《安全管理》之双线地铁隧道下穿管道安全性对比研究.doc

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1、双线地铁隧道下穿管道安全性对比研究摘要：地铁与燃气管道等高危管道均为线性工程，地铁隧道下穿管道的情况不可避免，一旦因地铁施工导致管道泄漏，后果难以承受，管道沉降值是考量其安全性的关键指标。为对双线盾构地铁隧道下穿管线安全性进行预测，采用修正的Peck公式理论方法进行计算，并与数值模拟结果相对比，研究结果表明：双线盾构地铁隧道下穿管道安全风险可控，修正Peck公式及数值模拟法均能较真实地描绘地表以下任意土层的沉降槽曲线，进而可以比较准确地计算土体竖向沉降，可作为一种用于计算隧道开挖所引起管道竖向位移的方法。0引言自本世纪以来，我国开启了大规模的城市轨道交通建设，截至20

2、xx年4月，已开通地铁的城市有35个，已获得批复建设地铁的城市共有43个，其中，北京、上海、成都、武汉等城市的规划线路总长度均达到上千公里规模。地铁的施工建设，必然会造成周边土体沉降，危及建构筑物安全，尤其是同为线性工程的地下管线，不可避免地与地铁线路存在交叉。从现有工程经验来看，已有较多地铁隧道下穿管线的成功案例，对于地铁施工对管线的影响，国内外也已开展了较多的研究工作。目前主要采用的方法有经验公式法、随机介质理论法、弹塑粘性理论解、数值方法(有限元、边界元法、有限差分法、数值半解析法)等。在众多的预测公式及方法中，Peck公式是经验公式法中的典型代表，该方法是根据

3、大量隧道开挖引起地表沉降的观测数据提出的，也已得到大量的实际验证，同时相关学者也“与时俱进”地进行了较多修正，如任强等对双线盾构叠加进行了Peck公式修正。此外，大量工程实践表明，数值模拟的方法也是研究隧道开挖问题的有效方法。因此，本文以双线盾构地铁隧道下穿管道为工程背景，将修正Peck法用于埋地管道沉降预测，并与数值计算结果进行对比分析，相互验证可靠性，最终为论证该类工程安全可行性提供方法参考和借鉴。1经典Peck公式及修正1.1经典Peck公式在经典Peck公式中，地表沉降槽呈正态分布(见图1)，并给出与覆土厚度、土体内摩擦角、地层损失等参数间沉降槽计算的无量纲关

4、系式，表达式如式(1)所示。Peck认为，沉降主要控制因素是开挖引起的地层损失，沉降槽的体积等于地层损失体积。式中：Sx为横截面上与S轴线距离为x地面点的沉降量，m；i为沉降槽宽度系数，为地表沉降曲线反弯点与原点的水平距离，m；z为隧道中心点起算的覆土厚度，m；φ为土体内摩擦角加权平均值，°；VL为由于隧道开挖引起的地层损失量。实践表明，地层损失量受隧道支护种类、断面尺寸、地层条件等多种因素影响，文献认为地层损失主要由隧道掘进引起的开挖面土体移动、土体坍落或松动、土体进入隧道等因素引发。因此，经典Peck公式下，对于圆形隧道，单位长度地层损失为：式中：V1为地层损失率

5、;γ0为隧道外径，m。1.2双线盾构隧道的Peck公式修正经典Peck公式主要针对单隧道施工引发的地面沉降进行计算，但对于地铁工程而言，大多数均采用相互独立的双线隧道，且为减小隧道开挖的影响，2条隧道施工时前后会有一定间隔，因此，可近似认为上覆土体沉降为2条隧道独立施工的叠加，如图2所示。任强等认为，该工况下Peck公式可修正为式(4)：2工程实例某地铁区间下穿2条燃气管道，其中，DP管道设计运营压力9MPa，管径762mm，壁厚20.6mm，管材为X65钢，属于国家级重要管线；GZ管道运营压力4MPa，管径711mm，壁厚17.5mm，管材为直缝双面埋弧焊X60钢管

6、，属于省级重要管线。2条管线输送介质均为天然气，具有易燃易爆属性，属于高危管线。地铁区间隧道为2条独立隧道，采用盾构法施工，隧道直径6m，间距14m，埋深13.1m，与管线最小净距7.1m，示意图如图3所示。根据管线产权单位提供的资料，管线安全控制标准为沉降值≤10mm。工程区域典型地质剖面内地层自上而下依次为：素填土层，平均厚度3.62m；淤泥质土，平均厚度3.15m；沙性土层，平均厚度2.53m；混合岗岩全风化带。具体的土层力学参数如表1所示。3修正Peck公式计算管线沉降Peck公式不仅可用于地表沉降的计算，也适用于计算地表以下的土体沉降，已有相当多学者进行了论

7、证，本文不再重复。因管道为埋地管道，土体的变形必然会导致管道产生相应的变形，因此，本文将管道变形与其周边土体变形进行等效考虑。本工程隧道埋深13.1m，隧道中心距离管线10.1m，上覆土层主要为素填土、淤泥土及砂土，根据地勘材料，其平均内摩擦角为13.3°，代入公式(2)，可得i=5.1。根据式(3)，地层损失量与地层损失率及隧道外径相关，按照现代盾构的技术水平，采用盾构施工的地层损失率可控制在0.1%左右，因本工况采用盾构施工，管片支护及时，地层损失率按照0.1%考虑，隧道外径6m，代入公式(3)，可得地层损失量VL=0.226。2条隧道中心距离1