软土地区盾构隧道穿越地下管线引起的管线沉降分析

2009年1月　　　　　　　　　C HINA RA IL WA Y SCIENCE

J anuary ,2009　

文章编号:100124632(2009)0120080206

软土地区盾构隧道穿越地下管线

引起的管线沉降分析

孙宇坤1,吴为义2,张土乔2

(1.浙江工业大学教育科学与技术学院,浙江杭州　310014;

2.浙江大学市政工程研究所,浙江杭州　310027)

　　摘　要:盾构隧道施工引起地下管线沉降的规律与通常情况下盾构推进引起的地层沉降规律有明显的不同。基于某软土地区地铁隧道工程实例,对上、下行线隧道穿越地下煤气管线的整个施工期间及其后续阶段的管线沉降观测数据进行分析,从管线沉降随切口位置的变化、直接观测点与间接观测点的沉降比较、不同位置观测点的沉降比较和纵向沉降特征等4个方面进行研究。结果表明:上、下行线隧道引起地下管线的累计沉降历程规律基本一致;采用间接观测点观测地下管线沉降具有一定的合理性;上、下行线隧道引起地下管线上不同位置观测点沉降的规律有所差异;上行线穿越后,地下管线的纵向沉降近似符合Guassian 正态分布,而下行线穿越后不再服从该分布形式。

　　关键词:隧道;施工;地下管线;管线沉降;沉降观测;盾构隧道;软土　　中图分类号:U45115　　文献标识码:A

　收稿日期:2008207210;修订日期:2008211205　基金项目:浙江省建设科研和推广项目(082004)

　作者简介:孙宇坤(1976—

),女,江苏扬州人,讲师,博士研究生。　　在软土地区城市地铁隧道施工中,盾构隧道穿越地下管线十分普遍。为了确保通信管道、自来水管道、煤气地下管线的安全,国内外科技工作者对盾构隧道施工引起地表沉降与周围土层变形规律进行了大量研究[124],但对软土地区地下管线受盾构隧道施工影响的沉降规律研究较少[5]。

影响盾构隧道周围土体变形的因素很多,包括土体介质因素和施工因素等[6]。此外,地下管线的

用途、管径、接口形式、材质、埋设年代(腐蚀情况)、埋深、管线与隧道的相对空间位置等差别很大。因此,从理论上推导准确的地下管线沉降难度很大。本文通过对某地铁隧道工程施工时周围地下管线沉降进行现场实测,研究此类工程施工对周围地下管线沉降的影响规律。

1　工程概况

　　某沿海城市软土地区地铁隧道的外径为612mm ,内径为515mm ;预制钢筋混凝土管片宽度112m ,厚度35cm ,采用通缝拼装形式。区间隧

道穿越的地下管线主要分布在某交叉路口,有多根电力管、1根雨水管、2根自来水管、1根煤气管、2根通信管等。上述地下管线的埋深差异不大,走

向与隧道轴线均近乎呈正交状态(相交角为85°～88°

)。本文选择保护要求最高的球墨铸铁材质煤气管作为研究对象,其管径为300mm ,埋深019m ,管轴线位于下行D K10+695,上行D K10+690里程处。与隧道轴线的相交角为88°,可近似认为与盾构隧道呈空间垂直关系。

施工区域地基土在70m 深度范围内均为第4纪松散沉积物,属河口—滨海、浅海相沉积层,主要由饱和黏性土、粉性土以及砂土组成,具有成层分布特点。盾构掘进施工穿越的土层为淤泥质黏土、粉质黏土等,管线位置周围地层情况如图1所示,主要土层具体参数详见表1。

　　采用2台 6340mm 土压平衡盾构机,分别进行上下行线隧道施工。上行线盾构首先由南向北从地下管线下方穿越,109d 后下行线同向从地下管线下方穿越,此时2台盾构机相距约360m 。在盾构推进中,由于未对地下管线周围土体进行加固

处理,因此,为确保地下管线的安全,采用精密水准仪监测邻近地下管线的沉降,当沉降日变化超过

±3mm 或累计沉降变化超过±10mm 时报警,提醒施工人员及时采取相应措施。

表1　穿越段主要土层的物理力学性质参数

层号地层名称层厚

/m 含水量

/%重度/(kN ・m -3)

孔隙比

黏聚力

/kPa 内摩擦角/(°)压缩模量

/MPa

①

人工填土　　　1146②1粉质黏土　　　1126321918130194171022105131②321砂质粉土　　　212232151814019061029158160③淤泥质粉质黏土2155411317151115111023153184④淤泥质黏土

