盾构隧道施工对近接管线影响模型试验研究

马程昊　徐鹏举　魏　超(．中国建筑股份有限公司技术中心，北京　000; ．哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨　50090;．中建交通建设集团有限公司，北京　00000)



盾构隧道施工对近接管线影响模型试验研究

马程昊1徐鹏举2魏超3
(1．中国建筑股份有限公司技术中心，北京101300; 2．哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150090;3．中建交通建设集团有限公司，北京100000)

摘要:介绍了一种用于模拟盾构隧道施工引起地层损失的模型试验方法，并采用该试验手段，对管隧垂直工况下土体的沉降与地下管线的弯矩响应进行研究，结果表明:盾构扰动对其临近上方土体的影响最大，对两侧土体的影响与土体同隧道中心水平距离相关;管线的弯矩曲线基本呈现“W”形，并且随着地层损失的增加弯矩响应逐渐增大。

关键词:模型试验，盾构施工，沉降，弯矩

0　引言

地下隧道开挖引起的地层沉降，如对沉降控制不严格，会使埋置于隧道周围的管线发生损坏、破裂，由此带来不必要的经济损失和人民生命财产安全问题［1-3］。因此，为了保证盾构隧道施工安全，必须查明隧道场地周围地下管线的分布情况，并且对具有重要影响的管线进行安全评价，以采取必要的防护措施［4-5］。然而，目前尚缺乏针对此问题的可靠技术手段，究其原因在于目前工程界对该类工况条件下管线灾变机理尚不明确，缺乏相应的设计计算文件，在工程研究领域也没有较为合理的试验手段［6-8］。鉴于此，结合正在建设中的天津地铁6号线盾构隧道施工中的某一工况，提出了一种模拟盾构隧道施工地层损失引起周围地下管线力学行为变化的室内模型试验方法。该方法可以模拟盾构隧道施工推进过程中各类工况下管线力学特性的变化，为系统研究盾构隧道施工过程中周围地下管线力学行为的演化过程提供重要手段。限于篇幅原因，本文仅对管隧垂直工况下的试验结果进行介绍。

1　试验介绍

1．1工程概况介绍

研究表明，盾构隧道施工过程中引起周围土体变形的主要原因在于隧道施工引起的地层损失。因此本模型试验中以地层损失作为变形原因进行设计。本试验以正在施工中的天津地铁6号线南何庄站至大毕庄站地铁软土盾构隧道工程为研究对象。该段工程采用盾构法施工，盾构隧道管片外径为6．2 m，隧道管片顶部距离地表面约为9 m，在隧道正上方有一钢质输油管道，管道直径为400 mm，壁厚为10 mm，走向与盾构隧道垂直，埋深约为地表面以下3 m。

1．2相似关系

模型试验的目的在于管线的附加应力及变形，因此该系统的相似设计中首先根据模型箱尺寸与原型尺寸确定几何相似比为1∶N。鉴于模型箱尺寸限制，本文试验中所采用的相似比为1∶10，并按照该相似比设计地层分布厚度、隧道尺寸、隧道与地下管线空间关系。其中地下管线的尺寸及材料力学参数满足如下相似关系:

按照上述关系确定合理的地下管线材料、直径、壁厚以及管线埋深，具体模型参数见表1与表2。

表1　工程实际管线及隧道尺寸　m

表2　模型试验管线及隧道尺寸　m

1．3盾构隧道施工伴随地层损失过程的模拟

模拟隧道盾构施工过程中产生地层损失的模型装置如图1所示。首先按照隧道模型外径加工环形液囊，液囊内部充满氯化钙溶液后套在隧道模型外部，液囊的宽度根据隧道模型长度及模型试验中盾构掘进步数确定。每一个液囊通过液管与相应的电磁液阀相连，该电磁液阀可以控制液体开关，然后将电磁液阀通过相同液管与流量计相连，据此即可确定每一液囊中流出的氯化钙溶液体积。

图1　盾构隧道施工伴随地层损失模拟装置

在进行盾构隧道施工模拟时，根据地层损失率即可确定每一液囊中放出的氯化钙溶液体积。按照掘进方向，依次将每一液囊中放出相同体积的溶液，即可模拟伴随相同地层损失的盾构隧道掘进过程。将某一液囊依次放出等体积的溶液，即可模拟盾构隧道施工引起不同地层损失率的工况。

1．4试验总体布置

按照前文确定的相似关系，制作试验模型。试验所采用的模型箱长宽高分别为3 m×1．6 m×1．7 m，隧道采用1．5 m长、外径0．6 m、壁厚0．07 m的钢筋混凝土空心管模拟。地层损失采用上节所述装置模拟，本试验中共采用3个液囊，每个液囊宽度为0．5 m，容积为20 L。安装模型时，首先在模型箱底部铺设0．4 m厚度的试验用天津软土，然后将安装有液囊的隧道模型吊装至模型箱中间位置，最后将每个液囊充满氯化钙溶液(容积20 L)。如图2所示，将液囊分别编号为1号，2号，3号液囊。

图2　模型试验记录图

1．5传感器的布设

试验模型中布置有沉降板与应变传感器，用于记录试验过程中模型土体的沉降与地下管线的应变数据。试验中共采用两种材质的管线，分别为PVC管和钢管，每根管线上各粘贴有19对应变传感器，并遵循在盾构隧道周围密布，随着距离增大逐渐变稀的原则进行布设。管线周围不同深度处设置了20个沉降传感器。传感器布置图如图3所示。

图3　管线与隧道相对位置以及传感器布置图

1．6试验加载方案

试验中采取排液法来模拟隧道的地层损失，加载步骤为:

