本發(fā)明涉及雙線盾構(gòu)垂直穿越地下管線的安全監(jiān)管技術(shù)，具體涉及一種雙線盾構(gòu)隧道施工對地下管線安全造成影響的評估方法。
背景技術(shù)：
：地下管線是維系城市地上地下空間、保證城市整體運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)施。由于地鐵屬于淺埋隧道，其施工擾動(dòng)會(huì)對管線安全構(gòu)成威脅，隨著越來越多的城市開始大規(guī)模建設(shè)地鐵工程，地鐵施工引發(fā)管線損壞的事故也屢屢發(fā)生。這些事故給社會(huì)生產(chǎn)、生活帶來巨大損失，因此亟需建立一套管線安全判別體系，預(yù)防事故的發(fā)生。目前關(guān)于管線安全性判別的研究方法可分為兩類。第一類方法[1-2]是將隧道施工引起的管線受力變形的計(jì)算值，與規(guī)范中的安全允許值比較，以此判斷管線是否安全。而實(shí)際工程中：一方面，管線埋置于地下且受力狀態(tài)一直在改變，不容易及時(shí)測量其受力變形；另一方面，當(dāng)通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)管線存在危險(xiǎn)時(shí)，管線可能已經(jīng)破壞，因此實(shí)用性較低。第二類方法[3-4]是通過地表沉降這一指標(biāo)反映管線狀態(tài)，實(shí)用性較強(qiáng)，因?yàn)榈罔F施工時(shí)必須對地表沉降進(jìn)行監(jiān)測。但研究成果還不成熟，不足之處主要體現(xiàn)在未對管線受力變形的計(jì)算公式、管線處土體沉降與地表沉降的聯(lián)系公式進(jìn)行更新(應(yīng)采用最新研究成果)，且未明確提出地表沉降與管線受力變形的計(jì)算關(guān)系式。兩類方法的研究均未考慮管線的老化。且現(xiàn)有研究局限于單線盾構(gòu)隧道施工，但實(shí)際工程往往采用雙線平行盾構(gòu)隧道進(jìn)行施工。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中不足，提供一種雙線盾構(gòu)隧道施工對地下管線安全造成影響的評估方法。本專利將管線受力變形與地表沉降聯(lián)系起來，分別提出雙線盾構(gòu)施工情況下，鄰近連續(xù)管線應(yīng)變與地表沉降關(guān)系式和非連續(xù)管線接頭轉(zhuǎn)角與地表沉降關(guān)系式；并考慮管線老化，建立了一種雙線盾構(gòu)隧道施工對地下管線安全造成影響的評估方法。為了達(dá)到上述目的，小發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：本發(fā)明提出一種雙線盾構(gòu)隧道施工對地下管線安全造成影響的評估方法，主要分為以下4個(gè)步驟：一、通過修正PECK公式，建立地表沉降與土體損失關(guān)系。以右側(cè)隧道先開挖為例，土體中任意一點(diǎn)(x，z)的沉降公式為：Sz(x)=Smax,f(1-z/H)nexp[-(x-0.5L)22if2(1-z/H)2n]+Smax,l(1-z/H)nexp[-(x+0.5L)22il2(1-z/H)2n]]]>式中：H為盾構(gòu)軸線埋深，單位符號為mm；Sz(x)為雙線盾構(gòu)隧道施工引起的總的土體沉降，單位符號為mm；x為距雙線盾構(gòu)隧道中軸線的橫向水平距離，單位符號為mm；z為距地表的距離，單位符號為mm；Smax，f、Smax，l分別表示先行隧道和后行隧道軸線正上方地表沉降值，單位符號為mm，π為圓周率，一般取3.14；ηf、ηl分別為先行和后行隧道產(chǎn)生的土體損失率；if、il分別為先行和后行隧道的地表沉降槽寬度系數(shù)，單位符號為mm；n為與隧道半徑和土質(zhì)條件有關(guān)的影響系數(shù)，對于黏性土，n的取值范圍在[0.35～0.85]之間；對于砂土，n的取值范圍在[0.85～1.0]之間；R為盾構(gòu)半徑，單位符號為mm；L為兩條隧道軸線水平間距，單位符號為mm。二、管線受力變形與土體損失的關(guān)系式。(1)對于非連續(xù)管線，根據(jù)彈性地基梁理論，可以得到管線受隧道開挖影響的變形微分方程為：EI∂4w∂x4+kdw=kSz(x)d]]>式中：EI為管線抗彎剛度，單位符號為Pa；k為管線平面處的地基反力系數(shù)，單位符號為Pa；d為管線外徑，單位符號為mm；w為管線的豎向撓度，單位符號為mm。