不均匀土体位移引起地下管线弯曲变形研究

隧道开挖和管线置换引起的应力变化将不可避免地导致土体位移,进而对上覆既有管线产生诸多的不利影响。国内外学者对管-土相互作用开展了大量的研究,但用于预估隧道开挖和管线置换引起既有管线弯曲变形的简单并且有效的设计图表尚未提出。采用ABAQUS商业软件,对隧道-土-管线、管线置换-土-管线间的相互作用开展系统的有限元仿真模拟。通过采用管线不同运动方向下的等效管-土相对刚度,提出了隧道开挖和管线置换引起的管线弯曲变形的设计图表,并采用现场实测数据和离心模型试验结果验证此设计图表的合理性。设计图表中的管线最大弯曲曲率与土体最大曲率的比值和管-土相对刚度具有非常好的相关性。工程师一旦得到隧道开挖或管线置换引起的土体位移、管线尺寸、管线参数和土体参数,此设计图表可用来预测隧道开挖或管线置换引起既有管线的最大弯曲曲率。     

兴安盟首家地下管线穿越工程落户红城

“哎!这可是新鲜事,地下埋管不用再刨路面了啊。”“还有啊,看那小玩意就几个人,一会的功夫就把地砖穿了,那边还把管道接通了,既不影响咱走路,还吧事做了,真是太好了。”7月9日,在乌市第一中学大门东侧,市民们看着一台管道定向穿越线的机器在嗡嗡作响,正在进行过路燃气管线施工,在他们打探、了解了这里的奥妙后高兴的说。     

兴安盟首家地下管线穿越工程落户乌兰浩特

“乌兰浩特一大怪,新修的马路就刨坏”这是市民们多年来对刨马路通各种管线的报怨。     

隧道开挖对邻近地下管线的影响预测分析

隧道施工会引起周围土体移动,进而对邻近地下管线产生危害。采用Loganathan公式计算隧道开挖引起的管线平面处的土体竖向位移,对地下管线的受力模型进行简化,基于Winkler地基模型,推导出地下管线由于隧道开挖引起的弯矩和变形计算公式。通过相关算例的分析,与连续弹性解和Attwell解的计算结果进行了比较,研究结果表明,提出的方法可以很好地预估地下管线所受的弯矩。     

双圆盾构施工引起邻近地下管线附加荷载的分析

利用弹性力学的Mindlin解,对孙统立公式进行修正,推导得到双圆盾构正面附加推力和盾壳摩擦力引起的土体附加应力计算公式。假定土体为Winkler模型,采用随机介质理论,推导得到土体损失引起的竖向土体附加应力计算公式。研究了双圆盾构施工在邻近垂直交叉地下管线上引起的附加荷载大小及分布规律。研究结果表明：双圆盾构盾壳摩擦力引起的地下管线附加荷载较大;正面附加推力引起的附加荷载较小,可忽略;竖向附加荷载主要由土体损失引起,最大值一般出现在中轴线上方,当地下管线与盾构之间距离较小时,附加荷载最大值出现在左右单圆圆心附近的位置。     

顶管施工对相邻平行地下管线位移影响因素分析

顶管施工引起的管道周围土体移动会对相邻地下管线造成危害。采用三维有限元方法分析了顶管施工引起的相邻平行地下管线的位移,研究了注浆、纠偏、离顶管距离的远近、地下管线埋深、管线与土体弹性模量比及不同管材对地下管线位移的影响。计算结果表明,注浆与纠偏压力越大,地下管线的位移越大;地下管线距离顶管越远,引起的位移越小;地下管线弹性模量越小,产生的位移越大。     

盾构隧道推进对邻近地下管线影响的物理模型试验研究

以上海地铁11号线某区间盾构工程为背景,采用相似物理模型试验研究盾构隧道开挖对上方垂直于隧道轴线的地下管线的影响,并将试验结果与数值解对比。采用量纲分析法推导出文中模型试验的相似准则,并基于该相似准则设计出盾构机和隧道模型,分别通过管线刚度试验和模糊数学综合评判方法选定模型管线和配制相似土材料。研究结果表明,自主开发的半自动盾构掘进装置能较好地模拟盾构的开挖过程,较人工开挖扰动更小;下方盾构隧道开挖使管线产生的竖向变形关于隧道轴线呈对称分布,其形态符合高斯曲线的特征,最大竖向变形位于隧道轴线正上方处,竖向变形反弯点出现在与隧道轴线水平距离约一倍隧道直径的位置处;隧道开挖对管线的影响范围随管隧间距的增加而减小,管线竖向变形曲线的反弯点位置随管隧垂直间距的增大而有所内移;管线刚度对管线竖向变形的影响相对较小。     

