Microsoft Word - 08魏纲.doc

Size: px

Start display at page:

Download "Microsoft Word - 08魏纲.doc"

学数闵
7 years ago
Views:

1 第 3 卷第 15 期岩石力学与工程学报 3(15):53~57 年月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug., 顶管施工中相邻垂直交叉地下管线变形的三维有限元分析魏纲 1 余振翼徐日庆 ( 1 浙江大学岩土工程研究所杭州 317) ( 宁波市建筑设计研究院宁波 3151) 1 摘要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分析了顶管施工引起的相邻垂直交叉地下管线变形, 研究了离顶管距离的远近注浆纠偏不同管材地下管线埋深管线与土体弹性模量比等因素对地下管线位移的影响研究表明 : 地下管线产生的竖向位移远大于水平位移, 当顶管开挖面通过地下管线 m 时, 地下管线产生的竖向位移达到最大 ; 顶管向地下管线侧纠偏是引起地下管线变形的主要原因 ; 地下管线弹性模量越小, 产生的位移越大地下管线周围土体的弹性模量大小对位移有很大影响, 可以通过注浆等方法加固土体以减小地下管线的位移关键词数值分析, 顶管, 地下管线, 三维有限元, 土体移动分类号 O 1 文献标识码 A 文章编号 1-915() D FEM ANALYSIS ON DEFORMATION OF PERPENDICULARLY CROSSING BURIED PIPELINE IN PIPE JACKING Wei Gang 1,Yu Zhenyi,Xu Riqing 1 ( 1 The Geotechnical Engineering Institute,Zhejiang University, Hangzhou 317 China) ( Ningbo Design Institute of Architecture,Ningbo 3151 China) Abstract The neighborhood buried pipelines will be damaged by movements of soil around the pipes induced by pipe jacking. The deformation of perpendicularly crossing buried pipeline in pipe jacking is analyzed by 3D FEM in the paper. The effects of the distance from pipeline to pipe jacking axis,injection slurry,alignments,material of buried pipeline,depth of buried pipeline and the elastic modulus ratio between buried pipeline and soil on the displacements of buried pipeline are studied. The analytical results show that the vertical displacements of buried pipeline are larger than its horizontal displacements. The vertical displacements of buried pipeline will reach maximum value when the pipe jacking excavation face overpasses the buried pipeline with their distance about m. The main cause of the deformation of perpendicularly crossing buried pipeline is the alignments of shield towards buried pipeline. The less the elastic modulus of buried pipeline is,the larger the displacements of underground pipeline is. The elastic modulus of soil around the buried pipeline has great influence upon the displacements of buried pipeline,and the displacements of buried pipeline can be reduced through reinforcing the soil by grouting. Key words numerical analysis,pipe jacking,underground pipelines,3d FEM,soil movements 1 引言顶管施工作为一种不开槽的施工方法, 其最大优越性在于采用不开槽的暗挖方式, 从而避免了作业面对地上建筑物或构筑物的直接影响 [1] 但是顶管施工不可避免地会对周围土体产生扰动, 引起地面和地下土体的移动当顶管设计轴线附近有地下年 1 月 5 日收到初稿,3 年 3 月日收到修改稿作者魏纲简介 : 男,1977 年生, 年毕业于宁波大学建筑工程专业, 现为博士研究生, 主要从事非开挖技术应用等方面的研究工作 weigang1@13.com

