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盾构双隧道施工对临近地埋管线的影响研究

邵羽  
【摘要】:地铁隧道的施工将不可避免地引起周围土体位移及应力松弛,从而使得临近管线产生过大的附加沉降和附加弯曲应变。受隧道开挖影响的地埋管线能否正常安全地服役已成为目前城市地铁隧道建设中各方关注的重点,尤其那些严重老化甚至已超过服役年限的地埋管线,其在隧道施工扰动情况下的工作性能,成为地铁隧道设计、施工中亟待解决的关键问题。对单隧道施工对临近既有地埋管线的影响,目前,学者已作了较为系统的研究。随着城市地下空间利用率不断提高、建筑用地的限制及大断面隧道的施工,并行隧道极为常见。本文以地铁盾构双隧道开挖对既有地埋管线的影响为研究对象,采用离心模型试验与有限元分析相结合的研究方法,对不同工况下盾构双隧道施工对临近既有地埋连续管线的影响进行了研究。着重对盾构双隧道开挖过程中地表沉降、管线沉降、管线弯曲应变、管周土体的应力应变及强度、管-土相对刚度变化规律及管-土相互作用荷载传递机理进行分析。在此基础上采用理论分析方法,对盾构双隧道施工对临近既有连续管线和节点管线的影响进行计算和分析。本文主要研究内容和相关结论如下:(1)改进了常规的在离心模型试验中只能模拟隧道开挖所致土体地层损失效应的隧道模型,使得离心模型试验所用隧道模型可以同时模拟盾构隧道施工引起的地层损失效应和质量损失效应。(2)采用离心模型试验对不同埋深盾构双隧道开挖对既有管线的影响进行研究,同时编写相关子程序,将基于地层损失比的位移控制法融入于有限元计算中,对离心模型试验进行模拟分析,其中土体力学行为采用可刻画土体小应变特性和应力、应变相关性的本构模型进行描述。研究表明:不同埋深双隧道开挖对地表沉降、管线沉降、管线弯曲应变的影响显著;浅埋后继隧道的开挖对管线下凸区分布影响显著;实际施工中应加强隧道开挖面位于±1.2DT(隧道直径)时管线工作性能的监控工作;应慎重采用叠加原理对双隧道开挖所致管线沉降及弯曲应变进行预测,需合理考虑后继隧道开挖所致累积塑性应变对管-土相对刚度的影响。(3)以不同开挖顺序及不同布置形式盾构双隧道开挖对临近既有管线的影响为研究对象,开展相关离心模型试验,同时采用上述相同的有限元模拟方法,对离心模型试验所涉及工况及其他四种拓展工况进行有限元模拟分析。研究表明:双隧道肩驮式布置时,先开挖下置隧道后开挖上覆隧道所致地表沉降、管线沉降、管线弯曲应变最大;双隧道重叠式布置时,先开挖上覆隧道后开挖下置隧道所致地表沉降、管线沉降、管线弯曲应变最大;双隧道不同相对位置对管线弯曲应变及剪应力分布影响显著;建议在对先后施工不同埋深盾构双隧道开挖对既有地埋管线的影响进行预测分析时,应合理考虑后继隧道开挖及上覆隧道遮拦效应对管-土相对刚度的影响。(4)在描述土-结构相互作用的本构关系中,同时考虑了土-结构发生向上和向下相对位移情况下其对土体刚度的不同影响,以Vorster[1]提出的双隧道开挖所致地层沉降曲线为输入参数,通过对多种参数组合情况下双隧道开挖对既有连续管线的影响进行计算分析,提出了一种能合理反应土体应变变化的管-土相对刚度计算式,并给出了管-土相对刚度与管线相对曲率、管-土相对刚度与管线相对沉降的关系式,同时验证了所提出的关系式的适用性及可靠性。以上关系式可直接用于计算单隧道及双隧道开挖所致管线的最大弯曲应变及管线最大沉降值,并可应用于单隧道及双隧道开挖对既有地埋管线安全性影响的评价分析工作中。(5)采用上述相同的管-土相互作用本构关系和双隧道开挖所致地层沉降曲线,并以铰链模型刻画管线节点的力学行为,通过对多种参数组合情况下双隧道开挖对既有节点管线的影响进行计算分析,提出了一种新的适用于描述节点管线管-土相对刚度的表达式,并给出了管-土相对刚度与管线相对转角的关系式,同时对此关系式的适用性和可靠性进行了验证。所给出的管-土相对刚度与管线相对转角的关系式,可直接用于计算单隧道及双隧道开挖所致管线的最大转角值,并可应用于单隧道及双隧道开挖对既有节点管线安全性影响的评价分析工作。


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