管线沉降处理办法【隧道开挖引起管线沉降计算的刚度修正法】

　　作者简介：韩煊(1972)，男，博士，教授级高级工程师，从事地基基础工程、隧道与地下工程相关研究，（Email）xuanhan2002@163.com。摘要：在城市地铁隧道掘进中，地层位移会对密布的城市地下管线形成较大的威胁。由于管土隧道相互作用问题的复杂性，除了数值分析方法以外，一般在工程实践中均忽略了结构刚度对其变形的影响作用，因此结构变形预测结果大大偏于保守。在理论分析的基础上，通过机理研究和实测数据的分析，提出了管线变形及其内力计算的高斯分布模型与结构刚度影响机理；给出了管线沉降槽宽度系数K和管线刚度之间的经验关系，建立了考虑隧道管土相互作用的管线沉降和内力的预测方法——刚度修正法。
　　关键词：管线；隧道掘进；地层位移；管土相互作用；变形；内力；刚度；风险评估
　　中图分类号：TU279.76文献标志码：A文章编号：16744764（2012）03002107
　　A Modified Stiffness Approach to Predict TunnellingInduced
　　Deformation and Force of Pipelines
　　HAN Xuan1, LEI Chonghong2, ZHANG Peng1
　　(1.National Academician & Masters Research Office, BGI Engineering Consultants Ltd., Beijing 100038, P.R.China;
　　2.Beijing MTR Construction Management Co.,Ltd.,Beijing 100037，P.R.China)
　　Abstract:The urban tunnel construction will cause ground movement and the deformation or even damage of the nearby pipelines. Its very common in practice that the structural stiffness is ignored in the settlement prediction and damage assessment because of the complexity of tunnelsoilpipeline interaction. Based on the study of pipeline settlement profiles measured from several tunnelling projects, an observation is put forward that the settlement profiles of the pipeline can be fit very well by the Gaussian equation in case of using a larger troughwidth parameter K influenced by the stiffness of the pipeline. Thus an empirical relationship between the parameter K and the stiffness of the pipeline was proposed which can be used to predict the trough parameter according to the stiffness, and a ‘Modified Stiffness Method was proposed.
　　Key words:pipelines; tunnelling; ground movement; soilpipe interaction; deformation; inner force; stiffness; risk assessment
　　随着地铁工程建设的大规模开展，施工扰动是影响地下管网安全的重要因素之一。研究发现，地铁事故很大一部分都与地下管线有关，其中地铁渗水、涌水等地铁施工事故与管线有关的比例高达59%。这类事故又可以具体分为2大类：1）地层塌陷或位移过大造成管线断裂，管线中的水涌入隧道，继而使塌陷加剧；2）管线在其他原因下（例如汽车碾压等外力）首先断裂，产生渗水或涌水，继而造成土的渗透破坏并最终形成塌陷。由此可见，在地铁施工中对于地下管线安全问题应给予足够的重视［1］。
　　作为城市环境保护的一个新兴课题，许多学者都对城市地下工程施工对地层及邻近管线的影响研究作了很多工作，得出许多有意义的结论，为科学评价城市隧道施工对邻近管线的影响提供了一定的理论基础［212］。例如很多学者把该问题近似为简单的弹性温克尔模型，其中有代表性的工作包括英国剑桥大学的学者Vorster等［89］、Klar等［1011］、Marshall等［12］依据连续体的弹性解提出了隧道施工对管线影响的解析解，研究了在连续弹性介质中，管线变形的一个闭合形式的解，提出了一种估算隧道开挖引起的地层位移影响下的连续管线最大弯矩的方法。〖=D(〗韩煊，等：隧道开挖引起管线沉降计算的刚度修正法〖=〗
　　总体来看，目前相关的研究开展了很多，但由于管土隧道相互作用问题的复杂性，大部分成果都是基于数值模拟方法对具体工程问题的模拟，没有得到具有广泛适用性的方法。Vorster、Klar、Marshall以及其他基于弹性理论的方法由于推导求解的需要，往往引入很多假定条件，例如一般都假定管线与隧道走向垂直（目前文献中尚未见到针对隧道与管线斜穿、平行2种情况的研究成果），这往往使成果的实际应用受到了很大的限制，且涉及较为复杂的矩阵计算，需要编制专门的程序计算，因此难以在工程中推广应用。中国针对具体工程一般采用数值分析的方法，但一是计算工作量大，二是由于对管线变形规律本身认识不足，单纯的数值模拟结果也往往与实际有较大的偏差。目前实际工程中还缺乏管线在隧道施工作用影响下的变形和内力的实用分析方法。