隧道施工中地下管线与土层相互作用的理论与试验研究

Interaction between soil and buried pipelines, both continuous and jointed pipelines, is investigated, and a methodology is proposed to compute the deformation and internal forces of the pipelines affected by tunnel excavation. Taking into account soil-pipeline separation, axial tensile force and large deformation of the pipeline, control differential equation to describe the deformation of the pipeline is derived out. Both analytical and numerical solutions for the differential equation are approached and compared. The definition of the soil-pipe relative rigidity factor is modified. Proper values of the factor are figured out and can be used to tell a pipeline being a rigid line, an elastic line or a soft one. Finite element method is employed to simulate the deformation behavior of continuous and jointed pipelines, and the influences of tunnel size, buried depth of the pipe, soil-pipe relative rigidity and the angle between tunnel axis and the pipeline on the deformation of the pipe are discussed. Centrifugal model tests are performed on rigid, elastic and soft pipelines to probe into soil-pipe interaction. Typical subway tunnels are selected to do case studies, where the movement of soil and pipelines are measured. Knowledge coming out of numerical simulation, centrifugal tests and in-situ instrumentation will contribute in promoting the analytical model. This research will improve our understanding to the regulation of interaction of soil and pipelines, and will also enhance the accuracy and applicability of the calculation method for buried pipelines.

针对匀质和有接头两种地下管线，研究管线与土层的相互作用，建立因隧道开挖引起的地下管线变形和内力的计算方法。具体研究内容包括：考虑管土分离、轴向拉力和大变形，推导地下管线变形的控制微分方程。探求控制微分方程的解法，进行不同方法求解精度的比较。确定管土相对刚度系数的定义，提出划分刚性管线、弹性管线和柔性管线的刚度系数值。考虑不同隧道尺寸、不同管线埋深、不同管土相对刚度、不同管线与隧道轴线交角，对匀质管线和有接头管线进行变形和受力的数值模拟。针对刚性、弹性和柔性三种类型管线，开展管土相互作用的离心模型试验。选择典型地铁工点，实地测量土层变形和管线变形。根据数值模拟、模型试验和现场实测结果，对理论模型进行修改完善。本项目研究的意义在于更全面掌握管线与土层的相互作用规律，提高地下管线计算方法的准确性和适用性。

随我国城市地下工程建设的深入，地下开挖临近和穿越地下管线的频率越来越高；同时，地下管线作为城市居民生产和生活的生命线，为了保障这一生命线的安全，迫切需要对地层荷载作用下地下管线变形和内力进行准确计算，做出科学的评估和判断，以减小地下工程建设对既有构筑物及城市居民生产和生活的影响。. 研究了管线与土层的相互作用，建立了因隧道开挖引起的地下管线变形和内力的计算方法。完成的具体研究内容包括：考虑管土分离、轴向拉力和大变形，推导了地下管线变形的控制微分方程。对控制微分方程进行了近似解法和级数解法的求解，确定管土相对刚度系数的定义，提出划分刚性管线、弹性管线和柔性管线的刚度系数值。考虑不同隧道尺寸、不同管线埋深、不同管土相对刚度，进行了管线变形和受力的数值模拟。针对刚性、弹性和柔性三种类型管线，开展了管土相互作用的离心模型试验。选择北京地铁两个典型工点，实地测量了土层变形和管线变形。根据数值模拟、模型试验和现场实测结果，对理论模型进行了修改完善。. 通过项目研究，就管土共同作用的规律，得出下列结论：. (1) 在土层沉降曲线为Peck曲线的情况下，管线沉降曲线也符合Peck曲线。. (2) 轴力增加了管线抵抗竖向变形的能力，因此随变形的增大，管线沉降、弯矩和剪力的大变形解均比小变形解要小。. (3) 在管线和土层的沉降较小时，大变形解与小变形解基本相等；随着沉降的增加，管线轴力和一维度规呈非线性地增大，小变形解的计算误差也迅速增大。. (4) 根据管土刚度系数K判断管线的类型为：当K<0.1时，为柔性管线；当K>100时，为刚性管线；当0.1≤K≤100时，为弹性管线。. (5) 理论计算结果、数值模拟结果、离心模型试验结果及现场监测结果，具有很好的一致性。. 通过项目研究更全面地掌握了管线与土层的相互作用规律，提高了地下管线计算方法的准确性和适用性。