　　7163501316171143141012102113⑤1粉质黏土　　　7137351018111100171018104144⑥

粉质黏土　　　

4120

2315

1916

0169

4610

1610

61

72

图1　隧道穿越段地层横剖面图(单位:m )

2　地下管线沉降观测点布置

　　地下管线的沉降观测点有两类:一类是直接观

测点,布置在管线设备点(如阀门、排气孔、窨井等)上或直径较大的管道内部;另一类是间接观测点,布置在管线正上方地表。很显然,直接观测点反映了对应位置处管线的实际沉降过程,在无法布置直接观测点时则用间接观测点处的地表沉降近似管线的沉降。

为了更直观掌握盾构隧道施工引起的地下管线沉降,对上、下行线隧道轴线两侧10m 范围内的所有管线设备点进行直接观测,此外沿管线走向还布置了很多间接观测点。在煤气管线上布置沉降观测点7个(包括直接观测点2个),布置如图2所

图2　煤气管线沉降观测点的布置图示,M3和M6观测点为直接观测点,且M6观测点位于上行线隧道轴线正上方。

3　地下管线沉降分析

311　管线沉降随切口位置变化分析

类似于盾构推进中土体沉降的历时变化阶段划分[6],将地下管线沉降随盾构推进的整个历时变化过程分为盾构到达前、盾构到达、盾构通过时、盾尾通过后、后续沉降等5

个阶段,依次记为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ阶段。从理论上说,只要土质、施工参数等保持不变,下行线隧道推进对地下管线的影响应与上行线一致。但实际上由于上、下行线隧道间距较近,上行线隧道掘进时已对下行线附近的土体进行了扰动,因而下行线隧道掘进时管线的沉降实际上是上、下行线施工对地下管线的共同影响所致。以位于上、下行线隧道正上方附近的M6和M3观测点为特征点,考察盾构穿越期间管线沉降

随切口位置的变化。图3和图4分别为煤气管线上测点沉降随上、下行线隧道掘进过程的变化曲线,图中位移为正值表示隆起、负值表示沉降,切口里程标注均省略了“上行D K10+或下行D K10+”。

图3　上行线隧道穿越时观测点累计沉降历程

1

8第1期　　　　　　　　　　　　软土地区盾构隧道穿越地下管线引起的管线沉降分析

图4　下行线隧道穿越时M3观测点累计沉降历程

　　比较图3和图4可以发现,随着盾构的推进,地下管线的沉降具有以下规律。

(1)上、下行线隧道穿越管线期间,观测点的累计沉降历程规律基本一致。M3观测点受上行线隧道的影响在下行线盾构到达前就已产生了一定的隆起量,图4反映的沉降变化应是受上、下行线隧道施工共同影响的结果。

(2)对上、下行线隧道而言,地下管线在5个阶段表现出的沉降规律基本一致:盾构到达前(距切口3～20m),先是发生轻微的超前沉降,随着距离切口越来越近,表现为一定程度的隆起,隆起范围大约开始于距离切口5m处;盾构到达时(距切口0～3m),主要表现为轻微隆起;盾构通过时(距切口0～L,L为盾构机长度),总体表现为发生一定程度的沉降;盾尾通过后(离开观测点0～5m),主要表现为有所放缓的继续沉降,有时也出现了短暂上抬现象。后续沉降阶段主要表现为持续沉降。在观测点产生的相应隆起和沉降,均与盾构推进速度、土仓压力、注浆量、注浆压力等的变化有关。从对煤气管线持续监测到盾构通过后第16d的结果可以看出,管线的沉降尚未最终稳定,仍需要较长一段时间才能基本稳定。

312　直接观测点与间接观测点的沉降比较分析该工程布设的地表沉降观测点R263十分接近观测点M6的正上方地表位置,因此可以认为观测点R263就是观测点M6位置处管线沉降的间接观测点。通过比较上行线隧道穿越期间观测点M6与R263的沉降(见图3),分析管线上同一位置处直接观测点与间接观测点沉降的差异可知:

(1)直接观测点与间接观测点的沉降随切口位置的变化规律基本一致,地下管线沉降5个阶段所表现出的变化趋势也基本接近。

(2)对应相同的切口位置,观测点M6的沉降量要略小于观测点R263,最大时约小1419%。但是比较中发现,通信管线的直接观测点的沉降量要比对应的地表沉降观测点大,最大时约大3314%,说明地下管线的沉降量与其正上方地表的沉降量之间不存在绝对对应关系。但由于管线沉降量与上方地表沉降量相差不是很大,故对无法直接观测或观测精度要求不高的地下管线可用其正上方地表沉降近似替代地下管线沉降(后文的分析均忽略了直接观测点与间接观测点的差异)。

