3.3 刚性管线由隧道开挖引起的最大弯矩的计算方法

　　Vorster[24]提出了预测刚性接头地下管线在隧道开挖下引起的最大弯矩的方法,主要根据管线和隧道的几何形状、土体与管道的刚度、管线位置处的地层移动进行判断。该方法采用等效线性的方法并考虑了土体的非线性特性。用该方法计算得到的弯矩可以作为离心机模型试验结果的上限。

　　综上所述,地铁施工对管线影响的预测分析方法大致可分为数学解析法和工程类比法2类。数学解析法又分为两阶段分析法和地层结构法,地层结构法中包括弹性地基梁法和结构土体完全耦合作用法。但上述方法也存在不足。弹性地基梁法没有考虑管道—结构的位置关系,仅通过地层沉降推测管道沉降,没有对管线的安全与否做出评价。工程类比法给出了管线变形的控制标准以及保守的变形估计值,但缺乏对这一问题的系统研究,尚未建立管线安全的评估体系。对于管线受施工影响的预测分析,本文推荐采用弹性地基梁法,选用地表最大沉降值作为目标控制值。

　　4 离心机模型试验研究情况

　　OsamuKusakabe[25]主要研究在砂土中开挖对邻近管线响应的离心模型试验。离心机的模型如图5所示。

　　根据离心模型试验,影响管线移动的2个主要因素是管线轴线与开挖面的距离和管线的弯曲刚度。管线的弯曲刚度越大,所承受的弯矩也越大。最大的弯曲应变(竖直的和水平的)发生在靠近开挖面附近的位置。靠近开挖面的管线主要承受竖直弯矩,随着与开挖面距离的增加,逐渐承受竖直和水平方向的弯矩。管线与开挖面距离越远,管线运动的水平分量越大,竖向弯曲应变和水平弯曲应变越小,且竖向应变降低的速度比水平应变快。

　　5 采用有限元法的研究情况

　　李大勇[5-7]采用三维有限元法研究软土地基深基坑工程对邻近管线的影响,并考虑了基坑围护结构、土体与地下管线变形的耦合作用。计算管线位移与监测结果吻合较好。吴波[26,27]等人利用三维有限元方法和基于ANSYS软件平台,建立了隧道支护结构—土体—地下管线耦合作用的三维有限元分析模型,对地下管线的安全性进行了预测。

　　Hunter[28]采用两阶段分析法和有限元模型,将施工过程视为洞室扩散,依据M—C屈服准则,管线接头采用铰接连接,施加反向弯矩作为接头抵抗力。运用FLAC软件计算结果表明,管线接头的转动降低了管段内的弯曲应力,破坏主要是由于受拉应变达到极限引起的轴向开裂。

　　Ahmed利用有限元模型计算了地下管线在邻近深基坑开挖时的附加弯曲应力,认为铸铁管线弯曲应变限值可取500με,球墨铸铁管线弯曲应变限值可取1500με。

　　采用有限元法分析研究属于地层结构作用法中的结构土体完全耦合法,理论上可以考虑土体的非均质和各向异性,目前较流行的FLAC、ABAQUS等软件均能模拟地铁施工过程。然而,现在各种土体本构关系理论的基本假定以及土体参数的不确定性,限制了这类方法的应用,目前为止仅用于工程设计验算。随着对土体应力—应变关系研究的深入以及土体参数室内试验、位移反分析等手段的进一步提高,结构土体完全耦合法的应用前景将十分广阔。

　　6急需解决的关键问题和对策

　　6.1急需解决的关键问题

　　1)管线调查工作困难

　　将地铁施工影响范围内的管线情况调查清楚,是开展管线影响研究乃至管线保护工作的前提。但是因产权所属关系不同,目前没有一个管理部门熟悉全部地下管线的分布情况。同时,受城区道路改造的影响,即便管线的管理部门也不一定能够提供管线的准确位置。

　　2)既有管线承载能力与控制标准难以确定从管线用途来看,需要重点保护的管线为上水管及雨、污水管和煤气管。对于雨、污水管,要搞清其渗漏的情况,这对于判断其承载能力以及制定控制标准尤为重要。另一方面,由于具体工程的施工方法、

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