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地下管线安全论证和迁建方案合理性分析

文档作者：刘晓音侯丁孟凯文档来源：北京市南水北调工程拆迁办公室		点击数：	更新时间： 2021年12月03日
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第11卷0l期
2O13年2月
Vo1．1】 No．01
Feb．2013
地下管线安全论 证和迁 建方案合理性分析
刘晓音，侯 丁，孟 凯
(北京市南水北调工程拆迁办公室，北京100097)
摘要：在北京市南水北调配套工程南干渠工程建设过程中，为确保工程建设顺利实施的同时，不影响当地居民生产
生活中的用水、通信、用电等，需对部分既有地下管线进行改线调整施工或加固保护施工，以确保其正常运行，这项
作称为北京市南水北调配套工程专项设施迁建。本文通过测量数据和建模仿真相结合的方式，将北京市南水北
调配套南干渠T程中盾构施工引发的动载荷对地下管线的形变和受力特性进行数值模拟仿真与测算，并基于运算
数据对对盾构施工时周边不同管径、不同材质、不同埋深管道的应力、应变特性进行了分析，对施工方案力学合理性
进行论证，并结合监测分析盾构施工地表沉降规律，对地下管线安全控制参数提供数据参考，以期不断促进和提升
专项设施迁建方案的科学性、合理性。
关键词：南水北调；南f渠上程；盾构；地下管线；动载荷
中图分类号：U455．4；TU990．3 文献标识码：A 文章编号：1672—1683(2013)001 0156—05
Underground Pipeline Safety Demonstration and Relocation Program Rationality Analysis
LIU Xiao yin，H()U Ding，MENG Kai
LSouth to North Water Diversion Pro3ect o,~fice o}tke Demolition of The Beijing Municipal，Beijing 100097，China)
Abstract：In the city of Beijing South Main Canal of South-to—North Water Transfer Project construction process，in order to ensure the smooth
implementation of engineering construction at the same time，does not affect the residents living in the production of water，communications，e—
lectricity．requiring both part of underground pipeline modification line adjustment of construction or the protection and reinforcement of COIl—
struction．in order to ensure their normal operation．this work is called the Beijing of South to-North Water I'ransfer project specia1 facility relo
cation．Through tbe measured data and modeling simulation combining，Beijing City South Main Canal Project of South-to—North Water Transfer
Project in shield construction of dynamic load on underground pipeline caused by the deformation and the stress characteristics of the numerical
simulat lon and calculation．and based on operational data on shield construction around the different diameter，different materials，different buried
depth pipeline stress，strain analysis．to the programme of construction mechanics reasonability of argumentation，and combined with the monito
ring and analysis of ground surface settlement of shield construction，the safety of underground pipelines control parameters to provide reference
