一些因素对地下管线位移的影响

吴 仲



一些因素对地下管线位移的影响

吴 仲*

(湖南金顺监理公司,湖南 长沙, 410004)

研究了地下管线埋深、管材材料、管线下卧层土质、管线与地下结构间的距离以及管线与周围土层的相对刚度等因素对地下管线位移的影响. 研究结果表明: 以上各因素对地下管线位移均有不同程度的影响, 实际工程中应该根据各影响因素综合分析后确定合理的设计与施工方案.

地下管线; 位移; 埋深; 弹性模量

深圳中信广场地下商场地处深南大道与上步路交汇处, 为超浅埋暗挖大断面平顶直墙地下商场. 地面交通繁忙、车流量大, 施工范围内地下管线密集, 主体结构西侧有3条管线, 且周围建筑物密集, 施工干扰大, 施工环境十分复杂.

地下工程在开挖过程中, 由于土体卸载或扰动使得周围土体出现应力释放, 破坏了初始的平衡状态, 从而使得周围土体产生变位, 继而带动了地下管线的移动, 地下管线的这种位移具有“空间”性. 余振翼, 魏纲[1]分别分析了在顶管施工条件下地下管线埋深、不同管材材料及管线与土体弹性模量之比对相邻平行地下管线位移的影响. 魏纲等[2]通过采用三维有限元方法分析了管线埋深、管线材质、管线与隧道轴线间距以及管线与土体弹性模量比等因素对地下管线位移的影响, 并将得到的数值结果与实测值进行了比较, 两者吻合较好. 吴波等[3]分别采用离心模型试验和数值模拟分析了隧道开挖对管线的影响, 2种方法所得结果均与实测值吻合较好. 从已有研究成果[4—8]可知管线材料、管线埋深、管线下卧层的土质情况、管材与地下结构间的距离以及管线与周围土层的相对刚度等因素与地下管线的位移存在不同程度的联系.

本文将通过单一变量控制法分析以上一些因素对地下管线位移的影响.

1 管线与地下结构间距对管线位移的影响

实际研究中, 当地下管线埋深(管顶至地面的垂直距离)取1.5 m时, 可得管线位移随管线与地下结构间距离变化的规律如图1所示. 图1中,为结构主体边缘与地下管线中心线位置间的距离,为地下管线的埋深.

从图1可知, 随着地下管线与结构间距离的不断增大, 管线受土体扰动影响的程度就越来越小, 从而产生的位移量值亦越来越小.

由图1可知, 在距离地下结构物1倍的开挖深度时, 地下管线的水平位移图出现拐点. 当地下管线与结构间的距离在1倍的开挖深度范围内时, 由于受开挖扰动影响的程度较小, 从而其产生的位移值较小; 但当结构边缘与地下管线中心间的距离在1～1.5倍开挖深度范围内时, 在开挖过程中对地下结构物产生了很大的影响致使出现较大的位移值.

图1 L/h对地下管线水平位移的影响

2 管线材料对管线水平位移的影响

在地下管线距离结构= 1.5 m, 且管线埋深= 1.5 m时, 分析不同管材材料对管线水平位移的影响, 结果如图2所示. 从图2可知, 使用PVC管产生的水平位移最大, 然后依次是混凝土管、铸铁管. 由于钢管的弹性模量较其它几种大, 提供的约束亦较大, 与土体协调变形的能力也就较差, 致使产生的附加应力较大, 从而产生的水平位移就较小.

图2 管材材料对地下管线水平位移的影响

3 管线下卧土层土质对管线位移的影响

研究管线下卧层的土质对管线位移的影响规律, 一般采用逐级变化的土体弹性模量试块进行试验. 根据文献[9]中的研究结果可知, 管线的水平和竖向位移均随着弹性模量的增加而逐渐减小, 且当将管线下卧层土体的弹性模量从4 MPa提高到14 MPa时, 地下管线的竖向位移和水平位移将分别减少95%和49%. 由此可知不同的下卧层土质对地下管线的水平位移和竖向位移有不同程度的影响, 而且较好的下卧层土质能有效降低地下管线的位移, 当然在实际工程中还要考虑其经济性并进行综合分析后决定是否选用此种施工方法.

图3 地下管线最大位移与h/D的关系

4 管线埋深对管线位移的影响

设为地下管线埋深,为地下管线的外径, 在地下管线距离结构= 6 m的情况下, 地下管线的最大竖向和水平位移(max)与/的关系如图3所示. 由图3可知, 地下管线的最大竖向和水平位移与/有关, 最大竖向位移随着/的增大而逐渐增大, 而最大水平位移随着/的增大而呈现减小的趋势. 实际工程中, 地下管线的埋深一般设计为0～6 m, 因此, 在不同埋深时, 可对管线埋深和管线外径(/)对地下管线位移的影响做进一步的分析.

