层状地基中盾构隧道开挖非均匀收敛引起临近管道变形预测

第 29 卷
第9期
张治国，等. 层状地基中盾构隧道开挖非均匀收敛引起临近管道变形预测
( x，y，hm 1 ) ( x，y，hm1 ) {H }
• 1869 •
研究问题属于非轴对称问题，如果此时仍然在柱坐 标系下进行求解 ， 必 须 要 将 各 物 理 量 先 展 开 为 Fourier级数的形式，然后借助Hankel积分变换进行 求解，这种方法的求解过程相当繁琐，而且随着土 层数目的增加和土层厚度的增大很容易导致计算溢 出。因此，本文建立了三维直角坐标系中任意荷载 作用在多层地基内部的理论解析方法，从而可以方 便地求解层状地基的非轴对称问题。
(3)Leabharlann 式中： ( x，y，hm 1 ) 为荷载作用面 z hm1 上表面的 各物理量值； ( x，y，hm 1 ) 为荷载作 用面 z hm1 下
表面的各物理量值； {H } 为荷载作用向量，可表示 为 0 0，p( x，y，hm1 )，q( x，y，hm1 )， {H } {0，， r ( x，y，hm1 )}T 其中，
收稿日期：2010–03–25；修回日期：2010–06–04 基金项目：国家杰出青年科学基金资助项目(50825803)；教育部高等学校博士点基金项目(20070247066)；中国博士后科研基金项目(20100470677) 作者简介：张治国(1978–)，男，博士，2001 年毕业于武汉理工大学交通学院交通土建工程专业，现为在站博士后，主要从事城市地下工程施工对周 围环境影响评估等方面的研究工作。E-mail：geoyunyi2006@
p ( x，y，hm1 ) P ( x0，y0，hm1 ) ( x x0，y y0 ) q( x，y，hm1 ) Q( x0，y0，hm1 ) ( x x0，y y0 ) (5) r ( x，y，hm1 ) R( x0，y0，hm1 ) ( x x0，y y0 )
第 29 卷 第 9 期 2010 年 9 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.29 No.9 Sept.，2010
层状地基中盾构隧道开挖非均匀收敛引起临近管 道变形预测
张治国1
，2，3
，黄茂松2，张孟喜1，王卫东4
1
引
言
所示。
g R o 隧道设计断面 隧道开挖断面
近年来，随着国内北京、上海以及广州等城区 地铁交通建设的迅猛发展，以及人们的建筑安全和 施工风险控制意识不断提高，城市盾构隧道施工所 引起的环境土工安全问题尤其是如何确保隧道穿越 临近既有管道时的施工安全问题已经引起了社会各 有关方面的广泛关注，同时也为中国岩土工程领域 的科技工作者提出了一系列全新的研究课题。 国内外学者已经开展了有关隧道开挖对临近既 有管道的变形影响研究，主要采用了应力控制方法 (FCM)。T. I. Addenbrooke等
～18] ，15]
基于弹性均质地基模
型分析了均质土体中隧道开挖对临近既有地下管道
隧道开挖引起土体自由位移场研究中所采用的分析 方法——位移控制方法(DCM)。该方法不考虑隧道 施工的实际过程，直接在隧道边缘施加位移边界条 件来模拟开挖引起的应力释放过程，该方法虽然不 能模拟隧道施工的各个环节，但意义明确，且能够 模拟任意给定的地层损失比。 在位移控制分析方法中， 隧道开挖后洞周位移 的 收 敛 模 式 一 般 假 定 为 均 匀 收 敛 ， 然 而 ， N. Loganathan 式[7
[1～4]
g/2
g/2

x
z
图1 Fig.1
研究采用的洞周位移收敛模式
Convergence mode on the opening for this study
采用上述位移控制方法分析盾构隧道开挖对临 近管道的变形影响问题尚不多见。C. Y. Cheng等[10] 采用位移控制有限元方法 (DCFEM) 研究了隧道开 挖对临近桩基础的影响，对本领域的研究具有借鉴 作用。 现有简化方法基本是建立在Winkler地基模型 和弹性均质地基模型上。 A. Klar等[11
， 12]
采用基于应力控制
方法的有限元数值模拟技术(FCFEM)分析了盾构隧 道施工对临近既有管道的影响。FCM一般使用生死 单元技术来模拟隧道开挖，并反向施加开挖边界节 点力来模拟土体的应力释放。 FCFEM能够模拟管道 接头、 周围土体介质以及构筑物与土体的共同作用， 复杂的盾构施工过程也可以较好模拟，然而由于土 体本构模型和计算参数选择的不确定性，导致建立 的数值模型很难准确模拟， 而且这种方法建模繁琐， 计算耗时，同时也不容易控制给定的地层损失比。 为了简化对复杂盾构施工过程的模拟，同时又 能体现地层损失引起的土体非均匀收敛变形模式以 及严格控制地层损失比， 本文借鉴A. Verruijt等[5 9]在
～
基于Winkler
地基模型分析了均质地基中隧道开挖对地下管道的 影响，其中在第一阶段计算自由土体位移场时，张 治国等[12]采用解析公式[6]进行计算，相比A. Klar等