解微分方程，可得管線縱向中心點(diǎn)處受到的最大彎矩Mmax為：Mmax=∫-∞∞dM(x)=∫-∞∞kSz(x)d4βexp(-βx)(cosβx-sinβx)dx.]]>式中：由此筆者提出管線在隧道開挖影響范圍內(nèi)任意一點(diǎn)(x0，h)的彎矩M(x)計(jì)算公式為：M(x)=EIβ3πR2ηfif2π(1-hH)-n·∫-∞+∞(cos(β|x-0.5L-x0|)-sin(β|x-0.5-L-x0|))·exp[-(x-0.5L)22if2(1-h/H)2n-β|x-0.5L-x0|]dx+EIβ3πR2ηlil2π(1-hH)-n·∫-∞+∞(cos(β|x+0.5L-x0|)-sin(β|x+0.5-L-x0|))·exp[-(x+0.5L)22il2(1-h/H)2n-β|x+0.5L-x0|]dx]]>式中：x0為坐標(biāo)系上的任意一點(diǎn)坐標(biāo)，單位符號為mm；h為管線軸線埋深，單位符號為mm。(2)對于連續(xù)管線，考慮管土效應(yīng)，則管線的真實(shí)沉降一般會(huì)小于無管線存在時(shí)的土體沉降。理論上需要求出管線的真實(shí)沉降，來計(jì)算其真實(shí)接頭轉(zhuǎn)角。但由于彈性地基梁法求解管線位移比較困難，為簡便計(jì)算，本文假定非連續(xù)管線沉降與無管線存在時(shí)的土體沉降一致。這種處理方法會(huì)比實(shí)際情況保守，不影響安全性判斷。由于雙線隧道水平間距L的不同，雙線盾構(gòu)施工引起的土體沉降曲線可能出現(xiàn)V型或W型。若施工時(shí)土體沉降曲線呈W型，其引起管線接頭轉(zhuǎn)角最大值分別出現(xiàn)在兩條隧道軸線的下上方，則計(jì)算先行、后行盾構(gòu)隧道軸線上方土體沉降時(shí)，可以以單線盾構(gòu)隧道為計(jì)算模型?？稍O(shè)ηf＝ηl，則管線接頭轉(zhuǎn)角公式：θ=2tan-1{Sz(0)i(s)2π}]]>即式中：θ為管線和隧道垂直時(shí)產(chǎn)生的接頭轉(zhuǎn)角，單位符號為°；i(s)為地表沉降槽寬度系數(shù)，單位符號為mm。變換化簡，可得土體損失率與管線接頭轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系式：ηf=2[i(s)]2tan(θ/2)R2(1-h/H)2n]]>若施工中土體沉降曲線呈V型，其引起管線接頭轉(zhuǎn)角最大值出現(xiàn)在雙線隧道正中間，可設(shè)ηf＝ηl、if＝il。以ηf為標(biāo)準(zhǔn)，則可得到土體損失率與管線接頭轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系式：ηf=[i(s)]2tan(θ/2)R2exp{-0.25L22[i(s)]2(1-h/H)2n}]]>三、建立地表沉降與管線受力變形的關(guān)系式。將M(x)或θ用規(guī)范中的管線應(yīng)變或轉(zhuǎn)角安全允許值帶入，求出管線安全前提下對應(yīng)的土體損失率安全允許值[ηf]。最后，通過修正的二維Peck公式建立土體損失率與地表沉降的關(guān)系：[S′max(x)]=πR2[ηf]if2πexp[-(x-0.5L)22if2]+πR2[ηl]il2πexp[-(x+0.5L)22il2]]]>式中：[S′max(x)]為地表沉降安全允許曲線，單位符號位mm。四、考慮與時(shí)間相關(guān)的折減系數(shù)。根據(jù)城市給水排水技術(shù)規(guī)范，地下管道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限不低于50年，安全等級不小于二級。假設(shè)管線設(shè)計(jì)使用年限為50年，根據(jù)工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)，規(guī)定50年后可靠指標(biāo)不小于0.5，即α仍有0.5的富余，則：α＝1-t/100，式中t為管線年齡(年)?？紤]管線老化，則地表沉降安全允許曲線的修正計(jì)算公式為：[Smax(x)]=απR2[ηf]if2πexp[-(x-0.5L)22if2]+απR2[ηl]il2πexp[-(x+0.5L)22il2]]]>式中：[Smax(x)]為考慮管線老化后修正的地表沉降安全允許曲線，單位符號位mm。根據(jù)上式，若實(shí)際監(jiān)測的地表沉降曲線大于求得的地表沉降安全允許曲線，則表明管線存在危險(xiǎn)，需要對施工條件進(jìn)行改進(jìn)，將地表沉降控制在允許范圍內(nèi)；若實(shí)際監(jiān)測的地表沉降曲線小于求得的地表沉降安全允許曲線，則表明管線狀態(tài)良好，可按目前的施工條件繼續(xù)施工。