2 5 岩石力学与工程学报年管线时, 会对地下管线产生影响当顶管施工在地下管道中产生的附加应力或变形超出管道的允许应力或变形后, 管道就会产生破坏地层运动对地下管线的影响与顶管轴线和地下管道的相对位置有关, 当管道与开挖方向垂直或平行时影响最为显著 [] 因此, 研究顶管从地下管线下方 ( 或上方 ) 穿越过程中对地下管线的影响状况, 对工程实践具有重要的指导意义地下管线安全性判别方法可以分为两大类 : 应力判别法和张角判别法 [3] 如果已知地下管线的位移, 就可以采用张角判别法来判断管线是否会因变形过大而造成破裂漏水或漏气目前, 国内对顶管施工引起的地下管线位移方面的研究非常少, 且通过现场测试得到实测数据非常困难文 [,5] 采用有限元对顶管开挖进行模拟但是顶管施工是一个动态的过程, 要真实地进行模拟是非常困难的, 需要考虑的因素很多, 目前还无法实现 [] 本文采用三维有限元研究顶管施工对相邻垂直交叉地下管线产生的影响, 为了简化计算过程, 假定顶管顶进了一段距离 ( 文中为 m), 通过改变地下管线的参数来进行分析, 这是一个相对静态的计算过程三维有限元建模.1 基本假定本文的三维有限元分析建立在以下基本假定的基础上 : (1) 土体为各向同性的连续介质线弹性体, 为便于讨论, 土体不分层考虑 () 管线为等直径等壁厚, 且不考虑管道接头的影响, 管道材料为各向同性的线弹性体 (3) 土体在自重作用下产生的变形和应力在开挖前已经完成, 在弹性计算中不予考虑 () 顶管在顶进过程中不考虑土体变形的时间效应 (5) 在顶管工作面上施加正面压力以模拟支护压力 [7], 近似采用圆形均布荷载同时, 假定土体与管壁间的摩擦阻力沿管道纵向均匀分布, 顶管纠偏的作用力沿掘进机部分均匀分布, 注浆压力沿顶管纵向均匀分布. 有限元网格的划分及参数的选取为方便计算, 提高运算速度, 可近似认为要分析的结构为一对称结构, 则根据结构对称性, 计算模型取结构的一半进行研究根据工程经验及有限元试算结果, 实际计算范围为 : 沿 x 方向取 3 m, y 方向取 m,z 方向取 m 共划分 17 3 个单元, 其中, 地下管线为个单元, 如图 1, 所示图 1 顶管纵断面图 Fig.1 Vertical section of pipe jacking 图三维网格划分图 Fig. 3D FEM mesh (1) 计算模型的位移边界条件 : 计算体的上边界 y = m 处取为自由边界, 底边界 y = m 处约束其 y 方向的位移 ; 左右两侧 x = m 和 x = 3 m 处约束其 x 方向的位移 ; 而 z = m 和 z = - m 处约束其 z 方向的位移 () 计算参数及单元类型 : 土体的弹性模量 E =. MPa, 泊松比 μ =.5 土体单元采用空间节点协调单元本文假定管道外径为 φ. m, 壁厚取 1 mm 实际工程中常用的地下管线为钢管铸铁管混凝土管 PVC 管, 其弹性模量和泊松比分别为 :. 1 5 MPa,.3;9. 1 MPa,.75;.5 1 MPa,.17; MPa,.35 考虑到管壁厚度与管径相比很小, 可将管道视为薄壁管, 故采用壳单元进行有限元分析 [] (3) 由于顶管机头和衬砌的刚度远大于土体的刚度, 考虑到弹性体位移连续性的要求, 不考虑顶管机头和衬砌, 而以力位移和边界条件来模拟 () 顶管长度取 m, 掘进机长度为 3.33 m,

3 第 3 卷第 15 期魏纲等. 顶管施工中相邻垂直交叉地下管线变形的三维有限元分析 55 顶管外径为 1. m, 顶管轴心到地面距离为 m (5) 掘进机顶进时会对周围土层产生剪切力, 为计算简便, 将该剪切力纳入顶管工作面上施加的正面压力, 并将其作用在推进前方的土体上结合工程经验, 正面压力取. MPa; 顶力减去迎面阻力后除以整个顶管的外表面积可得顶管与土体间的摩擦阻力, 根据工程经验, 可取 3 kpa () 注浆压力取.1 MPa, 掘进机纠偏对土体产生的压力近似为均布荷载, 取. MPa 3 影响地下管线位移的因素分析顶管施工过程中管道周围的土体会受到千斤顶顶进力注浆压力纠偏荷载等作用另外, 由于土体开挖导致土体应力释放, 会引起土体移动地面的位移和浅层地下土体的移动显然会影响到周边管道, 带动相邻的垂直交叉地下管线移动地下管线的位移具有空间和时间性, 随着顶管通过前后呈三维动态分布地下管线的纵向位移很小, 有限元计算结果表明,H = 1D,L = - m 的钢管最大纵向位移为. mm 为了便于分析, 可以忽略地下管线的纵向位移, 只考虑水平位移和竖向位移地下管线的位移受到注浆纠偏离顶管距离的远近埋深管线与周围土层的相对刚度管道材料顶管施工工艺等诸多因素的影响为了便于分析规律, 本文在考虑某一因素的影响时, 均假定其他条件不变文中 H 为地下管线中心线到顶管轴线的距离, 在顶管上方为正 ;L 为地下管线轴心到顶管顶进面的距离, 在顶管前方为正 3.1 离顶管开挖面距离对地下管线位移的影响有限元计算结果表明, 地下管道的最大水平位移和最大竖向位移都出现在顶管轴线垂直对应的地下管道截面处, 即 x = 3 m 处图 3 为 H = 1D 的钢管离顶管开挖面距离地下管线位移的关系图由图可知 : 地下管道产生的竖向位移要远大于水平位移 ; 随着掘进机的靠近 ( 约 1 m 处 ), 地下管道开始产生位移 ; 随着顶管开挖面的通过前后, 水平和竖向位移都是先增大后减小 ; 最大竖向位移出现在顶管开挖面通过约 m 时, 此时也是地下管道最危险时刻 ; 最大水平位移出现在顶管开挖面通过约 1 m 时 ; 顶管开挖面通过地下管道约 15 m 时, 地下管道的位移趋于稳定 3. 注浆对地下管线位移的影响地下管线离开挖面的距离 /m 图 3 离顶管开挖面距离与地下管线位移的影响 Fig.3 Displacements of buried pipeline affected by distance from pipeline to pipe jacking excavation face 顶管施工现场控制对地下管线位移影响非常重要, 如果控制得好, 则影响非常小但实际施工中由于各种因素不可避免地会对周围土体产生扰动, 特别是注浆与纠偏对地下管线的影响尤其大图为 H = 1D,L = - m 的钢管在不同注浆压力下直线顶进的位移图 ( 图中 : 水平位移为正值表示地下管线向顶管顶进方向移动 ; 竖向位移为正值表示地下管线向上移动 ; 以下各图均同 ) 由图可知: 注浆产生的地下管道水平位移要明显大于竖向位移 ; 当注浆压力增大时, 地下管道最大水平位移要减小, 竖向位移则增大因此, 施工时应合理控制注浆压力.1 MPa (a) 地下管线水平位移 (b) 地下管线竖向位移最大水平位移最大竖向位移 -15 注浆压力.15 MPa 注浆压力. MPa 注浆压力.1 MPa 注浆压力.15 MPa 注浆压力. MPa 图注浆对地下管线位移的影响 Fig. Displacements of buried pipeline affected by grouting