1)按液囊编号1～3(见图2)的顺序依次释放各个液囊各5 L水，各个液囊排液的时间间隔为30 min，观察土体表面变形情况，并在每次排液后采集数据3次，每次时间间隔为10 min。

2)按液囊编号1～3(见图2)的顺序依次释放各个液囊至10 L水，各个液囊排液的时间间隔为30 min，观察土体表面变形情况，并在每次排液后采集数据3次，每次时间间隔为10 min。

3)按液囊编号1～3(见图2)的顺序依次释放各个液囊至15 L水，各个液囊排液的时间间隔为30 min，观察土体表面变形情况，并在每次排液后采集数据3次，每次时间间隔为10 min。

1．7试验数据的处理

试验中采用百分表记录土体的沉降数据，采用应变传感器记录管线的应变数据。盾构隧道施工地层损失引起的附加弯矩计算示意图如图4所示，计算公式如式(2)所示。

图4　地下管线应变片布设及计算简图

2　试验结果分析

2．1土体沉降

图5为埋深300 mm处盾构隧道施工过程中土体沉降曲线，可以看出曲线呈现中间大、两头小的抛物线形状，这表明盾构扰动对其临近上方土体的影响最大，对两侧土体的影响与土体同隧道中心水平距离相关，距离越大影响越小，在距离超出一定范围时，土体基本不受影响;比较图5a)，图5b)，图5c)三图可以看出，随着排液量的增加(即实际工程中地层损失的增加)，埋深300 mm处土体沉降逐渐增大，而且可以看出沉降并不是随扰动而发生瞬时变化，而是一个逐步变化的过程。地表处盾构隧道施工过程中土体沉降曲线见图6。

图5　埋深300 mm处盾构隧道施工过程中土体沉降曲线

图7分别为隧道正上方埋深300 mm处与地表处沉降随时间变化的曲线，两曲线基本呈线性变化，开始阶段斜率略小于后期。到完成最大排液后沉降的总值亦可以看出，地表处土体沉降要大于埋深300 mm处土体的沉降量。

图8为三个液囊均排液10 L后地表处和埋深300 mm处土体的沉降曲线，可以看出位于地表的土体沉降要略大于埋深300 mm处，但均呈现相同的沉降趋势。即表明:盾构扰动对正上方的土体的影响随与同盾构隧道距离的增大而增大，位于地表的土体沉降更明显。

图6　地表处盾构隧道施工过程中土体沉降曲线

图7　地表处地层沉降随盾构隧道施工推进过程中的变化图

图8　三个液囊排液10 L后不同埋深土体沉降对比图

图9　埋深300 mm处管道弯矩曲线

2．2地下管线弯矩反应

图9和图10为管线与隧道垂直情形时管道的弯矩曲线，可以看出曲线基本呈现一个“W”形，即出现了三个正高峰，两个负高峰，随着排液的进行各个峰值均在增加。这也表明在这种情形下管线的受力如同两端简支的简支梁。

图10　地表处管道弯矩曲线

3　结语

通过开展管隧垂直工况下盾构隧道施工对既有管线影响模型试验，得到如下结论:1)盾构扰动对其临近上方土体的影响最大，对两侧土体的影响与土体同隧道中心水平距离相关，距离越大影响越小，在距离超出一定范围时，土体基本不受影响。2)管线的弯矩曲线基本呈现“W”形，并且随着地层损失的增加弯矩响应逐渐增大。

参考文献:

［1］刘建航，侯学渊．盾构法隧道［M］．北京:中国铁道出版社，1991．

［2］张凤祥，傅德明，杨国祥，等．盾构隧道施工手册［M］．北京:人民交通出版社，2005．

［3］吴侃，王川，马国平，等．杭州萧山风情大道地铁一号线出口附近发生大面积地面塌陷［J/OL］．浙江文明网，2008-11-17．

［4］吴波．复杂条件下城市地铁隧道施工地表沉降研究［D］．成都:西南交通大学，2003．

［5］马涛．隧道施工引起的地层位移及其对邻近地下管线的影响分析［D］．长沙:长沙理工大学，2005．

［6］张海波．地铁隧道盾构法施工对周围环境影响的数值模拟［D］．南京:河海大学博士学位论文，2005．

［7］Verrut．A，Booker．J，R．Surface settlement due to deformation of a tunnel in a elastic half plane［J］．Geotechnique，London，England，1996，46(4):753-756．

［8］Loganathan N，Poulos HG．Analytical prediction for tunneling induced ground movements in clays［J］．Journal of Geoenvironmental Engineering(ASCE)，1998，124(9):846-856．

Experimental study on influence of shield tunneling model on underground pipeline

Ma Chenghao1Xu Pengju2Wei Chao3
(1．China Building Corporation Technology Center，Beijing 101300，China; 2．Harbin Institute of Technology Department of Civil and Engineering Institute，Harbin 150090，China; 3．China Construction Communications Engrg．Group．Ltd，Beijing 100000，China)

Abstract:A model test method for simulating the ground loss due to shield tunnel construction was presented，the settlement of soil and bending moment of pipeline(in the case of pipeline vertical with tunnel)were studied using this method which were caused by the construction of shield tunnel．The results showed that the soil located up the tunnel was disturbed seriously by shield，the influence on the two-sided soil is relevant to the horizontal distance of the tunnel center of the earthwork，the bending moment curves of pipeline was a“W”pattern，and as the increase of ground loss，the bending moment increased gradually．

Key words:model test，shield construction，settlement，bending moment

作者简介:马程昊(1985-)，男，工程师;徐鹏举(1967-)，男，副教授;魏超(1985-)，男，工程师

收稿日期:2015-10-22

文章编号:1009-6825(2016)01-0169-03

中图分类号:U455．43

文献标识码:A