本發(fā)明的有益效果如下：本專利考慮了實(shí)際情況中管線的老化問題，結(jié)合相關(guān)規(guī)范，成果以地表沉降為指標(biāo)來監(jiān)測地下管線安全狀態(tài)，將難以測量觀察的管線狀態(tài)轉(zhuǎn)化為直觀可見的地表沉降，簡化了監(jiān)測方法。施工過程中，場地人員只需對地表沉降進(jìn)行監(jiān)測，即可同時(shí)對管線的安全狀態(tài)進(jìn)行評估。實(shí)際工程中，盾構(gòu)半徑R、盾構(gòu)埋深H、管線埋深h、雙線盾構(gòu)間距L、地表沉降槽寬度系數(shù)i(s)、與隧道半徑和土質(zhì)條件有關(guān)的影響系數(shù)n、管線抗彎剛度EI、管線平面處的地基反力系數(shù)k、管線外徑d、管線應(yīng)變或轉(zhuǎn)角安全允許值M(x)或θ均為已知條件，帶入地表沉降安全允許曲線公式即可得到地表沉降安全允許曲線。若實(shí)際監(jiān)測的地表沉降曲線大于求得的地表沉降安全允許曲線，則表明管線存在危險(xiǎn)，需要對施工條件進(jìn)行改進(jìn)，將地表沉降控制在允許范圍內(nèi)；若實(shí)際監(jiān)測的地表沉降曲線小于求得的地表沉降安全允許曲線，則表明管線狀態(tài)良好，可按目前的施丁條件繼續(xù)施工。附圖說明圖1為本發(fā)明中涉及到的非連續(xù)管線W型計(jì)算模型示意圖；圖2為本發(fā)明中涉及到的非連續(xù)管線V型計(jì)算模型示意圖；圖3本發(fā)明的基本流程圖。圖4本發(fā)明中所述的評估方法(即圖4中簡稱為本文方法)與實(shí)測數(shù)據(jù)的比較示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明：如圖1～4所示，本發(fā)明提出一種雙線盾構(gòu)隧道施工對地下管線安全造成影響的評估方法的具體實(shí)施例，主要分為以下4個(gè)步驟：三、通過修正PECK公式，建立地表沉降與土體損失關(guān)系。以右側(cè)隧道先開挖為例，土體中任意一點(diǎn)(x，z)的沉降公式為：Sz(x)=Smax,f(1-z/H)nexp[-(x-0.5L)22if2(1-z/H)2n]+Smax,l(1-z/H)nexp[-(x+0.5L)22il2(1-z/H)2n]]]>式中：H為盾構(gòu)軸線埋深，單位符號為mm；Sz(x)為雙線盾構(gòu)隧道施工引起的總的土體沉降，單位符號為mm；x為距雙線盾構(gòu)隧道中軸線的橫向水平距離，單位符號為mm；z為距地表的距離，單位符號為mm；Smax，f、Smax，l分別表示先行隧道和后行隧道軸線正上方地表沉降值，單位符號為mm，π為圓周率，一般取3.14；ηf、ηl分別為先行和后行隧道產(chǎn)生的土體損失率；if、il分別為先行和后行隧道的地表沉降槽寬度系數(shù)，單位符號為mm；n為與隧道半徑和土質(zhì)條件有關(guān)的影響系數(shù)，對于黏性土，n的取值范圍在[0.35～0.85]之間；對于砂土，n的取值范圍在[0.85～1.0]之間；R為盾構(gòu)半徑，單位符號為mm；L為兩條隧道軸線水平間距，單位符號為mm。四、管線受力變形與土體損失的關(guān)系式。(1)對于非連續(xù)管線，根據(jù)彈性地基梁理論，可以得到管線受隧道開挖影響的變形微分方程為：EI∂4w∂x4+kdw=kSz(x)d]]>式中：EI為管線抗彎剛度，單位符號為Pa；k為管線平面處的地基反力系數(shù)，單位符號為Pa；d為管線外徑，單位符號為mm；w為管線的豎向撓度，單位符號為mm。解微分方程，可得管線縱向中心點(diǎn)處受到的最火彎矩Mmax為：Mmax=∫-∞∞dM(x)=∫-∞∞kSz(x)d4βexp(-βx)(cosβx-sinβx)dx.]]>式中：由此筆者提出管線在隧道開挖影響范圍內(nèi)任意一點(diǎn)(x0，h)的彎矩M(x)計(jì)算公式為：M(x)=EIβ3πR2ηfif2π(1-hH)-n·∫-∞+∞(cos(β|x-0.5L-x0|)-sin(β|x-0.5-L-x0|))·exp[-(x-0.5L)22if2(1-h/H)2n-β|x-0.5L-x0|]dx+EIβ3πR2ηlil2π(1-hH)-n·∫-∞+∞(cos(β|x+0.5L-x0|)-sin(β|x+0.5-L-x0|))·exp[-(x+0.5L)22il2(1-h/H)2n-β|x+0.5L-x0|]dx]]>式中：x0為坐標(biāo)系上的任意一點(diǎn)坐標(biāo)，單位符號為mm；h為管線軸線埋深，單位符號為mm。