4 5 岩石力学与工程学报年注浆压力的大小 3.3 纠偏对地下管线位移的影响顶管施工难免有顶进偏差, 纠偏时掘进机轴线偏离原来顶进的轴线方向, 产生侧向纠偏荷载施工中纠偏表现为掘进机对拟偏转方向一侧土体产生挤压, 一方面, 当应力超过等效屈服应力时, 就产生粘塑性变形, 导致土体位移 ; 另一方面, 在另一侧则产生间隙, 这也引起土体位移这两种状态下都产生土层位移图 5 为 H = 1D,L = - m 的钢管纠偏对地下管线位移的影响图由图可知 : 纠偏引起的地下管道竖向位移要远大于水平位移 ; 当纠偏压力增大时, 地下管道的水平位移基本没有变化, 而竖向位移则迅速增大因此, 顶管偏斜与纠偏会对地下管道造成极大危害, 应该勤测勤纠, 避免顶进时对周围土体产生较大的侧向压力 (a) 地下管线水平位移纠偏压力. MPa 纠偏压力.5 MPa 纠偏压力.7 MPa 纠偏压力. MPa 纠偏压力. MPa 纠偏压力.5 MPa 纠偏压力. MPa 纠偏压力.7 MPa (b) 地下管线竖向位移图 5 纠偏对地下管线位移的影响 Fig.5 Displacements of buried pipeline affected by alignments 3. 管材对地下管线位移的影响图为 H = 1D,L = - m 的钢管管材对地下管线位移的影响图由图可知 : 不同管材对于地下管线位移影响很大, 在离顶管轴线.75 m 处出现拐点 ; 钢管铸铁管混凝土管 PVC 管引起的最大位移依次从小到大这说明地下管线的弹性模量越小, 与土体的变形协调能力就越强, 产生的附加应力就越小 [9] 所以, 在其他条件允许的情况下, 应优先采用弹性模量较小的 PVC 管钢管铸铁管混凝土管 PVC 管 (a) 不同管材地下管线的水平位移钢管铸铁管混凝土管 PVC 管 (b) 不同管材地下管线的竖向位移图管材对地下管线位移的影响 Fig. Displacements of buried pipeline affected by the material of buried pipeline 3.5 地下管线埋深对地下管线位移的影响图 7 为 L = - m 的钢管不同埋深时得到的最大位移图对于顶管下方的地下管线, 采用向下纠偏考虑到地下管线的埋深一般为 ~ m, 故仅对这一范围内的埋深作分析由于顶管是从地下管线的下方 ( 或上方 ) 通过的, 因此, 地下管线显然不能位于顶管开挖区以内对位于顶管开挖区以外的地下管线, 由图 7 可见, 地下管线埋深对其水平位移影响不大, 对竖向位移影响则较大 ; 位于顶管上方的地下管线向上移动, 位于顶管下方的地下管线则变成向下移动 ; 离顶管越近, 竖向位移越大, 且基本上成线性变化 3. 土体弹性模量改变对地下管线位移的影响图为 H = 1D,L = - m 的钢管地下管线最大位移与 E sj /E s 的关系图其中,E sj 为改变后的土体弹性模量,E s 为原土体弹性模量由图可知, 地下管线最大水平位移和竖向位移随 E sj /E s 的比值增大