data．in order tO constantly promote and enhance the special facility relocation plan science，rationality．
Key words：So uth to North Water Transfer；South Main Canal Project；shield tunneling；buried pipelines；dynamical load
南十渠 I：程是南水北调北京市内配套工程，其主要穿越
北京巾南部城区，沿线地质条件复杂，局部地下管线交织错
杂，日管线材质、性质用途、埋设年份、土壤环境、接口类型、
埋深以及与盾构隧道的相对位置E多有不同，地下盾构施工
造成的隧道周同：t体形变，会引起地下管线产生较大的附加
变形和过大的附加应力，易导致地下管线受损而发生事故，
影响居民正常生产、牛活。因此，对部分管线进行合理、有效
的专项设施迁建(即对之进行改移或保护)是十分必要的。
本文通过数值模拟对盾构法施上对其周围管线应力应变进
行了分析，埘管线保护方案进行J，复核论证。
l 土体模型与计算建模
1．1 土体模型
在土力学中，对于岩石、混凝土和土壤等材料采用Mo
hr-Coulomb和Druck-Prager屈服准则(简称为DP准则)。
而在ANSYS有限元分析中对于岩石、土壤采用DP准则可
以得到较为精确的结果。为便于分析，本文在一定条件下建
立三维计算模型进行仿真运算。
1．2 计算模型的假设
本文建立三维计算模型时采用如下假定。(1)地下管线
为均质材料，沿长度方向等直径、等壁厚，不考虑接头的影
响。(2)假定管线在盾构开挖过程中一直与土紧密接触，即
存变形过程中管线与土共同变形，没有相对滑动或脱离。
(3)开挖后洞室的单元面上施加均布力以考虑壁后注浆的影
收稿日期：2013-01 06 修回日期：20l3一O1¨O8
作者简介：刘晓音(1980)，男，山东新泰人，1二程师，主要从事水利1：程管理方面研究。E-mail：lxy1980513@sina．com
· l56 · 探讨与交流
刘晓音等·地下管线安全论证和迁建方案合理性分析
响。(4)隧道管片之间用螺栓连接，螺栓对管片刚度有一定
的影响，计算时用折减刚度进行模拟。
2 盾构施工(第九标段)动态模拟及对管线
位移与应力的影响
2．1 模型一(标段：l1+302～l1+400)
2．1．1 计算模型与载荷施加
该模型中包含两根地下管线，其一为燃气管线(钢管)距
地面高程为2．4 m；其二为电信管线(混凝土管道)距离地面
高程为1．2 m。由于管线与开挖轴线相垂直布置时是最不
利工况，因此以下模型中管线均与开挖隧道方向正交。
模型一的有限元模型如图1(a)所示，管道有限元模型如
图1(b)所示。有限元模型开挖前后范围距离分析管线为3O
m，左右范围距离开挖轴线25 m，下边界距离开挖轴线8．8
i'I1，上边界为地面高程，开挖轴线距离地面为10．675 m。模
型中地层部分共划分13 632个单元，管线共60个单元。
(a)整体有限元图
(b)部分有限元图
(c)模型参数说明图(m)
图1 模型一隧道盾构开挖有限元模型
该模型中燃气管道采用中3。O钢管，壁厚为5 mm进行
计算。电信管线有钢套管材料，也有塑料套管外包混凝土管
块，模型一中计算采用直径为0400，管壁为0．03 In混凝土
管(按C15混凝土计算)进行计算。
模型边界条件为：地基底部竖向固定；左右侧和上下侧
沿作用面法向固定，切向自由；地面为自由边界。该三维有
限元模型中，采用了两种单元类型：(1)8节点块体单元
(SOI II)45)：用于地基结构；(2)梁单元(BEAM188)：用于模
拟地下管线。模型荷载说明：盾构机推力为15 000~20 000
kN(实际取推力17 000 kN)；掘进速度为50 mm／min(实际
按最不利工况每开挖步取3 m／h)；注浆压力为0．3～0．5
MPa(实际取0．3 MPa)；注浆厚度10 cm。
2．1．2 施工区地层变形结果及管线变形分析
图2、图3和表1为盾构掘进荷载下管道的最大变形结
果和安全允许值的对比。实际中由于施工质量和各种不确
定因素，以及此次计算为最不利工况(开挖步为3 m)，这里
管线的发生位移仅是实际中可能发生的上限。
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开挖步(每步3m)
图2 不同开挖步下管道正上方
地表节点(11031)竖向位移历程
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‘一 —‘一 ●一燃电信气管线水竖平向位移
图3 随着掘进开挖步的各管线的变形历程
2．1．3 管线应力分析
表2为盾构掘进荷载下管道的最大应力发生值和安全
允许值的对比。
