USST_Arts_117101350 超大直径泥水平衡盾构穿越高危易爆乙烯管变形及控制研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 4 4 2.88MB 94 页 15积分

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摘要

随着城市建设的不断发展，新建工程的施工扰动给城市既有建筑环境带来了

越来越多的潜在威胁。作为城市现代化建设重要组成部分的地下隧道施工，往往

不可避免地会穿越大量的地下管线，而地下管线安全问题也一直是地下工程中关

键性技术问题之一。为了地下隧道施工能在安全有序进行的同时，保证地下管线

的正常使用，隧道施工中对邻近管线的影响及其控制问题需要不断进行深入研究。

本文以上海虹梅南路越江隧道工程作为工程背景，基于已有的理论研究成果及工

程现场实测数据，着重研究超大直径泥水平衡盾构隧道施工过程中，地层沉降变

形的规律以及引发的地下管线的变形及其安全控制问题。

在实际工程中，局限于很多现场因素，管线变形的监测等工作较为困难，并

且隧-土-管三者作用关系也受到诸多因素的影响。在管线安全判别及控制问题中，

除了利用地下管线的直接监测结果对其进行安全状态判定，若根据管-隧空间关系，

通过控制地表沉降来间接控制管线的变形，形成一种管线安全判别及控制方法，

即在不同管-隧相对位置下，根据管线的允许变形值反推地表的允许变形值，从而

判断管线的安全状态，这样将会大大降低工程中管线安全控制的难度。除此之外，

在工程中，利用实时的管线监测数据实现对管线安全状态的实时判定，也将为盾

构隧道施工中地下管线的安全运行提供保障。围绕这些问题，本文主要研究内容

如下：

1. 在已有的理论研究基础上，形成一种利用地表沉降间接实现对地下管线的

安全控制及判定方法，即在不同管-隧空间位置关系下，确定地表最大沉降允许值，

将其作为目标控制值，进而对地下管线的变形进行控制；

2. 运用有限元数值模拟，进行泥水盾构隧道施工对邻近地下管线位移的影响

参数敏感性分析，主要包括在不同管-隧相对位置关系下，管线埋深、管材、下卧

加固体刚度、管-隧相对偏移距离、以及管-隧夹角等因素的影响规律，为类似工程

中的地下管线安全控制提供技术参考；

3. 以实际工程为背景，利用三次样条插值方法，对盾构隧道工程中地下管线

的位移监测结果进行曲线拟合，并进一步得到管线曲率，从而实现地下管线的安

全性判别。

关键词：隧道施工地下管线安全判别安全控制有限元数值模拟

ABSTRACT

With the continuous development of urban construction, construction

disturbance caused by new construction work brings more and more potential threat

for existing built environment. As an important part of city modernization

construction, tunneling construction often inevitably cross a great number of buried

pipelines, while safety problem for buried pipeline has been one of the key technical

problems of underground engineering. It is required to study continuous in-depth that

the effect of tunneling construction on nearby pipeline and its control in order to

ensure tunneling construction proceeds safely and orderly without affecting normal

operation of the pipelines. In this paper, the analysis will be based on the existing

theoretical research and field data, taking the cross-river tunneling engineering of

South Hongmei Road as reference, and the studies mainly includes the rules of strata

deformation and buried pipeline deformation induced by super large-diameter slurry

shield tunneling and the problem of its safety control.

Limited to many actual engineering factors, pipeline deformation monitoring is a

relatively difficult work, while the tunnel-soil-pipe interaction relationship is also

affected by many factors. In pipeline safety judgment and control problem, it will

greatly reduce the difficulty if it is possible to form a safety criterion and control

method to indirect control the pipeline, by controlling surface subsidence deformation

according to the tunneling-pipe space relation instead of using pipe monitoring results

directly. With different tunnel-pipe relative location, the allowed value of surface

deformation will be calculated by allowed value of pipeline deformation, judging the

pipeline safety status. Beyond that, the implementation of real-time pipeline safety

status judgment, using the monitoring data in practical engineering, will provide

guarantees for safe operation of pipelines crossed by shield tunneling construction.

Concentrating on these problems, the main research contents are as follows：

1. With the existing theory research, an indirect safety criterion and control method

based on surface subsidence deformation will be formed. The allowed value of surface

deformation with different tunnel-pipe relative location will be calculated as a target

control values to control the deformation of buried pipelines.

2. Sensitivity of influence parameters of nearby pipeline deformation caused by

tunneling construction is analyzed using FEM numerical simulation, mainly including

the influence rules of pipeline buried depth, material, underlying reinforcing layer,

tunnel-pipe offset distance, and tunnel-pipe angle and other parameters with different

tunnel-pipe relative location, which can provide technical reference for buried pipeline

safety control in subsequent engineering.

