地鐵施工引發(fā)周圍管線沉降的預(yù)測

楊超 張輝 肖緒壽

0 引言

目前正在修建的所有的地鐵及區(qū)間均需穿越大量管線。由于地鐵工程開挖會使周圍的地層和地面產(chǎn)生變形,對于城市道路路面下埋設(shè)的各種管線的影響也就不可避免,嚴(yán)重者會影響到管線的正常使用甚至造成重大災(zāi)難性結(jié)果。所以對管線進行監(jiān)測是十分必要的,本文對不同管徑管道采用不同的方法進行預(yù)測。特別是當(dāng)管道大于150 mm,結(jié)合工程實例,首次提出采用Origin8.0軟件進行管道理論預(yù)測,獲得一些有益的認(rèn)識。

1 地表沉降與管線沉降的關(guān)系

1.1 管線直徑小于150 mm

其中,i(s)為地表處沉降槽的反彎點距離;i(p)為深度zp處土層沉降槽的反彎點距離;wmax(s)為地表處沉降槽最大沉降值;wmax(p)為深度zp處土層沉降槽的最大沉降值;其余符號的意義同上。此處i(p)為地中沉降槽的參數(shù),在實際工程中不便于量測,需要將其與地表沉降槽的參數(shù)聯(lián)系起來。根據(jù)姜忻良等(2004年)[4]的研究成果,可以得到：

其中,zp為管線埋深;zt為隧道埋深;A=[-0.45,-0.2],一般可取-0.3。將式(4)代入式(3)得：

再將式(5)代入式(1)得：

已有研究成果表明：大多數(shù)地下管線埋深不大于2 m,在這樣的埋深條件下,直徑小于150 mm的管線對地層移動幾乎沒有任何抵抗能力,管線隨周圍土體一起移動[1]。那么管線某一點的沉降等于所在地層中該點的沉降。即：

其中,W(g)為管線沉降;W(p)為地層沉降。

Peck等人[2]提出隧道開挖引起的曲線見式(2)：

其中,y為地表點與隧道中線的水平距離;S為距離隧道中線距離為y處的地表沉降;Smax為最大地表沉降(y=0處);i為隧道中線到沉降槽反彎點的水平距離,表征地表沉降曲線的曲率特征和范圍。

通過大量測試結(jié)果證明,地表以下任一地中沉降槽仍可認(rèn)為符合正態(tài)分布曲線,沉降槽的體積等于地層損失[3],如式(3)所示。且隨著土層深度的增大,土層沉降槽曲線反彎點距離將會減少。

運用式(6),就可以通過地表沉降值,管線埋深,隧道埋深,以及對A的合理取值得到管道的沉降。

1.2 管線直徑大于150 mm

當(dāng)管線的管徑大于150 mm,管線會對周圍土體移動產(chǎn)生抵抗作用,故管線沉降將和周圍土體沉降不一致。管線對周圍土體的抵制作用主要與管線的管徑,剛度,接頭類型和管線埋深有關(guān)。下面通過對北京地鐵黃莊站10號線的地表沉降和管頂沉降所測得的數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析,然后進行線性擬合,得出主要管道參數(shù),地表沉降,管道沉降的關(guān)系。管線與隧道垂直平面時,幾何關(guān)系見圖1。

1.2.1 地鐵黃莊站概況

地鐵黃莊站位于中關(guān)村大街與知春路十字路口,為4號線與10號線的十字換乘站,4號線車站位于中關(guān)村大街下,呈南北走向。10號線車站位于知春路下,兩站在平面上斜交且10號線在4號線上方通過。10號線車站除兩端各兩跨采用蓋挖順作法施工外,中間部分均采用暗挖逆作法施工。暗挖逆作法施工的車站結(jié)構(gòu)形式為三拱雙層三跨的框架結(jié)構(gòu)。4號線車站南北兩端雙層暗挖主體結(jié)構(gòu)均為三拱雙層三跨的框架結(jié)構(gòu)。雙層暗挖主體結(jié)構(gòu)之間、10號線車站南北兩側(cè)、為避開緊鄰10號線主體的大型熱力和電力隧道等地下管線設(shè)計成單層三跨三連拱暗挖結(jié)構(gòu),4號線車站長度為216.6 m,兩端雙層結(jié)構(gòu)長為79.5 m,凈寬21.5 m,拱頂覆土6.85 m;中間為單層結(jié)構(gòu)長約33.8 m,凈寬22.1 m,拱頂覆土11.95 m。從地表向下土層依次為①層雜填土、①層粉土素填土、②3層粉細(xì)砂、③層粉土、③層粉質(zhì)黏土、④層粉土、④3夾層粉細(xì)砂、⑤層卵石圓礫、⑤層中粗砂、⑤3層粉土、⑥層粉土、⑦層中粗砂、⑦層卵石圓礫。