2．2 模型二(标段：124-400 124-600)
2．2．1 计算模型与载荷施加
该模型主要分析雨水管线和大直径给水管线，见图4。
该模型段管埋最深，注浆压力应施加最大0．5 MPa。
盾构衬砌宽度为2 iTi，为了得出精确计算结果，这里推
进步长设置为2 m，此模型有3O个开挖步，61个时问步。
模型二范围尺寸为60 m×29 m×35．95 m，沿x负方向
为盾构推进方向。盾构中心线距离地面为22．85 m，雨水管
线按z方向(与隧洞正交)埋设在地表下22 m处，给水管
表1 盾构掘进荷载下管道的变形结果
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探讨与交流·157 ·
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第11卷01期·南水北调与水利科技·2013年2月
表2 盾构动荷载下管道应力数值
线按z方向埋设在地表下4．8 rn。盾构隧洞直径4．7 m。上
边界面为地面高程，开挖轴线距离地面为22．85 m，模型中
地层部分共划分13 384个单元，管线共34个单元。根据结
构对称性，本算例取整个模型的1／2进行分析。
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图4 模型二建模参数说明(m)
法向固定，左侧沿作用面法向固定，右侧、前后侧施加对称边
界条件，切向自由；地面为自由边界。
2．2．2 施工区地层变形结果及管线变形分析
图5、图6和表3中所示为盾构掘进荷载下管道的最大
变形结果和安全允许值的对比。
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模型边界条件为：地基底部竖向固定；上下侧沿作用面 图5 地表节点(8184)竖向位移历程
表3 盾构掘进荷载下管道的变形结果
注：其中最大斜率在出现最大竖向位移的开挖步下由差分法算得。
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① 406 -给水管道(PVC材料)，
． 给水管道(铸铁材料)，管径1
④
． 燃气管道【钢材料)，管径100，高程
④
口30
⑤
④ 22 (_)⋯⋯⋯
00，高程421
程41 6
图6 随着掘进开挖步的各管线的变形历程(mm)
2．2．3 管线应力分析
表4为盾构掘进荷载下管道的最大应力发生值和安全
允许值的对比。
表4 盾构动荷载下管道的应力数值 MPa
2．3 模型三(标段：l2+7()(]～12+800)
2．3．1 计算模型与载荷施加
该段模型主要分析三根管线，均与开挖隧道方向正交，
管径均为100 mm。1号给水管道(PVC材料)距地面高程为
0．4 m；9号给水管道(铸铁材料)距地面高程为0．9 m；8号
· 158 · 探讨与交流
燃气管道(钢材料)距地面高程为1．7 m。管道和地质模型
参数见图7。
模型三的有限元模型单元类型同模型一和模型二。有
限元模型开挖前后范围共为60 m，初始开挖面距离三根分
析管线分别为30 m、34 m和39 nl，左右范围距离开挖轴线
29 II1，下边界距离开挖轴线l2．75 In，上边界为地面高程，开
挖轴线距离地面为20．7 m。模型中地层部分共划分16 620
个单元，管线共5O个单元。模型三边界条件同模型一。
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地面高程
给水管道(PVC材料)，管径100，高程42
-丝 笪垄 箜璧丝型)-管径l吣高程41 6
燃气管道(钢材料)，管径IO0,高程408
图7 模型三建模参数说明(m)
2．3．2 施工区地层变形结果及管线变形分析
图8、图9和表5为盾构掘进荷载下管道的最大变形结
果和安全允许值的对比。
2．3．3 管线应力分析
表6为盾构掘进荷载下管道的最大应力发生值和安全
允许值的对比。
④
刘晓音等·地下管线安全论证和迁建方案合理性分析
管线竖向位移
管线(铸铁)竖向位移
管线(PC)竖向位移
时间步
图8 地表节点竖向位移历程
一
一 燃给气水管线横竖(P铸向C位铁) 横移竖向位移
图9 随着掘进开挖步的各管线的变形历程
表6 盾构动荷载下管道的应力数值 MPa
3 计算结果分析
3．1 不同方案下地层和管线的变形、应力分析及安
全评价
(1)通过选出三种最不利的地层和管线模型进行计算分
析，所选施工标段的地下管线无论是位移变形、斜率、还是应
力状态大部分都处于安全状态。但个别地方和标段的地下
管线可能在开挖载荷作用下超出安全允许范围，应该引起重
点注意。其中，模型一(标段：11+302 11+400)中的管线
处于标段的起始端，由于开挖较浅，盾构推进力和注浆压力
都对地层有较大的干扰，有可能导致管线变形位移较大，但
是其应力状态仍处于安全范围内，所以可以通过采用相应保
护措施进行管线移动和安全处理。模型二(标段：12+400
l24-600)和模型三(标段：124-700 124-800)中的地下管线