砂土中隧道施工对相邻垂直连续管线位移影响的模型试验研究

隧道施工会对邻近管线造成危害,但目前对土体位移与管线位移两者之间的关系还没有清晰的认识。针对这一问题,设计砂土中考虑不同管线管径、埋深及抗弯刚度的3组隧道施工模型试验,分析垂直下穿隧道施工过程中砂土和管线位移规律。研究结果表明,Vorster修正高斯公式能较好地拟合砂土沉降分布,其控制参数?值在0.2～1.0之间变化,且与地层埋深成正比;土体沉降槽宽度系数i对管线变形有较大影响,埋深相同的条件下管线抗弯刚度与沉降值成反比;深埋管线的变形主要受上拱效应支配,且管径越大上拱效应越明显,而下拉效应主要支配着浅埋管线的位移;Smax /i为影响管土相对位移一个关键参数,在此基础上提出了修正的管土相对刚度计算公式。     

隧道开挖对地下管线的影响分析

采用Abaqus有限元分析软件,建立三维模型,模拟隧道开挖对地下管线的影响,充分考虑了不同的埋深、材质、下卧层刚度等条件。结果表明,管线周围土的性状,与双线隧道的相对位置以及管线自身刚度、管径等不同,将对其变形和内力产生较大影响,从而得出一些规律,为今后类似工程施工提供依据。     

非开挖工地的地下管线调查与探测

本文概述了探测地下管线的基本方法、地下管线探测仪的选择及地球物理探测方法的选择,介绍了在非开挖工地调查探测地下管线的步骤和方法。     

基坑开挖过程中埋地管线沉降位移解析计算

基坑开挖会诱发邻近埋地管线产生沉降变形,获取管线变形量对评估管线的正常使用和安全具有重要意义。基于弹性地基梁理论,建立地下管线沉降位移的计算公式,并分析地表中心沉降量和计算长度对管线沉降位移的影响;根据埋地管线与基坑边缘的几何关系,将计算长度取值依据界定为5种工况;通过与两个标定算例对比,验证解析方法的合理性;以北京某基坑工程为例,分析管线沉降位移的时空变化规律。研究结果表明：不同时期的沉降位移计算值和实测值变化趋势一致,但计算值略高于实测值;地表中心沉降量对管线沉降位移影响显著,输入值越大,沉降曲线形状越“凹”,输入值越小,沉降曲线越平缓;管线沉降位移自中心点向两端降低速率依次增加,在边界点附近降低速率减小,范围约为计算长度的1/10。所提方法在管线沉降预估方面偏于保守,是现有埋地管线沉降理论的一个补充,可为施工前期预判管线沉降分布提供重要参考依据。     

砂土中埋设管线竖直向上运动时土抗力研究

埋设的海底管线在高温、高压下较易发生竖直向屈曲大变形,保证足够的埋置深度是海洋工程中克服管线出现竖直向屈曲变形的有效手段之一。因此,研究土体能够提供给管线的抗力及在管线竖直向上拱起过程中土体抗力的变化规律,对管线的抗屈曲大变形设计具有重要的意义。结合渤海湾海底地表土质特点选取细砂进行了室内管-土相互作用试验,测量了不同直径、不同埋置率（上覆土厚与管线直径的比）的试验管段,在竖直向上运动过程中所受到的土抗力;采用数值方法有效地模拟了试验中管段的受力变化过程。进而将结果推广,得到了砂土中常用直径管线受到的土抗力大小及作用规律。试验及数值模拟结果表明,管线竖直向上运动时,土抗力的发挥随竖向位移增加而迅速增大达到峰值,峰值抗力所需要的位移随管径与埋置率的增加而增大;实际工程中峰值抗力对应的管线位移约为管径的0.1倍,计算结果可供管线设计时参考。     

挡墙水平变位诱发地表沉降的简化解析解

推导了平移模式下的地表沉降理论显式解,在此基础上提出了任意挡墙变位诱发墙后地表沉降的简化计算方法。分别与平移、绕墙趾及绕墙顶等3种变位模式下的弹性有限元数值解进行对比分析,对简化解析方法进行了验证。最后将这一简化解析方法应用于工程案例预测,与软土地基现场实测结果进行对比,发现理论预测的地表沉降曲线与实测值相吻合,且较准确地预测了最大沉降发生的位置,表明了该简化解析方法的实用性。     

地面超载引起邻近埋地管道的位移分析

地基土承受超载作用时就会产生沉降,在土体沉降作用下埋置于其中的管道,管壁就会产生变形甚至破裂。为分析地面超载对临近地下管线的影响,基于温克勒（Winkler）弹性地基短梁理论,应用Boussinesq解,考虑地面超载引起下卧层的沉降及地基土体的侧向移动对管道的影响,建立地面超载对埋地管道影响的分析计算模型,并采用有限差分法进行求解;通过算例分析了超载大小、位置,管道刚度、埋深、管径以及土体性质对埋地管道位移的影响;结果表明：超载大小、管道的刚度、埋深、管径对地下管道位移的影响较大,而当地基基床系数和超载离管道的距离增大到一定值时,地面超载对其影响将减弱。因此,需要考虑邻近超载对管道的影响,合理制定埋地管道的保护措施。     