3. Taking a practical engineering project as reference, the curvature of the target

pipeline will be figured out using cubic spline interpolation method according to a series

of vertical deformation monitoring data, so as to realize the safety criterion for buried

pipelines.

Key Word: tunneling construction, buried pipelines, safety criterion,

safety control, FEM numerical simulation

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ................................................................................................................ 1

1.1 引言 ................................................................................................................... 1

1.1.1 研究背景 .................................................................................................... 1

1.1.2 研究意义 .................................................................................................... 2

1.2 国内外的研究现状及评价 ............................................................................... 2

1.2.1 盾构隧道施工引起的土层位移 ................................................................ 2

1.2.2 地下管线相关研究 .................................................................................... 3

1.2.3 盾构隧道施工对既有管线的影响 ............................................................ 4

1.2.4 研究现状评价 ............................................................................................ 7

1.3 本文的研究目的、内容、思路和方法 ........................................................... 8

1.3.1 研究目的 .................................................................................................... 8

1.3.2 研究思路及方法 ........................................................................................ 8

1.3.3 研究内容 .................................................................................................... 9

1.4 总结 ................................................................................................................. 10

第二章隧-土-管相互作用理论研究 ........................................................................ 11

2.1 隧道施工引起的土层位移 .............................................................................. 11

2.1.1 地表沉降理论计算 ................................................................................... 11

2.1.2 管线所在地层沉降计算 .......................................................................... 13

2.2 管线变形理论分析 ......................................................................................... 14

2.2.1 弹性地基梁模型 ...................................................................................... 14

2.2.2 管线变形参数 .......................................................................................... 14

2.2.3 管线变形的计算原理 .............................................................................. 15

2.3 地表沉降与管线变形的关系 ......................................................................... 15

2.3.1 管线弯矩与地表最大沉降关系 .............................................................. 16

2.3.2 管线的曲率与地表最大沉降的关系 ...................................................... 16

2.4 总结 ................................................................................................................. 20

第三章隧道开挖对地下管线的影响因素分析 ...................................................... 21

3.1 有限元模型的建立 ......................................................................................... 21

3.1.1 基本假定 .................................................................................................. 21

3.1.2 土体模型详情 .......................................................................................... 21

3.1.3 模型可行性验证 ...................................................................................... 23

3.2 管线与隧道轴线正交 ..................................................................................... 25

3.2.1 管线埋深变化的影响分析 ...................................................................... 25

3.2.2 管线材质变化的影响分析 ...................................................................... 29

3.2.3 管线下卧加固层变化影响分析 .............................................................. 32

3.3 管线与隧道轴线平行 ..................................................................................... 35

3.3.1 管线竖向位移 .......................................................................................... 36

3.3.2 管线水平位移 .......................................................................................... 37

3.3.3 管线弯矩 .................................................................................................. 37

3.4 管线与隧道轴线斜交 ..................................................................................... 37

3.4.1 管线竖向位移 .......................................................................................... 38

3.4.2 管线水平位移 .......................................................................................... 38

3.4.3 管线弯矩 .................................................................................................. 39

3.5 总结 ................................................................................................................. 39

第四章盾构隧道工程中地下管线的安全控制 ...................................................... 41

4.1 地下管线安全控制的主要内容 ..................................................................... 41

4.2 地下管线的现场监测与保护 ......................................................................... 42

4.2.1 管线现场监测的一般步骤 ...................................................................... 42

4.2.2 常用的管线现场监测方法 ...................................................................... 42

4.2.3 地下管线的保护 ...................................................................................... 43

4.3 已有的管线安全判别方法 ............................................................................. 43

4.3.1 刚性接头管线的安全判别 ...................................................................... 43

4.3.2 柔性管的安全判别 .................................................................................. 44

4.4 基于管线监测数据实现管线的安全判别 ..................................................... 45

4.4.1 基本理论依据 .......................................................................................... 45

4.4.2 三次样条插值的 EXCEL 实现方法 ....................................................... 46

4.4.3 三次样条插值的 MATLAB 实现方法 .................................................... 47

4.4.4 工程计算示例 .......................................................................................... 47

4.5 基于地表监测实现管线安全监控 ................................................................. 51

4.5.1 基本思路 .................................................................................................. 51

4.5.2 地表最大沉降控制值 .............................................................................. 52

4.5.3 工程算例 .................................................................................................. 52

4.6 总结 ................................................................................................................. 54