1.2.2 管線監(jiān)測設(shè)計

黃莊站4號線車站下方的管線大多位于道路兩側(cè)綠化帶內(nèi),受地鐵施工影響較大的管線數(shù)量相對較少,10號線車站下方管線較多且大部分埋設(shè)在道路中間車站正上方,經(jīng)過改移處理后,確定了七條受車站施工影響較大、需密切監(jiān)測的管線。測點布置方案采用套筒式。監(jiān)測管線的測點布置見圖2。

1.2.3 管線沉降和對應(yīng)地表沉降監(jiān)測結(jié)果

管線的自身參數(shù)有管徑,材料,管線厚度,剛度,管線埋深等。王霆[5]通過數(shù)值模擬得到當(dāng)其他條件不變時,管線的材料對管線的沉降影響很小,而剛度則可通過材料力學(xué)公式用管徑和管壁厚度來計算。故取管線的剛度,管線相對埋深作為影響管線沉降的主要參數(shù)。管線剛度通過計算得到,管線沉降則取多個測點的平均值。管線及其正上方的地表沉降監(jiān)測結(jié)果見表1。

表1 管線和地表沉降監(jiān)測結(jié)果

1.2.4 數(shù)據(jù)分析

通過Origin8.0軟件,對以上10組數(shù)據(jù)進行線性擬合,得到管道沉降關(guān)于管道剛度,管道相對埋深,地表沉降,管徑的線性關(guān)系。擬合得到的函數(shù)為：

w=-34.3x+0.73y-7.62z+3.57lg(EI)-31.02(7)

其中,w為管道沉降;x為所對應(yīng)的管線的相對埋深zp/zt;y為地表沉降;z為管徑;EI為管道剛度。將原來的10組數(shù)據(jù)代入式(7)得出：式(7)計算的驗算結(jié)果最大誤差不超過2.5%,說明該公式能夠較好擬合上述因素間的關(guān)系。

1.2.5 公式驗證

為檢驗該公式的可用性,用剩余的兩組數(shù)據(jù)作為檢驗。結(jié)果見表2。

表2 檢驗數(shù)據(jù)結(jié)果

第11條管線的誤差率為1.9%比較準(zhǔn)確。

第12條管線的誤差率則為16.0%,有較大誤差。

通過分析發(fā)現(xiàn),前11條管線與隧道基本上是平行關(guān)系,而第12條管線則與隧道處于大角度斜交,所以其產(chǎn)生較大的誤差。

2 結(jié)語

1)當(dāng)管線管徑小于150 mm時,直接用地表沉降來表示管線的沉降。計算公式為：

2)當(dāng)管線管徑大于150 mm,研究結(jié)果表明,根據(jù)監(jiān)測資料利用Origin8.0軟件對管線沉降預(yù)測是行之有效的方法。本文研究的參數(shù)為管線的直徑,剛度和管線相對埋深,地表沉降。得到它們滿足：

這是一個簡單的公式,不需要繁瑣的計算。但該公式有其特定使用范圍。即必須為與此工程實例近似的工程地質(zhì)條件和施工方法,且管線與隧道幾何關(guān)系也是近平行的。

3)可以通過增加監(jiān)測的管線數(shù)量,從而增加了軟件的擬合樣本,這樣能預(yù)測各種情況下的管線沉降且其預(yù)測精度也會相應(yīng)的提高,使預(yù)測更加完善。

4)通過管線沉降的預(yù)測,可以聯(lián)系管道的具體破壞方式,比如說轉(zhuǎn)角,最后建立起管道沉降和管道破壞的關(guān)系,從而使之具有良好的工程實踐意義。

[1]ATTEW ELL P B.Soilmovements incluced by tunneling and the effects on pipelines and structures[M].London Blackie,1986：103-109.

[2]Peck R B.Deep excavation and tunneling in soft ground.Proceedings 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering,state of the art volume[J].Mexico,1969(20)：225-290.

[3]Mair R J,Taylor R N,Bracegirdle A.Subsurface settlement profiles above tunnels in clays[J].Geotechnique,1993,43(2)：315-320.

[4]姜忻良,趙志民,李 園.隧道開挖引起土層沉降槽曲線形態(tài)的分析與計算[J].巖土力學(xué),2004,25(10)：1542-1544.

[5]王 霆.地鐵淺埋暗挖法施工對鄰近管線的影響與控制[D].北京：北京交通大學(xué)博士學(xué)位論文,2008.