(3)一般情况下管土之间不出现分离,煤气管线处地层的沉降要小于地表沉降,这与距隧道中心越近的地层沉降越大、横向沉降槽范围越小[6]的认识有出入。说明了地下管线的存在改变了盾构隧道周围土体的位移场分布,这一点与文献[7]相吻合。

313　不同位置观测点的沉降比较分析

31311　上行线隧道穿越管线期间的沉降比较上行线隧道穿越煤气管线期间,管线上各观测点沉降随切口位置的变化如图5所示,由于观测点分布具有对称性,图中仅绘出了隧道轴线左侧观测点沉降历程曲线

。

图5　上行线隧道穿越期间M3—M6测点沉降比较

(1)将管线沉降≥3mm(取监测日报警值)的区域称为管线的主要沉降范围。此范围内观测点(M5,M6)沉降随切口位置变化的规律基本一致,基本符合地下管线沉降5个阶段的变化趋势。此范围之外的观测点沉降分为2种情形:①紧靠此范围的观测点(M4)表现为轻微下沉,但不完全符合地下管线沉降5个阶段的规律;②距离此范围较远的观测点(M3)在各阶段均表现为轻微的隆起。

(2)在主要沉降范围内,对应相同的切口位置,各观测点的沉降大小也有所差异,越靠近隧道轴线的观测点,其沉降量越大。

31312　下行线隧道穿越管线期间的沉降比较下行线隧道穿越期间,管线上各观测点沉降随切口位置的变化如图6和图7所示,扣除上行线隧道沉降量后各观测点的沉降如图8和图9所示。

28中　国　铁　道　科　学　　　　　　　　　　　　　　　　　　第30卷(1)对于上行线隧道影响范围内的M5,M6, M7观测点,在下行线盾构到达前就产生了较为明显的沉降,沉降量应包括受上行线隧道影响的部分后续沉降与下行线盾构到达前的超前沉降两部分。

(2)扣除上行线隧道穿越引起的沉降量后(见图8和图9),沉降规律与上行线隧道穿越管线一致,距离隧道轴线越近,观测点的沉降越大,下沉速度越快。由于隧道右侧地层已明显受到上行线隧道的施工扰动,表现为下行线隧道穿越管线对其两侧观测点的影响程度不一致,右侧的沉降量要明显大于左侧。

(3)由图6、图7可知,与上行线隧道穿越管线期间的沉降情况不同,下行线隧道右侧观测点(M4,M5,M6,M7)中没有“观测点距离隧道越近,其沉降量越大”的规律,最大沉降出现在距离轴线较远的M6观测点上,说明在地下管线位于两隧道之间的区域受上、下行线隧道的共同影响较为明显。

314　地下管线的纵向沉降分析

图10给出了上行线隧道穿越期间煤气管线上各测点在盾构到达、盾构通过、盾尾通过及后续沉降等不同阶段时沿纵向的沉降曲线(类似于地表横向沉降槽)。上、下行线隧道穿越后,后续沉降阶段地下管线测点纵向沉降比较如图11所示

。

38

第1期　　　　　　　　　　　　软土地区盾构隧道穿越地下管线引起的管线沉降分析

　　(1)上行线盾构到达时,地下管线上各位置均出现了一定程度的隆起。随着上行线盾构通过、盾尾通过,直至逐渐远离地下管线,隧道正上方及主要沉降范围内的观测点开始不断下沉,沉降量持续增大。

(2)在上行线盾尾通过及后续沉降阶段,地下管线测点纵向沉降近似符合Guassian正态分布曲线,以隧道轴线为对称轴近似呈对称分布。下行线隧道穿越后,由于双隧道的共同影响,地下管线测点纵向沉降曲线不再服从Gaussian正同分布。由于下行线隧道在受上行线隧道扰动后的土体中施工,造成地下管线最大沉降靠近上行线隧道一侧。

(3)下行线隧道穿越后,地下管线的沉降量比上行线隧道穿越都有不同程度的增长,在两隧道之间的主要影响范围内尤为明显。

4　结　论

(1)上、下行线隧道穿越地下管线时,累计沉降历程规律基本一致。在盾构到达前、盾构到达、盾构通过、盾尾通过及后续沉降5个阶段产生的地下管线隆起和沉降量,均与盾构推进速度、土仓压力、注浆量、注浆压力等有关。

(2)地下管线的存在改变了盾构隧道周围土体的位移场分布,地下管线沉降与其正上方地表沉降之间不存在绝对对应关系。地下管线直接观测点与其对应的间接观测点的沉降随切口位置的变化规律基本一致。

