頂管施工對鄰近地下管線的影響預測探討

陳剛

（南京測繪勘察研究院有限公司江蘇南京210000）

頂管施工對鄰近地下管線的影響預測探討

陳剛

（南京測繪勘察研究院有限公司江蘇南京210000）

城市頂管施工過程中不可避免的會造成管線平面位置土體位移，進而對地下管線造成危害，當前有關這方面問題的研究不是很多。基于此，文章利用Peck公式對頂管施工引起管線平面位置土體豎向位移的情況進行了計算與分析，簡化地下管線受力模型，得到基于極限彎矩、理論彎矩、管線變形計算的相關方法，希望可以為同行業人士的研究提供一些參考。

頂管施工；鄰近；地下管線；影響；預測

頂管施工很容易會造成鄰近地下管線變形、位移，如果變形劇烈將會造成管線破損，進而引發管線故障等不良后果。如果施工過程中能夠對管線安全度進行有效控制，就可以在允許范圍內始終保持最佳狀態。土層本身具有一定應力，施工過程中不能避免的會遇到斷層等問題，這將會對地下管線造成不小的影響，因此必須在施工之前將土層應力估值計算工作做好，通過預測減小誤差。

1 作用機理分析

頂管施工之所以會引起土體變形，主要和土體損失、掘進機與土體之間的摩擦力等直接相關，其中最為主要的影響因素是土體損失，掘進機通過4h（h表示頂管軸線埋深）之后，不需要對正面附加推力、摩擦力的作用進行考慮。所以，本文僅需要考慮土體損失對地下管線帶來的影響。圖1為大家呈現了管線受到隧道開挖的影響，其中d表示管線外直徑，R表示隧道外半徑，而z0表示管線軸線與地面的距離，管線和頂管開挖方向正相交時，受力情況是最為不利的，所以本文僅針對這種工況下管線的受力情況進行預測。

圖1 頂管施工對地下管線的影響

開始頂管開挖之前，管線會受到上部下部土的壓力及反力作用而保持平衡狀態，隧道開挖以后由于土體損失，隧道周圍的土體會發生移動，進而出現土體沉降，這時管線底部土體就會出現沉降，土體反力會隨之減小。土體沉降屬于小變形，加上受到卸荷膨脹的影響，管線和底部土體指不分離的。因為土體反力減小，管線就會受到上部附加壓力的影響。由于頂管施工造成的土體沉降逐步增大，待掘進機掘進一段時間以后，沉降將會達到最大值，這種情況對管線極為不利。這時管線不會發生變形，受到的彎矩是最大的，但是管線的實際剛度有限，在附加壓力的影響下將會出現管線變形的問題。由于存在管線剛度，在附加壓力的影響下，產生的沉降量要遠遠小于底部土體沉降量。上部附加壓力主要需要由底部土體反力和管線共同來承擔，其承受的土體附加壓力應該與福安縣、底部土體沉降差土體壓力的和相等，這種管線所承受的彎矩達不到極限彎矩的大小。

如果管線變形過大，或者理論彎矩過大，這時管線就可能會受到破壞，我們將極限彎矩看做是綜合性評價指標，管線遭受破壞的可能性會隨著極限彎矩的大小而發生變化。

2 地下管線產生的彎矩及變形預測

2.1 地下管線受力模型假定

本文對管線受力模型進行了以下幾種假定：①土體是一種均質線彈性體，管線是一種連續彈性體，它的截面基本保持不變，不需要對初始應力進行考慮；②由于隧道開挖出現的土體移位損失將會嚴重影響管線；③由于隧道開挖引起的土體位移不會受到原來管線的影響；④管線長度通常都比其直徑大，因此可以將其簡化成彈性地基梁進行計算。對于長距離管線來說，只需要對由隧道開挖影響區的管線受力情況進行考慮，不需要對地基邊界無沉降區域的相關連續性進行考慮，其模型基本上和Winkler相一致，所以可以將其假定成Winkler地基模型；⑤管線截面主要會受到環向輻射狀地基反力的影響，本文主要對管線整體受力進行分析，因此我們可以用集中力取代原有輻射狀的地基反力，如圖2。

圖2 管線受到地基反力等效簡化

要想對極限彎矩、理論彎矩進行確定，首先需要對管線平面位置上土體沉降量以及管線最終沉降量進行確定。管線平面位置上土體個點可能會受到隧道開挖影響，進而產生豎向位移，這里我們將豎向位移記作UZ，這里可以將其看作是管線平面位置上土體卸荷的過程，那么該點上管線承受的等效即為：

式中：k表示管線平面位置上的地基反力系數，利用載荷板試驗可以確定地面k0值，在此基礎上進行深度修正，或者也可以將基礎剛度、彈性地基特性與地基反力系數聯系到一起，這樣我們可以將長梁的k值表達為：

式中：E0表示土變形模量，μ表示土的泊松比，EI表示管線的抗彎剛度，b表示地基梁寬度，這里出于對管線埋深影響的考慮，可以將管線平面位置上地基反力系數記作2k。

2.2 管線平面位置土體位移計算

利用Peck經驗公式可以準確的描述出管線平面位置上各點土體位移情況，土體任意點（x，y，z）的沉降UZ就是：

式中：x表示與頂管軸線橫向之間的水平距離，y表示地面點沿著隧道掘進方向的坐標，yi表示頂管開挖面推進的起始點，yf表示現在頂管開挖面的具體位置，z表示與地面之間的豎向距離，φ由標準正態分布函數表查到，h表示頂管軸線埋深，Vloss表示隧道單位長度土體損失量，i表示地面沉降槽寬度系數。

Vloss的計算方法共有經驗方法和利用等效土體損失參數g進行計算兩種方法，其中經驗方法是指按照以前的經驗選擇挖掘百分率，古都按出土體損失大小，假設η表示土體損失百分率，那么有Vloss=πR2η。按照Attewell提出的觀點，η應該在0.5～2.5%之間，通過對國外眾多工程案例進行研究可以得到，η21例的范圍在0.773～7.712%之間，取其平均值是3.08%。按照韓煊等人的統計分析可以得知，η在0.22～6.90%之間。按照等效土體損失參數g進行計算，我們可以將單位長度土體損失量表示如下：

式中：g=ω+GP′+U3D，GP′=αGP，GP表示管道和掘進機之間的幾何空隙，處于對注漿填充的考慮，與折減系數α相乘。通過一系列分析可一直，隨著管土剛度系數的不斷增大，管線最大沉降逐漸變小，但是影響范圍越來越大。可以看出，管線變形和土質條件、管線彈性模量及管線尺寸相關。

3 結語

綜上所述，通過本文對管線受力機理的相關問題，提出了理論文具、極限彎矩的區別，基于Peck公式提出了極限彎矩與理論彎矩、管線變形計算的方法，這種方法在各種土質中均使用，可以很好的對管線承受的彎矩進行預測，同時還不會低估管線受到的最大彎矩。但是值得一提的是，地下管線被破壞的原因非常多，本文僅對管線受彎矩的情況進行了分析，在以后的工作中還應該進行進一步分分析和研究，通過本文的分析可以看出，管線變形和土質條件、管線彈性模量及管線尺寸等因素緊密相關。

[1]杜小萍，郝鑫，趙建立.軟土地質條件下樹根樁技術在保護鄰近頂管施工地下管線中的應用[J].施工技術，2013，15：103～105.

[2]高丙麗，蔡智云.地鐵隧道施工對鄰近垂直于地鐵線路管線的變形影響規律研究[J].中國安全生產科學技術，2015，12：59～64.

TU990.3

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1004-7344（2016）28-0289-02

2016-9-21