盾构开挖对地下管线影响的数值模拟分析.pdf

第卷 第期燕山大学学报 年月 引言 随着社会经济的发展，城市化进程不断加快， 现有的地上交通设施已经远不能满足要求， 迫切需 要修建地铁来缓解交通压力和改善城市环境。同 时， 地铁的修建也加强了城市防御战争、抗震和救 灾等各方面的能力。毋庸置疑，在城市中进行隧道 开挖会不可避免的对已有建筑物、 地下管线等产生 不良影响。 对开挖引起周围建筑物的影响进行评价 是城市地铁施工中的重要课题。 地下管线已经成为城市的生命线， 因此对它的 维护变得尤为重要。 当地铁隧道近接或穿越地下管 线而向前推进时， 引起的地层移动会对邻近的地下 管线产生不均匀沉降，从而引起管线的变形， 影响 管线的正常使用。目前，盾构开挖对地下管线的影 响问题已引起了国内外学者的极大兴趣。 彭基敏等 用程序软件模拟盾构推进对邻近地下管线 位移的影响，探讨盾构刀盘推进力，盾构刀盘，盾 构开挖到地下管线不同距离， 注浆等因素对地下管 线位移的影响。马涛等基于编 写了有限元程序， 简单模拟了城市隧道开挖对管线 变形的影响， 但是没有考虑开挖的过程，只是一个 二维的计算。 与实际三维的复杂情况相差甚远 。 骆建军等对隧道支护结构－土体三维有限元分析 模型计算与施工监控量测相结合，分析北京地铁 号线黄庄站施工对地下管线的影响， 并根据有关管 线安全性的评价标准分析和预测地下管线的安全 性。采用等效方法模拟钢架、锚杆；采用能承受轴 弯性能的空间等参壳单元模拟初期支护及临时结 构；采用遵循有限变形理想弹塑性本构关系和 屈服准则的空间等参实体单元，模 拟一次衬砌和围岩。毕继红等采用有限 元分析软件，建立管线与双线隧道三维模型， 模拟 隧道开挖对地下管线的影响，考虑了不同的埋深， 材质等条件，结构表明管线周围土的性状，与隧道 的相对位置以及自身刚度， 管径等将对其变形和内 力产生较大的影响。吴波，高波，索晓明等以深 圳地铁大剧院为背景，阐明了该工程的施工方案， 并给出了管线安全性的评价标准， 利用三维有限元 法模拟了隧道施工过程中的管线的动态响应， 通过 离心模型实验，数值模拟分析，场地测量对比分 析，论证了分析结果的可靠性。 综上所述， 目前就盾构开挖对地下管线的影响 问题来说，所做的研究还不够深入，考虑的影响因 素还不够全面，具体表现在 ）大部分研究将隧 道开挖视为二维问题； ）大多数研究将模型材料 文章编号1007-791X 2009 03-0247-07 盾构开挖对地下管线影响的数值模拟分析 范德伟，宋晓光 （同济大学 结构工程与防灾研究所，上海同济大学 建筑工程系，上海） 摘 要利用模拟了盾构隧道开挖对管线的影响。模拟过程中考虑了隧道应力逐步释放，然后逐步施作 衬砌，并考虑盾构机的推进力。充分考虑了盾构开挖对不同管径，不同埋深的地下管线位移的影响。模拟了双 圆隧道施工对地下管线的影响，对比了单孔盾构开挖于双圆盾构开挖对管线作用的机理的不同。分析了两种双 隧道开挖对地下管线的影响。结果表明，管线与隧道相对位置以及管线自身的刚度、管径等不同，将对其变形 产生较明显的影响，得出的规律为今后类似工程施工提供依据。 关键词；地下管线；盾构隧道；施工扰动 中图分类号 TU473.2文献标识码A 收稿日期基金项目山东科技大学科技发展基金资助项目（） 作者简介 范德伟 （） ， 男， 山东临沂人， 博士研究生， 主要研究方向为结构的健康检测及优化，。 