第五章工程实例研究分析 ...................................................................................... 55

5.1 工程背景 ......................................................................................................... 55

5.1.1 基本工况概述 .......................................................................................... 55

5.1.2 金山-吴泾乙烯管及其保护措施 ............................................................. 55

5.1.3 管线位置及测点布置情况 ...................................................................... 57

5.2 部分地表沉降及施工参数分析 ..................................................................... 59

5.2.1 地表横断面沉降槽 .................................................................................. 60

5.2.2 地表历时沉降 .......................................................................................... 61

5.2.3 部分施工参数分析 .................................................................................. 62

5.3 模拟钢管实验研究 ......................................................................................... 65

5.3.1 对应位置地表竖向位移 .......................................................................... 65

5.3.2 模拟钢管竖向位移 .................................................................................. 65

5.3.3 钢管位移与地表沉降对比 ...................................................................... 66

5.4 乙烯管实测数据分析 ..................................................................................... 66

5.4.1 平行研究段 .............................................................................................. 66

5.4.2 斜交段分析 .............................................................................................. 71

5.5 有限元数值计算分析 ..................................................................................... 74

5.5.1 模型的建立 .............................................................................................. 74

5.5.2 计算结果分析 .......................................................................................... 76

5.6 总结 ................................................................................................................. 80

第六章结论与展望 .................................................................................................. 81

6.1 结论 ................................................................................................................. 81

6.2 研究展望 ......................................................................................................... 82

参考文献 .................................................................................................................... 84

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ........................................ 89

致谢 ............................................................................................................................ 90