5 第 3 卷第 15 期魏纲等. 顶管施工中相邻垂直交叉地下管线变形的三维有限元分析 57 先是急剧减小, 在比值为 3 时位移只有原来的 % 左右, 随后逐渐缓慢变小这说明 E sj /E s 对地下管线位移有显著影响可见在同等的情况下, 通过改良地下管线周边土体的土质可以有效地控制地下管线位移 [1] 地下管线埋深 /m 最大水平位移最大竖向位移图 7 地下管线最大位移与地下管线埋深的关系 Fig.7 Relations between the maximal displacements of buried pipeline and the depth of pipeline 1 过前后, 地下管线位移先增大后减小, 竖向位移远大于水平位移 ; 当顶管开挖面通过 m 时, 地下管线的竖向位移达到最大 () 注浆与纠偏对地下管线位移影响很大, 尤其是纠偏, 应严格控制地下管道埋深对水平位移影响不大, 对竖向位移影响较大地下管线处于顶管上方时向上移动 ; 处于顶管下方则变成向下移动 ; 离顶管越近, 竖向位移越大, 且基本上成线性变化 (3) 管材不同引起的地下管线位移值也不同, 管材的弹性模量越小引起的位移越大, 从小到大依次为 : 钢管铸铁管混凝土管 PVC 管但是, 地下管线的弹性模量越小, 与土体的变形协调能力就越强 () 地下管线周围土体的弹性模量大小对位移有很大影响, 可以通过注浆等方法加固土体以减小地下管线的位移参考文献最大水平位移最大竖向位移 1 方从启. 基于半解析元法研究顶管施工引起的地层运动 [ 博士学位论文 ][D]. 上海 : 同济大学,199 邰勇. 开挖隧道引起的地层运动对邻区地下管道的影响 [ 硕士学位论文 ][D]. 上海 : 同济大学,199 3 李大勇, 俞建霖, 龚晓南. 深基坑工程中地下管线的保护问题分析 [J]. 建筑技术,,33():95~9 1 E sj /E s 图地下管线最大位移与 E sj /E s 的关系 Fig. Relations between the maximal displacements of buried pipeline and E sj /E s 结语本文为了计算方便, 作了一些假设, 这些假设可能会对计算结果产生影响由于未考虑土体在压力作用下发生屈服产生的塑性变形, 会使计算结果比实际值偏小 ; 由于未考虑顶管作业产生的水土流失以及实际施工中正面支护并不是立即起作用 [11], 会使计算结果偏大但顶管施工对地下管线的影响仍有规律可寻研究表明 : (1) 地下管线的移动具有空间性, 纵向位移极小, 主要是水平与竖向位移地下管线的最大位移出现在顶管轴线垂直对应位置 ; 随着顶管开挖面通林敏, 张平之. 铁路顶管施工中路基面沉降的研究 [J]. 北方交通大学学报,1,5():9~7 5 潘同燕. 大口径急曲线顶管施工力学分析与监测技术研究 [ 硕士学位论文 ][D]. 上海 : 同济大学, 朱合华, 丁文其. 地下结构施工过程的动态仿真模拟分析 [J]. 岩石力学与工程学报,1999,1(5):55~5 7 李强, 曾德顺. 垂直交叉隧道的计算分析 [J]. 现代隧道技术, 1,3(3):9~33 Fernando N S N,Carter J P. Elastic analysis of buried pipes under surface patch loadings[j]. Journal of Geotechnical and Geoenvionment Engineering,199,1():7~7 9 余振翼, 陈水福. 软土地区路基下横穿管线的三维有限元分析 [J]. 市政技术,,(1):~ 1 李大勇, 龚晓南, 张土乔. 深基坑工程中地下管线位移影响因素分析 [J]. 岩石力学与工程学报,1,( 增 1):1 3~ 陈先国, 高波. 地铁近距离平行隧道有限元数值模拟 [J]. 岩石力学与工程学报,,1(9):1 33~1 33

01-0982.doc

01-0982.doc 第 32 卷第 7 期岩土工程学报 Vol.32 No.7 2010 年 7 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering July 2010 沿海碎石回填地基上高能级强夯系列试验对比研究年廷凯 1,2, 水伟厚 3, 李鸿江 4, 杨庆 1,2, 王玉立 (1. 大连理工

Microsoft Word - 08魏 纲.doc

Microsoft Word - 08魏纲.doc