(3)對于連續(xù)管線，考慮管土效應(yīng)，則管線的真實(shí)沉降一般會(huì)小于無管線存在時(shí)的土體沉降。理論上需要求出管線的真實(shí)沉降，來計(jì)算其真實(shí)接頭轉(zhuǎn)角。但由于彈性地基梁法求解管線位移比較困難，為簡便計(jì)算，本文假定非連續(xù)管線沉降與無管線存在時(shí)的土體沉降一致。這種處理方法會(huì)比實(shí)際情況保守，不影響安全性判斷。由于雙線隧道水平間距L的不同，雙線盾構(gòu)施工引起的土體沉降曲線可能出現(xiàn)V型或W型。若施工時(shí)土體沉降曲線呈W型，其引起管線接頭轉(zhuǎn)角最大值分別出現(xiàn)在兩條隧道軸線的正上方，如圖1。則計(jì)算先行、后行盾構(gòu)隧道軸線上方土體沉降時(shí)，可以以單線盾構(gòu)隧道為計(jì)算模型?？稍O(shè)ηf＝ηl，則管線接頭轉(zhuǎn)角公式：θ=2tan-1{Sz(0)i(s)2π}]]>即式中：θ為管線和隧道垂直時(shí)產(chǎn)生的接頭轉(zhuǎn)角，單位符號為°；i(s)為地表沉降槽寬度系數(shù)，單位符號為mm。變換化簡，可得土體損失率與管線接頭轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系式：ηf=2[i(s)]2tan(θ/2)R2(1-h/H)2n]]>若施工中土體沉降曲線呈V型，其引起管線接頭轉(zhuǎn)角最大值出現(xiàn)在雙線隧道正中間，如圖2?？稍O(shè)ηf＝ηl、if＝il。以ηf為標(biāo)準(zhǔn)，則可得到土體損失率與管線接頭轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系式：ηf=[i(s)]2tan(θ/2)R2exp{-0.25L22[i(s)]2(1-h/H)2n}]]>三、建立地表沉降與管線受力變形的關(guān)系式。將M(x)或θ用規(guī)范中的管線應(yīng)變或轉(zhuǎn)角安全允許值帶入，求出管線安全前提下對應(yīng)的土體損失率安全允許值[ηf]。最后，通過修正的二維Peck公式建立土體損失率與地表沉降的關(guān)系：[S′max(x)]=πR2[ηf]if2πexp[-(x-0.5L)22if2]+πR2[ηl]il2πexp[-(x+0.5L)22il2]]]>式中：[S′max(x)]為地表沉降安全允許曲線，單位符號位mm。五、考慮與時(shí)間相關(guān)的折減系數(shù)。根據(jù)城市給水排水技術(shù)規(guī)范，地下管道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限不低于50年，安全等級不小于二級。假設(shè)管線設(shè)計(jì)使用年限為50年，根據(jù)工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)，規(guī)定50年后可靠指標(biāo)不小于0.5，即α仍有0.5的富余，則：a＝1-t/100，式中t為管線年齡(年)?？紤]管線老化，則地表沉降安全允許曲線的修正計(jì)算公式為：[Smax(x)]=απR2[ηf]if2πexp[-(x-0.5L)22if2]+απR2[ηl]il2πexp[-(x+0.5L)22il2]]]>式中：[Smax(x)]為考慮管線老化后修正的地表沉降安全允許曲線，單位符號位mm。根據(jù)上式，若實(shí)際監(jiān)測的地表沉降曲線大于求得的地表沉降安全允許曲線，則表明管線存在危險(xiǎn)，需要對施工條件進(jìn)行改進(jìn)，將地表沉降控制在允許范圍內(nèi)；若實(shí)際監(jiān)測的地表沉降曲線小于求得的地表沉降安全允許曲線，則表明管線狀態(tài)良好，可按目前的施工條件繼續(xù)施工。本專利考慮了實(shí)際情況中管線的老化問題，結(jié)合相關(guān)規(guī)范，成果以地表沉降為指標(biāo)來監(jiān)測地下管線安全狀態(tài)，將難以測量觀察的管線狀態(tài)轉(zhuǎn)化為直觀可見的地表沉降，簡化了監(jiān)測方法。施工過程中，場地人員只需對地表沉降進(jìn)行監(jiān)測，即可同時(shí)對管線的安全狀態(tài)進(jìn)行評估。