盾构隧道斜下穿开挖对既有管道影响的理论研究

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随着我国对地下交通建设需求的日益增长,越来越多的地铁盾构隧道工程在城市地下空间中进行。同时城市地下存在非常多的管道,盾构隧道开挖对上覆既有管道的影响不可避免。地下管道作为城市的生命线,在盾构隧道的设计与施工中如何全面准确的评价隧道掘进对上覆既有管道的影响成为研究的热点之一。针对该问题的研究,众多学者主要采用四个方法:模型试验法、工程实例分析法、数值模拟法以及理论分析法。其中理论分析法主要采用两阶段法进行简化分析,两阶段法计算步骤清晰,物理意义明确,能准确的预测盾构隧道开挖引起的管道变形,易为工程技术人员接受。本文采用两阶段法,主要基于Loganathan公式与弹性地基梁模型针对盾构隧道开挖引起上覆既有管道受力及变形的研究做了以下工作:(1)采用两阶段法,在第一阶段中改进了Loganathan公式计算出盾构隧道轴线与管道轴线斜交时管道位置处的土体竖向位移。在第二阶段采用Pasternak弹性地基梁模型模拟管—土相互作用,引入修正Vlasov地基模型中的迭代流程计算出Pasternak模型的关键参数——弹性系数与剪切系数,提出了盾构隧道斜交下穿管道施工引起的管道竖向位移解析解。与实际工程以及已有算例的对比,验证了本文方法的准确性。研究结果表明:迭代求解的k、gs值能提升Pasternak模型的精确度;土中剪力对管道竖向位移计算值的影响可达15.3%;随着管道与隧道夹角的减小,管道的竖向位移增大、弯矩减小;土体弹性模量与隧道半径的增大均会增加管道的竖向位移和弯矩。(2)分析了盾构隧道在斜下穿管道施工时引起管道水平位移的作用机理,改进了Loganathan公式计算出盾构隧道斜下穿管道时引起的管道轴线位置处的土体水平位移,结合Vlasov地基模型模拟管-土相互作用,提出了盾构隧道开挖引起上覆既有管道的水平位移解析解,与实际工程以及有限元对比验证了本文方法的合理性。分析结果表明:盾构隧道斜下穿管道施工时,隧道与管道相交角度的大小对管道水平位移造成的影响显著,随着夹角的减小,管道的水平位移逐渐增加;当管道与隧道相交角度较小时,盾构隧道开挖引起的管道水平位移相对管道竖向沉降不可被忽略;随着管道直径的增大、隧道埋深的增加,盾构隧道斜交下穿管道施工引起的邻近管道变形均减弱。(3)采用两阶段法,在第二阶段采用考虑剪切效应的Timoshenko梁模型模拟管道,并结合叠加法对管道位移控制方程进行求解,提出了考虑管道剪切变形时盾构隧道开挖引起上覆既有管道变形的简化计算方法。通过与离心机模型试验结果的对比验证了本文方法的合理性;分析结果表明:随着管–土弹性模量比、管道直径的增大,管道的竖向最大位移值减小;管道剪切刚度对管道位移存在较大影响,剪切刚度减小可导致管道最大位移值增大。
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