
的計(jì)算采用Clough和Schmidt(1981)經(jīng)驗(yàn)式：
一f 。
r
— I J (4)
式中， 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 。于
是，Js? 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 的函數(shù)Js?(z)和 ( ) ：
_(1 (5)
i(z)=i(1一z／z。) (6)
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 ]，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(yīng)力。Vorster
(2005)通過(guò)離心模擬試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證 ，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E 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
靜
磐
蜷
L2
1．0
O_8
無(wú)限彈性
■ 、＼＼ ＼
圖2 管土相互作用經(jīng)驗(yàn)曲線(Vorster等，2005)
lo0
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 與其
允許應(yīng)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(shù) ：
南 (9)
可見(jiàn)一般情況下0≤ ≤1，當(dāng) =1時(shí)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(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 機(jī)
制可定義： ≤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％ < <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； ≥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 in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 in，隧頂覆土主要為填土層、淤泥層和礫
72 鐵道建筑
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)
土質(zhì)厚度
／m
重力 變形 基床
密度 模量 系數(shù)
／(kN／m )／(MPa／m)／(MPa／m) 男萋
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? 。
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 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(jì)算管土相對(duì)剛度
一
R == ——8 —0—0—0 — ———0— —2—5— ——4— —3— 4 =_ Uo．． 89。
× ． × ． ’
3)根據(jù)管土相互作用經(jīng)驗(yàn)曲線圖2和式(8)，求
得M =0．66，繼而計(jì)算管線最大彎矩及應(yīng)力。
0．66： 絲 ： =
l45 000 ×32．3 × l0～
M = 164．1 kN ·In， = 89．2 MPa。
4)由管線允許應(yīng)力[ ]=180 MPa，計(jì)算管線變
形系數(shù)
= - 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(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)。
— ．_GYMQI-．．It--GYMQ2~ GYMQ3—} GYMQ4—．-GYMQ5
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Peek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。
2010年第7期
鐵道建筑
Railway Engineering 73
文章編號(hào)：1003—1995(2010)07-0073-04
超高滲透壓力下無(wú)蓋重固結(jié)灌漿施工技術(shù)研究
蔡海燕
(中國(guó)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(jí)水電站引水隧洞工程為背景，對(duì)無(wú)蓋重固結(jié)灌漿施工技術(shù)進(jìn)
行研究。運(yùn)用灌漿理論及技術(shù)，結(jié)合錦屏工程地質(zhì)及圍巖條件，確定了固結(jié)灌漿鉆孔孔徑、檢查孔孔徑、
彈性波檢測(cè)孔孔徑均為th56 film，先導(dǎo)孔孔徑咖76 him、抬動(dòng)觀測(cè)孔孔徑 91 mm、漿液擴(kuò)散半徑檢測(cè)孔
孔徑 76 mm及其相應(yīng)間距為2～3 m和孔深為11—12 m等灌漿鉆孔參數(shù)，提出了固結(jié)灌漿工藝流程、
施工程序、灌漿段長(zhǎng)與壓力，以及灌漿水灰比和漿液變換原則。實(shí)踐表明，采用無(wú)蓋重固結(jié)灌漿施工技
術(shù)及其布孔參數(shù)與工藝，可使隧洞圍巖防滲能力顯著提高，能夠滿足工程實(shí)際需要。
關(guān)鍵詞：隧道工程無(wú)蓋重固結(jié)灌漿施工技術(shù)施工工藝 參數(shù)超高滲透壓力
中圖分類(lèi)號(hào)：U455．49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
錦屏二級(jí)水電站工程樞紐主要由首部低閘、引水
系統(tǒng)、尾部地下廠房等永久性建筑物組成，為一低閘、
長(zhǎng)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(jù)三維應(yīng)力場(chǎng)初始地應(yīng)力場(chǎng)反演回
歸分析，在隧洞高程1 600 in處最大主應(yīng)力為70．1
MPa，最小主應(yīng)力30．1 MPa。由此可知，在如此惡劣地
質(zhì)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(yán)
峻的考驗(yàn)。 因此，必須采取諸如固結(jié)灌漿等工程措施
收稿日期：2010~4—14；修回日期：2010~5·10
作者簡(jiǎn)介：蔡海燕(1977一)，男，四川巴中人，工程師。
對(duì)隧洞圍巖進(jìn)行加固以增強(qiáng)圍巖抗?jié)B能力和長(zhǎng)期滲透
穩(wěn)定性，從而確保整個(gè)錦屏工程安全及順利竣工。
為減小內(nèi)側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)上的外水壓力和滲透梯度，
防滲高壓固結(jié)灌漿，利用在滲透水壓力作用下結(jié)構(gòu)滲
透系數(shù)與所受滲透壓力成反比的滲流力學(xué)基本原理，
通過(guò)合理的圍巖固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)隧洞外層圍巖固
結(jié)灌漿圈滲透系數(shù)較小，相應(yīng)承擔(dān)的外水滲透壓力大；
內(nèi)層固結(jié)灌漿圈滲透系數(shù)較大，相應(yīng)承擔(dān)的外水滲透
壓力小。即達(dá)到隧洞圍巖滲透系數(shù)由外到內(nèi)逐層遞
增，滲透水壓力由外到內(nèi)逐層遞減的效果，使圍巖固結(jié)
灌漿圈成為承載高外水壓力的主要結(jié)構(gòu)。
本文以錦屏二級(jí)水電站引(4)14+870一引(4)14
+920洞段為研究對(duì)象，采用防滲無(wú)蓋重高壓固結(jié)灌
參 考 文 獻(xiàn)
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(責(zé)任審編孟慶伶)

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