第一章绪论

1.1 引言

1.1.1 研究背景

近年来，城市数目在全世界范围内都在不断增加，规模也在不断扩大，城市

化水平也一直呈现不断上升的趋势，与之相应的地上空间匮乏问题也就随之而来。

城市地铁、隧道等地下空间的建设将无疑成为我国 21 世纪城市地下空间开发的重

点，与之相关的研究课题则不仅仅是技术课题，同样也是经济课题[1]。

盾构法是在盾构支护下进行的地下工程暗挖施工，是地下空间开发的一种最

佳选择[2]，也是软土地区城市隧道施工的首选[3]。在城市上下水隧道、过江交通隧

道、城市地铁区间以及“南水北调”、“西气东输”等穿越江河工程中，盾构法都

被广泛应用。

纵观世界隧道工程的发展，盾构隧道正逐渐朝“更大、更长、更深”的方向

发展。目前直径超过 14m 的国内外盾构隧道工程已经越来越多，主要的隧道工程

如表 1-1 所示，与此同时，越来越多的超大直径盾构隧道工程在中国正处于施工阶

段或即将动工[4]。

表1-1 超大直径隧道工程典型案例

工程名称

盾构类型

直径（m）

竣工日期

特点

东京湾隧道

泥水盾构

14.14

1996

8台盾构双向江中对接

荷兰绿心隧道

泥水盾构

14.87

2004

全长 7km

上海上中路隧道

泥水盾构

15.20

2008

国内首条超大直径隧道

上海长江隧道

泥水盾构

15.43

2009

施工时世界最大

西班牙 M30 公路隧道

土压盾构

14.87

2007

最大埋深 75m

上海外滩隧道

土压盾构

14.27

2010

穿越外滩万国建筑群

盾构法表现出较多已被世界所认可的优点，并且得到了广泛的应用。然而，

由于复杂的地质条件、隧道结构、工程边界条件，以及城市隧道工程面临的一些

未知复杂问题，盾构隧道开挖，尤其是在软土地层中进行的大直径或超大直径等

较复杂隧道结构的开挖过程，往往是一个复杂的涉及到众多问题的三维问题。

在城市地下隧道施工中，盾构开挖往往会对邻近地下管线造成影响，而这些

施工的影响问题就现今城市建设的发展趋势来看，不仅不可避免，而且在数量上

会越来越多[5]。可见，及时地对管线进行安全状态判别以及做好相应的保护措施，

以保证地下管线的安全正常运行，显得尤为重要。

上海理工大学硕士学位论文

1.1.2 研究意义

受到地下隧道施工影响，地下管线可能会因变形过大造成泄露、爆炸、电缆

断裂则会造成停电或通讯中断等事故，这些都将造成很大经济损失以及社会纠纷，

严重危害城市的生产建设和人民生命财产的安全[6]。另外，地下管线的安全问题亦

直接关系到工程的造价。可见，在保证把隧道施工对地下管线的影响控制在设计

标准之内的同时，还能做到方案设计的经济化，具有非常大的现实意义。

本文选题旨在能够在已有的研究基础上，进一步研究软土地层中盾构施工对

地下管线的影响，并在本领域前辈们的研究成果基础上，针对软土地层中超大直

径泥水平衡盾构隧道施工对周围环境特别是地下管线的扰动机理以及变形机理进

行进一步研究，以找到合适的计算分析方法，并初步建立安全判定标准，形成一

种系统的安全控制方法，为今后的类似工程的设计和施工提供参考意见，以便更

好地预防和控制盾构隧道施工对邻近地下管线产生的各种事故。

1.2 国内外的研究现状及评价

而作为城市环境保护的一个新兴课题，盾构隧道施工对土体及邻近地下管线

的影响问题，已有许多国内外学者作了许多的工作，并得出了很多有意义的结论。

针对本文的研究课题，整理相关研究内容主要包括以下几个方面：盾构隧道施工

所引起的土层位移的研究、地下管线的相关研究、以及隧道施工对既有管线的影

响方式和影响预测研究等。

1.2.1 盾构隧道施工引起的土层位移

对于盾构隧道施工引起的土层位移问题，现主要的研究方法及成果归纳如下：

Peck R. B. (1969)[7]首次提出地层损失的概念，给出了著名的 Peck 公式估算地

表下沉，认为地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积，横向地表沉降槽曲线服

从高斯(Gauss)正态分布函数。刘建航院士(1990)[8]提出了“负地层损失”的概念，

并提出估算纵向沉降的修正公式。侯学渊等(1993)[9]提出了考虑施工间隙及固结因

素的横向沉降 Peck 修正公式。沈培良等(2003)[10]给出了 Peck 公式参数的取值范围，

提出盾构法隧道纵向地面沉降曲线的数学拟合公式。姜忻良等(2004)[11~12]针对地表

以下的地层位移，提出各土层沉降槽曲线仍可采用正态分布函数表示，并给出了

地表以下各地层沉降槽宽度系数的计算公式。

除应用较为广泛的 Peck 公式外，理论解析的方法也被用于分析此类问题。

Sagaseta(1987)[13]提出了“镜像法”（又称“汇源法”），Verruijt 和Booker(1996) [14]

利用该“镜像法”，给出了短期不排水条件下的土体垂直位移和水平位移的理论公

式，Loganathan 和Poulos(1998)[15]又在此基础上进行修正。张冬梅、黄宏伟(1999)[16]

对盾构正面推力引起土体中附加应力进行了分析，并利用弹性力学的明德林解求

第一章绪论

得其分布形式。朱忠隆等(2001)[17]修正了关于地面隆起的计算，是最先提出采用随

机介质理论计算盾构施工引起的纵向地面变形。施成华等(2003)[18]分析了盾构隧道

开挖引起的土体损失和盾构挤压作用，并采用“负土体损失”来反映地面隆起的

大小。姜忻良等(2005)[19]应用“镜像法”采用数值积分方法得到了隧道周围土体的

位移场分布。

随着科学技术不断发展，数值模拟法也越来越普遍地被运用到计算盾构施工

引起的地层沉降的问题中。在我国盾构隧道施工变形数值分析中，李桂花(1986)[20]

