盾构掘进对燃气管线影响及保护措施研究

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受地下空间限制,新建地铁与既有管线交叠穿越的现象逐渐增多。新建隧道施工引起的地层扰动对既有埋地管线产生影响,造成既有埋地管线不均匀沉降甚至破坏。因此,研究盾构隧道掘进对既有管线影响及相关保护措施显得尤为重要。本文以南通地铁1号线某盾构区间施工为工程背景,通过对盾构隧道掘进施工的数值模拟同时结合已有监测数据的对比分析和验证,研究不同盾构掘进工况对周边地层扰动及埋地燃气管线的变形和受力的变化规律,探讨相关的保护措施及实施效果。主要工作内容及结果如下:(1)盾构施工过程中由于支护不及时或注浆缺陷会存在一定的地层损失,对比土体本构采用摩尔-库伦模型和HS模型条件,在一定的地层损失率前提下,当选择HSS土体硬化小应变模型构建盾构掘进对既有管线影响的三维数值模型时,所得到的分析结果与现场实测数据更接近。(2)针对所依托工程,构建的模型将盾构掘进施工分为三阶段进行变形规律探讨,得到的分析结果如下:掘进初期(掘进长度≤2D),管线变形及土体沉降最大;掘进中期(2D≤掘进长度≤5D),土体与管线变形逐渐趋于稳定;掘进后期(掘进长度≥5D),土体沉降与管线变形不再增加(D为盾构机直径)。(3)盾构掘进开挖对周边地层的扰动诱发邻近既有管线的变形。垂直于隧道掘进方向断面地表沉降曲线为高斯分布,沉降最大值位于隧道轴线正上方;平行掘进方向的上覆管线变形大体呈“S”型分布。左线先行隧道盾构施工,对掘进长度5D范围内上部管线的影响,当掘进长度≤3D时,管线位移影响范围(沉降大于5mm)为掘进长度的2倍,当3D≤掘进长度≤5D时,管线影响范围(沉降大于5mm)约为掘进长度的1.5倍(D为盾构机直径)。(4)为研究管隧相对位置、盾构掘进速度、衬砌厚度、管线三通、管线内压、管土刚度比等因素对既有管线变形的影响,进行基于盾构下穿三维数值模型的参数敏感性分析。当管道位于盾构隧道上方且为正交状态下管线的竖向变形值最大;考虑管线内压时,内压力越大管线上部的拉应力值越大,管线沉降越小;考虑管道接转弯头且当管线弯头为90°时,管线弯头部位的轴力值最小;考虑管土刚度比时,管土刚度比越大,管土协同变形能力越弱。(5)论文分析比较了四种不同保护措施(即水平隔离板、竖向隔离板、换填和弯头保护层)下管线的沉降与轴力变化情况。结果表明:水平隔离板厚度越大,管线的沉降越小,即工程中管线埋深为3m、管径为300mm、管壁厚为6mm时,若采用0.2m厚的水平隔离板且埋深为5m时,就可以起到较好的效果;当设置0.1m厚的管线弯头保护层时,管线的变形曲线出现拐点;对埋地管线开挖回填时,选用密实砂土能起到较好的保护作用。
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