在盾构施工荷载下都处于安全状态，不影响正常施工。
(2)地下管线在各种荷载作用下产生的应力状态较为复
杂。通过分析，其径向应力较小，可以不予考虑；但须考虑管
线因各种原因产生的环向应力与纵向应力，尤其是纵向应
力。设计及施工中应着力解决或抵消管线环向应力与纵向
应力影响。
3．2 地下施工对邻近地下管线的影响规律
(1)地下施工对邻近地下管线的影响规律基本一致，盾
构穿过管线下方后，由于盾构力的影响，土体回落带动管线
运动，管线竖向位移进一步加大，并随推进力的增加，回落速
率提高；土体发生固结，盾构到达管线后方20 m后，土体沉
降趋于稳定，距离开挖面20 in外，对管线位移影响可忽略。
(2)管线埋深增大时，管线产生的沉降、水平位移及大主
应力也相应增大。管材的变化对管线的沉降影响很小，但对
管线的水平位移及大主应力影响较大，管线弹性模量较大时
就会对地层移动产生较大的抑制作用，而弹性模量较小的管
线能与周围土体协调变形。
(3)管线平行隧道轴线时，同一水平面上，隧道轴线正上
方的管线面临的威胁最大，但对水平位移反映敏感的管线来
说，处在隧道沉降主要影响范围边界位置最为不利。土层刚
度对地下管线的力学性状影响较为显著。土层刚度越小，管
线所受到的施工影响越大。采取措施提高土层刚度，有助于
减小管线的沉降量与最大应力，但当加固到一定程度后，对
管线性状的改善较为有限。弹性模量对管线位移的影响较
为有限，对应力影响较为明显：位移随弹性模量增大而缓慢
减小，而应力增大较为明显。
(4)直径对管线性状影响比较明显：位移先随管径增大
而增大，后随管径增大而减小；纵向应力随管径增长较快。
壁厚对管线位移的影响不很明显，对应力影响相对明显：位
移随壁厚增大而缓慢减小，纵向应力减小较快。截面形状不
同对管线位移影响不大，但对管线应力影响比较明显：圆管
的位移与方管基本接近，圆管的受力比较合理，方管应力要
比圆管大很多，较为不利。盾构掘进快慢对地下管线的影响
较为明显。掘进越快，管线的位移与纵向应力增长很快，当
掘进速率达到一定程度后增长趋于缓慢。当工程中从近距
离平行双管下方穿越时，它们的位移要小于单管情形，纵向
应力差别不很显著，要较单管情形安全。
4 变形监测分析
为保证施工安全并验证计算结果，我们结合施工对对部
分管线进行了监测，对工程中的地表横断面变形和地下管线
变形进行实测，将观测变形结果进行分析，可得如下结论：
(1)盾构沉降槽的分布在隧道左右3D(D为隧道外径)
之内，而最大沉降量的6O ～70 发生在1．5D范围之内，
隧道的1．5D范围为隧道施工的主要影响区域，在其范围之
内的地下构筑物应该进行重点监测。
(2)从管线受力方面考虑，根据地表沉降值划定的沉降
极限，国内一般采用30 nun，对管线不会造成影响。本文认
为地面沉降50~80 mm范围之内，地下管线处于安全状态。
(3)从管线变形方面考虑则需结合材质考虑。以铸铁
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第11卷O1期·南水北调与水利科技·2013年2月
为例，管线的变形曲率应小于等于0．0078或者差异沉降小
于等于l／128，从应力判别考虑，管线的最大拉应力应该小
于等于71 MPa，最大压应力应小于等于127．4 MPa，管线
可正常使用，否则容易产生断裂或泄漏。因此，设计及实施
前应详细了解管件材质及属性，有针对性的做好相关工作。
5 结论
(1)通过计算分析可以证明南干渠盾构施工地下管线保
护方案是可行的，同时提出了施工中应加强监控部位，并建
议必要时采取保护措施。
(2)对盾构施工时周边不同管径、不同材质、不同埋深管
道的应力应变特性进行了分析，对工程施工有指导意义，对
相关工程有参考价值。
(3)通过监测分析揭示了盾构施工地表沉降规律，并对
(上接第l55页)
器的查询对数据库中的基本参数数据及查询报表数据根据
访问权限的不同进行查询与修改，同时该系统还提供了两种
基于WebGIS的数据查询方式，一种是基于空间数据的查
询，一种是基于属性数据的查询。其主要是在浏览器上对行
政区划、监测测站、雨量测站、以及旱情分布等空间数据进行
浏览查询。
6 结语
基于WebGIS技术的旱情监测及灾害评估管理系统通
过以网络为平台进行信息采集、旱情评估以及旱情分析信息
发布等，系统的三层体系结构(表示层、业务应用层、G1S
服务层和数据层)能够提高旱灾信息的采集、传递和使用
效率，并能高效、直观的反映出干旱灾情，对提高各级决
策部门的管理决策水平具有积极意义。该系统属于可扩
· 160 · 探讨与交流
周边管线安全控制参数提出了建议。
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展的模块化系统对于系统模块中存在的问题可以通过实
践进行一步的完善与创新，使其能在抗旱工作发挥其最
大的效能。
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