是取得较早成果的学者，她用弹性有限元法模拟了隧道施工中不同间隙参数下的

不同的沉陷因素的影响，并对地表沉陷进行预估。针对软粘土地区隧道开挖引起

的地层沉降，Lee 和Rowe(1990)[21]建立了三维弹塑性有限元模型，以模拟软粘土

地区隧道的开挖时序及其引起的土体移动，并分析了隧道表面的应力状态。易宏

伟(1999)[22]采用半解析元法，将三维的盾构施工过程中的问题简化为二维问题处

理。然而，由于有限元方法在确定弹塑性或粘弹塑性本构模型力学参数时较为困

难，并且考虑超孔隙水压力也较为困难，模拟过程并不容易符合工程实际情况，

因此，数值方法多用于研究土体变形规律和影响因素，而尚未成为较实用、准确

的计算方法。

除上述已有研究外，还有一类实测数据分析方法，其研究主要包括灰色系统

理论、统计分析法、人工神经网络等方法，但往往都存在预测结果精度不高，且

在应用到实际工程中时存在诸多的不足之处，若采用单一的预测模型则达不到很

好的预测效果，而综合考虑多种预测方法的组合预测法则仍有待进一步研究。

1.2.2 地下管线相关研究

地下管线主要是指埋设在地下又或者埋设在水下的各种管道和电缆的总称。

地下管线的种类多样，结构复杂，对应的管线材质、管线规格以及管线接口等特

性都不尽相同。按功能的不同，地下管线主要可分为：排水管道、给水管道、燃

气管道、热力管道、工业管道、电力电缆和通讯电缆等七大类，每类管线按其传

输的物质和用途又可分为若干种[23]。

1.2.2.1 地下管线（道）的分布与埋深

现代城市建设中，人行道、非机动车道、以及机动车道的两侧一般均分布有

大量的地下管线。地下管线一般情况下埋深较浅，其中，电灯线、电车线的埋深

一般在 lm 以内；煤气管道及自来水管等埋深一般为 1～1.5m；通讯电缆的埋深则

一般在 1.5~2m。然而，随着城市的不断扩大，以及老城区的大规模改造，有些地

下管线（尤其是老旧管线）的走向和埋深均超出常规。主要表现在市郊和新城区、

上海理工大学硕士学位论文

以及经过改造的老城区区域。在这些区域，随着原有道路的多次改造，大多原有

的管线并未随道路改造而重新敷设，往往会导致地下管线的位置产生较大的变化，

例如许多自来水管埋深会深达 3m 多，甚至 5~6m，亦存在 7～8m 的个别情况，并

且管线的走向也会发生一定变化，例如出现原敷设在人行道下的管线移到了机动

车道下等情况[24]。

1.2.2.2 地下管线的受力

由管线的内部工作压力、上覆土压力、安装应力、动静荷载、先期地层运动

及其他环境影响等因素共同作用的结果，地下管线在受到开挖引起的地层扰动前

存在应力，即为管线的初始应力。而针对这些因素，国内外学者对地下管线的初

始应力进行了较多的研究。王绍周等(2000)[25]通过对各类压力管的轴向应力及支座

荷载等问题的研究，提出管线初始应力的理论计算公式。Taki 与O’Rourke(2003)[26]

分析了作用在铸铁管上的安装应力、内部压力、温度应力、以及重复荷载，认为

当管线纵向弯曲应变达到 0.02％~0.04％时，对应了管线的初始应力值。

Moser(2003)[27]对螺旋肋钢管和低劲性加肋钢管进行了试验，试验结果表明，土壤

的密度在很大程度地影响了试验管线的性能。

另外，对于地下管线的附加弯矩的研究，通常采用线弹性方法研究地下管线

的附加弯矩，而管体产生附加弯矩的主要原因则是管线对地层变形的抵制作用。

而该附加弯矩及管线抵抗地层变形的能力则会受到接头位置、类型和刚度的影响。

1.2.2.3 地下管线的破坏模式与安全判别

地下管线在地层移动及变形作用下存在两种主要的破坏模式：一种是在附加

拉应力的作用下，管段出现裂缝甚至发生破裂从而丧失工作能力；另一种则是管

段并无损伤，但由于管段接头转角而不能保持封闭状态从而导致管线渗漏。

对于不同类型的管线，引起破坏的主要决定因素也对应不同。同样的，针对

这些决定因素所建立的管线安全性判别方法亦不相同。其中对于大长度的刚性接

头管线，其破坏主要由地层位移引起的管线弯曲应力控制，应采用材料力学中的

强度理论进行强度校核；而对于有柔性接头的管线，其破坏主要由接口张开角和

管线纵向和横向抗弯强度所共同决定，可由管节接缝允许张开值及接口允许抗拔

力求得管线的允许变形[28]。

1.2.3 盾构隧道施工对既有管线的影响

隧道施工对既有地下管线变形的影响因素以及影响结果是多样的，随着国内

外科技工作者对这一课题的日益重视，现已有诸多有价值的研究成果。

1.2.3.1 管土相互作用

盾构隧道的施工会诱发周围土体的变形，而管线的变形又与其周围土体的变

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摘要随着城市建设的不断发展，新建工程的施工扰动给城市既有建筑环境带来了越来越多的潜在威胁。作为城市现代化建设重要组成部分的地下隧道施工，往往不可避免地会穿越大量的地下管线，而地下管线安全问题也一直是地下工程中关键性技术问题之一。为了地下隧道施工能在安全有序进行的同时，保证地下管线的正常使用，隧道施工中对邻近管线的影响及其控制问题需要不断进行深入研究。本文以上海虹梅南路越江隧道工程作为工程背景，基于已有的理论研究成果及工程现场实测数据，着重研究超大直径泥水平衡盾构隧道施工过程中，地层沉降变形的规律以及引发的地下管线的变形及其安全控制问题。在实际工程中，局限于很多现场因素，管线变形的监测等工作较为...

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