隧道施工引起的管线变形研究及安全风险评估

摘要

发展地下隧道交通已经成为城市综合发展实力的一项重要指标。隧道工程的大规模、大面积开展将不可避免的对周围地层产生扰动，其内部已经形成的市政管网系统也会在地层移动下发生破坏，对居民生活、城市运行以及地下工程施工带来诸多问题。因此，探究隧道工程施工过程中邻近管线的变形机理、影响因素、管线风险评估以及后续的管线加固保护是重要工程研究课题。本文以受隧道施工扰动的地埋管线为研究对象，通过设计室内模型试验、建立数值模型模拟、评估管线安全风险状态，研究隧道开挖过程中管线变形机理以及各控制因素下的管线影响规律，主要内容如下：　　首先对城市市政管线的分类、受力状况、常见破坏形式、参数控制标准以及工程监测方法进行简要的介绍。　　然后设计室内模型试验，选定管线埋深、管-隧交角、填筑材料为控制因素设计多组对照试验工况。试验结果表明，随着埋深的增大，管线沉降呈增大趋势;平行管线和正交管线的沉降过程有较大差异，且平行管线的最终沉降略大于正交管线的最终沉降;填筑材料黏聚力的增大，使得管线各阶段的沉降量、沉降速率以及最终沉降量均有所减小。　　其次选用FLAC3D数值软件进行隧道施工过程中的管线变形过程模拟，并以管线有无、管-隧交角、管线埋深、管线侧向距离、隧道开挖进深为影响因素模拟不同工况下的管线变形规律。模拟结果表明，管线的沉降过程会先后经历三个时期，且沉降主要产生于盾构开挖扰动期。和无管线工况相比，由于管线的支撑作用，地层移动、隧道断面变形会有不同程度的减小。管线沉降会因各影响因素的变化而产生不同的变形规律。　　最后，在数值模拟的基础上，分别选取沉降值和倾斜值作为管线参数控制标准，将管线划分为四个安全风险状态等级。以沉降值为控制标准时，平行管线、正交管线的安全风险等级范围边界呈长圆弧形向上部地层扩展;当以倾斜值为控制标准时，正交管线的安全风险等级范围边界呈蝴蝶翅状向上延伸分布。两种参数标准下的破坏区分布有较大差异，管线安全风险等级判断时需要兼顾两种判断方法，并应取两者较为严重的状态作为管线的安全风险状态。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1隧道施工对地层变形的研究

1.2.2隧道施工对管线变形的研究

1.3 本文研究内容及方法

第2章 地下管线监测控制研究

2.1 地下管线介绍

2.1.1地下管线分类

2.1.2地下管线破坏原因及破坏形式

2.2 地下管线受力分析

2.2.2径向应力

2.2.4环向应力

2.3 地下管线的测点布置及监测方法

2.3.2管线监测方法

2.4 地下管线参数控制标准

2.4.3管线沉降控制标准

2.5 本章小结

第3章 隧道开挖对既有管线影响的模型试验研究

3.1 模型试验介绍

3.1.2试验材料及设备

3.1.3监测点布置

3.1.4模型试验操作步骤

3.2 模型试验工况

3.3 模型试验结果分析

3.3.2管线沉降过程分析

3.3.3土压力变化结果分析

3.3.4管线埋深试验组结果分析

3.3.5管-隧交角试验组结果分析

3.3.6填筑材料试验组结果分析

3.4 本章小结

第4章 隧道开挖对既有管线影响的数值模拟研究

4.1 FLAC3D 软件简介

4.1.2本构模型选用

4.2 模型建立

4.2.2数值计算模型

4.3 数值模拟工况

4.4 数值模拟结果分析

4.4.1管线沉降过程分析

4.4.2有无管线时的工况对比

4.4.3管-隧交角变化的工况对比

4.4.4管线埋深及侧向距离变化的工况对比

4.4.5开挖进深变化的工况对比

4.5 本章小结

第5章 管线安全风险评估与控制措施

5.1 管线安全风险等级划分

5.2 管线安全风险范围评估

5.2.1以管线沉降值为控制标准

5.2.2以管线倾斜值为控制标准

5.3 管线控制及保护加固

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录