燕山大学学报 视为均质， 没有考虑不同土层分布对管线的内力和 变形影响； ）没有考虑盾构开挖时盾构机推进力 的影响； ）考虑双盾构施工对底线管线的研究较 少； ）考虑双圆隧道开挖对地下管线开挖的影响 的研究很少。 基于以上问题，本文利用模拟了典型 单孔盾构开挖对管线的影响，然后分析了不同管 径， 不同埋深盾构开挖对管线位移的影响。研究了 双圆盾构施工对刚性管道的影响， 对比了单孔盾构 开挖于双圆盾构开挖对管线作用的机理的不同。 研 究了同一土层双隧道开挖对管线的影响和位于不 同土层双隧道开挖对管线的影响。 单孔隧道开挖对管线的影响分析 模型尺寸 隧道距地面，管线埋深，盾构机尺 寸内径，外径，衬砌，总推力为 。管径，厚度。隧道垂直 穿过管线，模型尺寸。土层分为 层，粉土（） ，粉土夹细沙（） ， 粉细沙（） 。盾构机管片选取弹性模型，力 学参数按混凝土结构设计规范 （）选 取，弹性模量，泊松比，厚度 按照实际情况取。土体参数按照表取。 表土体参数表 土层名称粘聚力内摩擦角重度湿压缩模量泊松比 粉土 粉砂夹细沙 粉细沙 管线与隧道的相对位置关系如图所示。 图管道与隧道相对位置 三维模型及模拟步骤 模型尺寸选为（ 方向） （ 方向）（ 方向） ，共划分了个单元， 个节点，如图 。 图划分后的网格 该模型采用建立三维模型， 利用 划分网格得到，这就解决了不能建立复杂 模型的问题。 管线和隧道衬砌全部采用实体单元进 行模拟。由于是按照实际施工情况模拟盾 构开挖，因此首先要得到初始应力场。 具体模拟步骤如下 ）建立三维模型，计算土体自重应力下的初 始应力场； ）得到土体的初始应力场后，土体位移值赋 零，为后面开挖做好准备； ）采用零模型（）进行分步开挖， 并施加盾构推进力， 每为一个开挖步， 开挖过 程中考虑隧道围岩应力逐步释放， 然后逐步施作衬 砌，并考虑盾构机的推进力； ）循环第 ）步，直至开挖完成，模拟过程 结束。 计算结果分析 ）盾构开挖后虽然马上施加衬砌，但是由于 周围土体与衬砌的相互作用使得衬砌发生变形。 在 本算例中（如图 ） ，上部衬砌向下移动，下 部衬砌向上移动。可以认为开挖引起土体位 移重新分布就是管线发生变形的原因； 粉细沙 粉土夹细沙 粉土 第期范德伟 等盾构开挖对地下管线影响的数值模拟分析 图衬砌的变形图 ）由于隧道开挖而引起管线周围应力发生变 化， 中间应力分布比两端应力分布要小，从而引起 管线不同位置位移不同。 开挖后土体的应力场如图 所示； 图盾构开挖后对土体应力场的影响 ）隧道轴线处管线的位移最大（如图 ） ，为 ，距隧道轴线越远管线位移越小，在管线末 位移为。管线的位移曲线为近似正态分布 的曲线 （如图 ） ， 也就是以隧道中心线对称的曲线。 不同管径的影响 分别模拟管径为，，， ，壁厚分别是，，， 埋深的钢筋混凝土管。不同管线管径 对应的刚度见表 ，不同管径对管线位移的影响见 图 。可以由图看出，随着管线刚度的增大，管 线受隧道开挖影响而发生的挠度越来越小。 对于钢 筋混凝土管来说，其管径越大刚度越大，也就是说 管径越小，管线受隧道开挖而发生变形越大。 