盾构施工中土体损失引起的地面沉降预测

土质软硬决定了隧道周围土体的移动方向,移动焦点在隧道中心点与隧道底部位置之间变动。采用两圆相切的土体损失模型,通过引入移动焦点的坐标参数,建立了统一的土体移动模型,该模型能将Park模型与Loganathan模型包括在内。假定土体不排水,利用源汇法推导了由土体损失引起的地面沉降通用计算公式,该方法适用于施工阶段。算例分析表明该方法的计算结果与实测值非常吻合,适用于各种土质条件。Loganathan公式只适用于土质较差的情况,当土质较好时计算得到的地面沉降量要比实测值偏小。     

跨断层埋地管道反应分析改进的Newmark方法

在断层错动下跨断层埋地管道反应模拟方法中,壳模型有限元方法较简化索模型解析方法能更好地反映管道壳体反应特性,而目前国内外规范仍多采用便于应用的简化索模型解析方法。基于壳模型有限元方法,与索模型解析方法的对比计算分析,探讨了两类方法的管道轴向拉伸应变计算值差异及引起差异的主要因素,并在管道跨断层交角较小（小于70°）的情况下,提出了基于管道埋藏土层波速值和断层错动量两个参数的改进Newmark方法。进一步地计算分析表明,对于不同的管道跨断层交角和管材特性情况,改进的Newmark方法对壳模型方法计算结果的拟合度达到了0.87。     

挡墙水平变位诱发地表沉降的显式解析解

将基坑看作平面应变边值问题,借助挡墙刚性平移诱发地表沉降的基本解析解,利用微积分思想,推导得到挡墙刚性变位和柔性变位下的地表沉降显式解析解。其中,在挡墙刚性平移影响范围无穷大时,显示解析解与基本解析解形式一致。通过与挡墙刚性平移解析解和绕墙趾转动、绕墙顶转动、三角形变位、抛物线柔性变位模式等几种已有的积分形式解析解作对比,验证了显式解析解的正确性。将显式解析解应用于实际工程,通过与实测数据对比分析,对解析解的适用范围进行了探讨。当围护结构水平位移较小时,显式解析解可较好地预测墙后地表沉降;当围护结构水平位移较大时,由显式解析解计算得到的墙后地表沉降归一化曲线可偏安全地估计墙后地表沉降,说明了该显式解析解的工程实用性。     

基于衬砌长期渗漏水影响的隧道施工扰动诱发超孔隙水压消散及地层固结沉降解

基于Terzaghi-Rendulic固结理论,采用保角映射和分离变量法,计算得到隧道衬砌半渗透漏水边界条件下,盾构施工扰动引起的隧道周围土体超孔隙水压力消散解和地表土体固结沉降,通过工程实例进行验证,发现理论方法与实测数据趋势一致;此外,利用参数分析获得了土体固结沉降和超孔隙水压力的分布影响规律。结果表明:衬砌与土体的相对渗透比越大,固结沉降的初始速率越大,但不影响最终收敛值;土体弹性模量越小,最终固结沉降量越大;土体中超孔隙水压力随着时间增加,在隧道开挖后较短时间里以较大幅度逐渐消散,消散到约为初始值的1/10时减幅放缓;距离衬砌外壁越远,土体初始超孔隙水压力越小,其消散速度也越慢。     

隧道开挖条件下地埋管线的非线性响应分析

隧道开挖引起的地层不均匀沉降造成附近的地埋管线产生额外的变形,甚至破坏。被动管线与土体的相互作用的研究表明,不考虑土体的刚度衰减,较大的土体弹性模量使得管线的最大弯矩计算结果过大,偏于保守,造成不必要的浪费。在被动管线Winkler地基模型分析基础上,引入土体刚度衰减模型考虑土体非线性特性,提出了隧道开挖作用下管线响应的等效线性分析方法。基于自由土体位移场计算管周土体由于隧道开挖引起的附加应变,基于水平受荷桩的环状弹性介质模型考虑由于管土相互作用引起的管周土体应变,从而对被动Winkler地基模型的土体弹性参数进行修正,计算得到管线的最大弯矩。通过与现有的弹性理论方法、离心模型试验结果的对比,验证了针对隧道开挖引起的被动管土相互作用问题,该方法考虑土体非线性特性的合理性。     

地铁双隧道施工引起地表沉降及变形的随机预测方法

地铁施工引起地表沉降及变形的预测和控制是一个有待于深入研究的重要课题。地铁区间隧道大多为近距离的双孔平行隧道,两隧道开挖引起的地表沉降及变形往往相互叠加,导致沉降及变形预测更加困难。以随机介质理论为基础,对预测公式进行了改进,实现了双孔平行隧道施工引起的地表沉降、水平位移、水平变形、倾斜、曲率预测,研发了城市隧道开挖引起的地表沉降及变形预测系统。对多处双孔平行隧道工程进行了理论预测与验证,实测沉降证明了理论方法与预测系统的科学性和有效性。