5 管材弹性模量Ep与周围土体弹性模量Es对地下管线位移的影响

根据图4的结果, 可知地下管线最大水平位移随p/s比值的增大而增大, 而最大竖向位移随p/s比值的增大而减小. 当p/s的比值很大时, 管线的最大位移分别趋于一个稳定值, 由此可知p/s对地下管线的位移有很大的影响. 实际工程中可根据p/s对地下管线位移的影响规律对地下管线的位移进行相应的控制. 当然通过局部加固地下管线周围的土体未必能够有效地控制地下管线的水平和竖直位移, 而且, 通过相关分析可知, 局部加固对水平位移的影响很小, 而对其竖向位移有很大的影响. 为了有效地控制地下管线的位移, 可采取对管线周围一定范围内的土体进行整体加固, 当然, 这样会存在工程经济性的问题. 在目前更多的工程项目中, 经济且施工方便的方法是采用管底注浆, 它可以在一定程度上有效控制地下管线的竖向位移, 但其对水平位移的影响并不显著.

图4 地下管线最大位移与Ep/Es的关系

6 结论

① 地下管线与开挖边界距离的不同使得结构对地下管线有不同的抑制作用, 从而决定地下管线位移具有不同的曲线形式. 地下管线离开挖边界越远, 抑制作用越小, 若两者相距“很远”时, 其抑制作用基本可以忽略. 反之亦然, 且地下管线在结构端部范围内有较为明显地上抬现象.

② 管线材料不同程度地影响了管线的位移. 管材弹性模量越小, 其与土体协调变形的能力就越好, 提供的附加约束也越小, 从而产生的位移就越大.

③ 地基下卧层的土质对地下管线的水平位移和竖向位移有不同程度的影响, 且影响较大.

④ 地下管线的埋深对其位移有较大的影响. 最大竖向位移随着埋深的增大而逐渐增加, 而最大水平位移随着埋深的增加却呈现减小的趋势.

⑤ 地下管线与周围土体弹性模量的比值(p/s)对地下管线的位移存在显著的影响. 实际工程中可根据相应的变化规律, 采取对管线周围土体进行整体加固的方法来有效减小地下管线的位移.

[1] 余振翼, 魏纲. 顶管施工对相邻平行地下管线位移影响因素分析[J]. 岩土力学, 2005, 25(3): 441—445.

[2] 魏纲, 魏新江, 裘新谷, 等. 过街隧道施工对地下管线影响的三维数值模拟[J]. 岩石力学与工程学报, 2009, 28(增1): 2853—2859.

[3] 吴波, 高波, 索晓明, 等. 城市地铁隧道施工对管线的影响研究[J]. 岩土力学, 2004, 25(4): 657—663.

[4] 王梦恕. 地下工程浅埋暗挖技术通论[M]. 北京: 科学出版社, 2004: 85—95.

[5] 施仲衡. 浅埋暗挖法设计理论论述[J]. 现代隧道技术, 2005, 42(2): 37—39.

[6] 冯卫星, 王克丽. 地道桥设计与施工[M]. 石家庄: 河北科学技术出版社, 2001: 92—98.

[7] 刘月梅. 城市施工中地下管线的保护[J]. 市政技术, 2005, 23(4): 235—236.

[8] 李大勇, 龚晓南. 深基坑开挖对周围地下管线影响因素分析[J]. 建筑技术, 2003, 34(2): 94—96.

[9] 胡冬. 深基坑开挖对周围地下管线变形影响的有限元分析[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2008.

The impact of certain factors on displacement of underground pipeline

WU Zhong

(Supervisory Company of Jinshun in Hunan, Changsha 410004, China)

The impact of certain factors on displacement of underground pipeline were studied. The results show that the displacement of pipeline was related with the distance between pipeline and underground structure, pipeline material, the properties of substratum, buried depth of pipeline as well as the ratio of elasticity modulus between pipeline and surrounding soil to varying extent. Therefore, a reasonable design scheme should synthesize those factors above in the actual project.

underground pipeline; displacement; burial depth; elasticity modulus

10.3969/j.issn.1672-6146.2013.03.012

TU 473.2

1672-6146(2013)03-0053-03

email: 1173248802@qq.com.

2013-07-06

(责任编校: 江 河)