實(shí)際工程中，盾構(gòu)半徑R、盾構(gòu)埋深H、管線埋深h、雙線盾構(gòu)間距L、地表沉降槽寬度系數(shù)i(s)、與隧道半徑和土質(zhì)條件有關(guān)的影響系數(shù)n、管線抗彎剛度EI、管線平面處的地基反力系數(shù)k、管線外徑d、管線應(yīng)變或轉(zhuǎn)角安全允許值M(x)或θ均為已知條件，帶入地表沉降安全允許曲線公式即可得到地表沉降安全允許曲線。若實(shí)際監(jiān)測的地表沉降曲線大于求得的地表沉降安全允許曲線，則表明管線存在危險(xiǎn)，需要對施工條件進(jìn)行改進(jìn)，將地表沉降控制在允許范圍內(nèi)；若實(shí)際監(jiān)測的地表沉降曲線小于求得的地表沉降安全允許曲線，則表明管線狀態(tài)良好，可按目前的施工條件繼續(xù)施工。本發(fā)明專利中的基本流程示意圖見圖3。另外本發(fā)明還參考了孫宇坤[5]一文中的實(shí)測數(shù)據(jù)，對本專利方法進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)中未提到管線使用年限，因此不考慮管線老化。計(jì)算得到管線平面處土體沉降曲線呈V型，先行隧道的[ηf]＝0.817％，[Smax(x)]＝18.3mm，即兩條隧道中軸線的地表沉降超過18.3mm后管線有破壞的危險(xiǎn)。圖4為實(shí)測數(shù)據(jù)和本文方法計(jì)算值的比較。如圖所示，實(shí)測地表沉降曲線在本文方法計(jì)算曲線范圍內(nèi)，實(shí)測最大地表沉降值14.12mm也小于本文方法計(jì)算得到的[Smax(x)]值，判斷管線安全。實(shí)際工程中管線未破壞，證明了本文方法的可靠性。上述實(shí)施例是對本發(fā)明的說明，不是對本發(fā)明的限定，任何對本發(fā)明簡單變換后的方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。其中：對木發(fā)明中所涉及的一些引用文獻(xiàn)做如下簡單說明：[1]向衛(wèi)國.隧道開挖引起地下管線變形和安全性狀的研究[D].北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2011.XIANGWei-guo.Studyontheeffectsandsafetyofexistingpipelineinducedbythetunneling[D].Beijing：ChinaAcademyofRailwaySciences，2011.[2]裴超.隧道施工對鄰近地下管線的影響研究[J].山西建筑，2008，34(12)：325-327.PEIChao.Studytheinfluenceoftunnelconstructionontheneighboringundergroundpipeline[J].ShanxiArchitecture，2008，34(12)：325-327.[3]周成君.地鐵盾構(gòu)隧道施工對城市地下管線的影響研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2010.ZHOUCheng-jun.Studyoneffectofsubwayshieldtunnelconstructiononadjacentburiedpipelines[D].Nanjing：NanjingForestryUniversity，2010.[4]李林.超大直徑盾構(gòu)穿越高危管線安全度判定方法及實(shí)測研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2014，51(5)：134-138.LILin.Thejudgmentmethodandfieldresearchregardingsafetyforanextra-largediametershieldpassingunderhigh-riskpipelines[J].ModernTunnellingTechnology，2014，51(5)：134-138.[5]孫宇坤，吳為義，張土喬.軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道穿越地下管線引起的管線沉降分析[J].中國鐵道科學(xué)，2009，30(1)：80-85.SUNYu-kun，WUWei-yi，ZHANGTu-qiao.Analysisonthepipelinesettlementinsoftgroundinducedbyshieldtunnelingacrossburiedpipeline[J].ChinaRailwayScience，2009，30(1)：80-85.當(dāng)前第1頁1 2 3