图完全开挖后土体的位移场 图管线竖直位移图 图不同管径对管线位移的影响 表管线管径对应的刚度表 管线管径 管线刚度 管线距隧道的距离远近的影响 分别模拟了在隧道形式及其位置及其参数保 持不变的情况下，管线埋深在，， 种不同情况下管线由于隧道开挖而受到的影响。 管线的位移 单位 单位 单位 单位 燕山大学学报 图给出了种情况下管线的位移情况， 可以由图 看出，由于管线距离隧道开挖位置的不同，观想 所受到的由于隧道开挖的影响情况也不同。 随着管 线距离隧道距离的增大， 管线受到的隧道开挖的影 响越来越小。管线埋深为时，管线最大位移 为。而管线埋深为时，管线最大位移 为。 图埋深不同管线的位移图 双圆隧道开挖对管线的影响分析 双圆盾构工法（）首先 于年在日本面世，所谓双圆盾构施工法是指 采用在同一平面上配置两个刀盘的双圆形加泥式 土压平衡盾构机和在圆形断面连接部的相切部分 的相对位置设置有“ ”形（海鸥形）接头管片来 构筑双圆形隧道的施工方法的总和。 由于双圆盾构 施工法是一个比较新的施工方法， 对双圆盾构隧道 引起地表沉降的研究很少。 本部分模拟了双圆隧道开挖对管线的影响。 模型建立 本部分模拟的双圆隧道开挖对管线的影响。 双 圆隧道尺寸直径，双圆圆心距，衬砌 ，管径，厚度。土层分为 层，粉土（） ，粉土夹细沙（） ，粉 细沙（） 。盾构机管片选取弹性模型，力 学参数按混凝土结构设计规范 （）选 取，弹性模量，泊松比，厚度 按照实际情况取。土体参数按表 。建立的 模型如图 。 由于采用双圆盾构机开挖， 施加衬砌的形式又 比较复杂，开挖后衬砌附近的应力场变化比较复 杂，从而产生土体位移，隧道下方的土层位移向 上，隧道上方的土层向下移动。 这个趋势也可以由 衬砌周围土体的位移矢量图可以看出。 图双圆隧道模型网格 图衬砌周围土体的位移矢量图 随着开挖的进行， 管线所在截面处由于开挖面 的不断接近位移场受到的挠动越大（图） ，管线 最大位移处也就是管线中间位置处位移逐渐增大 最后趋于稳定，由于考虑到盾构开挖的时间效应， 每下一开挖步并不是土体都已经达到平衡， 所以在 管线的位移变化图上及衬砌的位移变化图反映不 出盾构开挖分布的明显变化来。 由管线的最后位移 图可以看出管线的位移最大为，与单孔 隧道的位移图（图 ）比较可以看出管线的位移图 的曲率变化比较大， 这与双圆隧道这种形式的施工 方法有关。由于双圆隧道开挖断面比较大， 因此对 土体挠动也比较大， 从而引起管线的位移变化要比 单孔隧道形式引起的管线的位移变化要更加复杂。 双隧道开挖对管线的影响分析 同平面双隧道开挖对管线的影响分析 双隧道尺寸直径，圆心距，衬砌 单位 单位 第期范德伟 等盾构开挖对地下管线影响的数值模拟分析 ，管径，厚度。土层分为 层，从上到下，粉土（） ，粉土夹细沙 （） ，粉细沙（） 。盾构机管片选取 弹性模型，力学参数按混凝土结构设计规范 （）选取，弹性模量，泊松 比，厚度按照实际情况取，土体参数 按表 ，建立模型如图。 图管线截面处位移场随开挖过程变化图 图管线位移图 图双隧道模型 随着双隧道同步开挖过程的进行， 管线所在截 面处的应力场逐渐受到盾构开挖的影响。 管线位移 也发生变化（图） ，管线的最后位移类似于两个 隧道开挖对其影响的叠加作用。 双孔平行隧道建 设引起的管线的变形分布曲线主要是与两隧道中 心线之间的水平距离和隧道的埋深有关， 也与管线 距离隧道的远近有关系，距离隧道越近， 管线受到 隧道开挖的影响也就越大， 管线的变形也就越大。 