[11]
采用经验公式 [13] 计算该问题要更加符合实际情
况。魏 纲和朱 奎[14]在A. Klar等[11]研究基础上，采 用 Winkler 地基模型分析了由于顶管开挖引起的地 下管线变形。 考虑到Winkler地基模型不能体现地基 变形的连续性， A. Klar等[11 的影响。 目前的理论分析方法基本建立在均质地基的研 究基础上，然而在实际工程中，天然地基并非是均 匀的弹性体， 地基土体往往成层沉积， 呈层状分布， 不同土层间的物理力学性质各不相同。因此，有必 要针对地基土体的非均质成层性进行系统研究。为 此，本文借鉴并修正了道路工程中的弹性层状地基 模型，来考虑土体成层性对实际地基中地下构筑物 变形性状的影响。弹性层状体系理论建立于D. M. Burmister[16
～9]
[5]
[6 ～ 9]
证明了洞周非均匀收敛形式比均匀
收敛形式要更合理。因此，本文采用非均匀收敛模 来模拟隧道开挖引起的应力释放效应。在这 种位移模式中，假设隧道顶部节点收缩最大，而隧 道底部节点收缩为 0， 隧道施工断面与设计断面为
研究基础之上，后来S. Zeng等[19
～23]
采用积分变换和矩阵传递方法求解了柱坐标中轴对 称荷载作用下的复杂多层地基问题。在隧道以及地 下工程中，由于施工荷载位置的任意性而使大部分
Abstract：The elastic layered soil model is adopted to consider the soil non-homogeneous characters. The ovalshaped soil deformation model is imposed to the tunnel opening boundaries，and the boundary element method based on displacement-controlled technique is presented to analyze the free soil displacement. The displacementcontrolled method is put forward to predict the deformation of adjacent pipeline due to non-uniform convergence of shield tunnelling in multi-layered soils. The accuracy of the proposed method is demonstrated with the displacement-controlled finite element numerical analysis and existing centrifuge model tests. The results indicate that the solution of the free soil deformation is rather important to estimate the effects on adjacent pipeline. It is also shown that the soil non-homogeneity，neglected in previous methods，has a significant influence on the deformation behaviors of municipal pipelines induced by tunnelling in multi-layered soils. The proposed method may provide a theoretical basis for proposing correctly protective measurements of existing pipelines influenced
DEFORMATION PREDICTION OF ADJACENT PIPELINE DUE TO NON-UNIFORM CONVERGENCE OF SHIELD TUNNELLING IN LAYERED SOILS
ZHANG Zhiguo1
，2，3
，HUANG Maosong2，ZHANG Mengxi1，WANG Weidong4
• 1868 •
岩石力学与工程学报
2010 年
by adjacent underground construction. Key words：tunnelling engineering；shield tunnelling；pipeline；layered soils；non-uniform convergence； displacement-controlled method(DCM) “同底圆” ，研究采用的洞周位移收敛模式如图 1