(3)上、下行线隧道穿越地下管线时,地下管线上不同位置观测点沉降的规律有所差异。上行线隧道施工对其轴线左右两侧观测点的影响差异不大,在主要沉降范围内观测点越靠近隧道轴线,其沉降量越大。下行线隧道施工对其轴线两侧观测点的影响程度不一致,两隧道之间范围内观测点的沉降量要明显大于左侧。

(4)上行线隧道穿越后,地下管线的纵向沉降近似符合Guassian正态分布曲线。下行线穿越后,由于双隧道穿越的共同影响,地下管线纵向沉降曲线不再服从Gaussian正态分布,最大沉降靠近上行线隧道一侧。

参考文献

　[1]　LO GANA T HAN N,POULOS H G.Analytical Prediction for Tunneling2Induced Ground Movements in Clays[J].

Journal of G eotechnical and Geoenvironmental Engineering,1998,124(9):8462856.

　[2]　PAR K K H.Analytical Solution for Tunnelling2Induced Ground Movement in Clays[J].Tunnelling and Under2

ground Space Technology,2005,20(3):2492261.

　[3]　边　金,陶连金,郭　军.盾构隧道开挖引起的地表沉降规律[J].地下空间与工程学报,2005,1(2):2472

249.

(BIAN Jin,TAO Lianjin,GUO J un.The Ground Settlement Monitoring of a Shield Tunnel[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2005,1(2):2472249.in Chinese)

　[4]　吴　波,高　波,索晓明.地铁隧道开挖与失水引起地表沉降的数值分析[J].中国铁道科学,2004,25(4):

59263.

(WU Bo,GAO Bo,SUO Xiaoming.Numerical Simulation of Land Subsidence Effect Induced by Metro Tunnel Ex2 cavation and Water Loss[J].China Railway Science,2004,25(4):59263.in Chinese)

　[5]　吴为义,孙宇坤,张土乔.盾构隧道施工对邻近地下管线影响分析[J].中国铁道科学,2008,29(3):58262.

(WU Weiyi,SUN Yukun,ZHAN G Tuqiao.Analysis of the Effects on the Adjacent Underground Pipelines by Shield Tunneling Construction[J].China Railway Science,2008,29(3):58262.in Chinese)

　[6]　孙　钧.城市环境土工学[M].上海:上海科学技术出版社,2005.

　[7]　廖少明,余　炎,李文林.地中弹性边界对盾构近距离掘进位移场的影响[J].岩石力学与工程学报,2005,24

(19):353423540.

(L IAO Shaoming,YU Yan,L I Wenlin.Effects of Elastic Boundary in Ground on Displacement Field Induced by Shield Tunneling[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(19):353423540.in Chi2 nese)

48中　国　铁　道　科　学　　　　　　　　　　　　　　　　　　第30卷

Analysis on the Pipeline Settlement in Soft G round Induced by

Shield Tunneling across Buried Pipeline

SU N Yukun 1,WU Weiyi 2,ZHAN G Tuqiao 2

(1.College of Educational Science and Technology ,Zhejiang University of

Technology ,Hangzhou Zhejiang 　310014,China ;

2.Municipal Engineering Research Institute ,Zhejiang University ,Hangzhou Zhejiang 　310027,China )

Abstract :The settlement law of buried pipeline in soft soil ,which is caused by shield t unneling across buried pipeline ,is obviously different fro m t hat of ground settlement induced by shield t unneling wit hout buried pipelines.Based on certain metro t unnel engineering example in soft soil region ,t he observation da 2ta of pipeline settlement for t unnels of bot h up and down lines cross t he gas pipes during const ruction and later stage were analyzed.Research was carried t hrough in four aspect s ,including t he pipeline settlement along wit h t he change of cutting positions ,t he comparison between t he settlement of t he direct observation point and t hat of indirect observation point ,t he comparisons of t he settlement at different observation point s ,and t he characteristics of t he longit udinal settlement.The result s showed t hat t he accumulative settlement p rocess induced by t unnels of bot h up and down lines basically agreed well.It was reasonable to observe t he settlement of pipelines by adopting indirect observation point.There was obvious difference in t he settlement law at different positions along t he pipelines of t he up and down line t unneling.The longi 2t udinal settlement of t he buried pipelines app roximately matched wit h t he Gaussian dist ribution after t he up line t unneling.However ,it no lo nger matched wit h t he Gaussian dist ribution after t he down line t un 2neling.

K ey w ords :Tunnel ;Const ruction ;Buried pipeline ;Pipeline settlement ;Settlement observation ;Shield t unneling ;Soft ground

(责任编辑　阳建鸣)

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