有管线的位移图可以知道由于两隧道中心之间的 水平距离与隧道的埋深相比比较小， 管线的沉降曲 线具有“单峰”的特点。最大沉降位置在两隧道之 间的位置（图） 。 图管线截面位置位移场随盾构开挖过程变化图 图双隧道开挖管线的位移图 不同平面双隧道开挖对管线的影响分析 本部分模拟的双圆隧道开挖对管线的影响。 双 隧道尺寸直径，圆心水平距，圆心竖直 距， 衬砌， 管径， 厚度。 土层分为层，从上到下，粉土（） ，细沙 管线的竖向位移 单位 单位 管线的竖向位移 单位 单位 燕山大学学报 （） ，粉土夹细沙（） ，粉细沙 （） 。盾构机管片选取弹性模型，力学参数 按混凝土结构设计规范 （）选取，弹 性模量，泊松比，厚度按照实 际情况取。土体参数按表 。 表土体参数表 土层名称粘聚力内摩擦角重度湿压缩模量泊松比 粉土 粉砂 粉土夹细沙 粉细沙 建立的模型如图。 图双隧道模型图 不同埋深的隧道开挖由于是两条隧道并且距 管线的距离不同所以对管线的影响更加复杂， 由图 主要特点是随着双隧道开挖面距离管线越来越 近， 其对上面的土体的位移影响区为两隧道与管线 两端的连线， 距离管线较近的隧道对上面土体的影 响作用要更大。对管线的影响作用也更加复杂，由 图可以看出管线中间位置由于都处于两隧道最 大的影响范围内， 所以管线此处的位移在整个开挖 过程中都是是位移最大。 最后管线的位移类似不同 埋深的两隧道叠加而成。 结论 本文通过精确模拟隧道开挖对管线的影响， 得 到如下结论 ）管线随着盾构机开挖步的进行管线的位移 逐渐变大，中点位置是最大位移点。管线的位移曲 线为近似正态分布的曲线。 距离隧道距离相同， 材 料相同的情况下的管线管径越大， 盾构开挖对其影 响越小； ）双圆隧道开挖与单圆隧道开挖对管线的影 响基本相同，但是位移要比单孔隧道开挖的大； ）双孔平行隧道建设引起的管线的变形比较 复杂， 主要与两隧道中心线之间的水品距离和隧道 的埋深有关， 也与管线距离隧道的远近有关系。 管 线的沉降曲线具有单峰的特点。 但是有双峰发展的 趋势； ）双孔不同埋深平行隧道建设引起的管线的 变形分布曲线更加复杂， 管线的最大沉降位置为隧 道中心线位移并向埋深大的隧道中轴线偏向。 图管线所在截面出的位移场变化图 图管线的位移图 参考文献 王霆 刘维宁 李兴高 地铁施工影响邻近管线的研究现状与 管线的竖向位移 单位 单位 第期范德伟 等盾构开挖对地下管线影响的数值模拟分析 展望中国铁道科学 彭基敏 张孟喜 盾构法施工引起邻近地下管线位移分析 工业建筑 马涛 隧道施工引起的地面变形及其对邻近地下管线的影响分 析长沙 长沙理工大学 骆建军 张顶立 王梦恕 等 地铁施工对管线的影响中 国铁道科学 毕继红 刘伟 江志峰 隧道开挖对地下管线的影响分析 岩土力学 吴波 高波 索晓明 等 城市地铁隧道施工对管线的影响研 究岩土力学 周文波 双圆隧道施工对环境的影响上海建设科技 Analysis of buried pipelines casused by metro tunneling Abstract Key words （上接第页） uation of ination hiding with additional message based on LSB substitution