地铁施工中地下管线渗漏诱发工程灾变机理与控制研究

近年来，地铁施工中管线渗漏诱发的地层坍塌事故频繁出现。究其重要原因如下，给排水管线往往存在初始渗漏，渗漏水弱化了管周土体力学性质，地铁施工扰动管周土体加大了管线渗漏，管线渗漏又进一步促使管周土体力学性质的弱化，如此反复相互作用，直至管线破裂涌水或管周土体进入饱和状态，容易发生地层坍塌事故。鉴于目前对于地铁施工中管线渗漏诱发工程灾变机理及控制研究还不深入，工程中对此类事故的安全评价缺乏完善的理论基础和具有针对性的控制措施，本研究在分析典型事故特点的基础上，综合运用管线渗漏理论、施工土体扰动理论、饱和土体稳定性分析方法、散体介质理论颗粒流方法和试验方法，研究地铁施工扰动对于管线渗漏灾变的影响规律以及管线渗漏诱发工程灾变的发展机理；建立渗漏管线及管周土体失稳判据及相应的地铁工程安全评价系统；最后提出控制地铁施工中管线渗漏诱发工程灾变的应对措施体系。项目研究具有重要应用价值和工程意义。

在进行国内外相关资料调研的基础上，主要采用理论分析、数值计算和测试研究相结合的方法，研究了地铁施工管线响应、管线保护和渗漏管线诱发地层坍塌等技术问题，主要成果如下：1）建立了评价大直径管线与周围土体相互作用的简化方法。基于温克尔假定和土体弹簧支座位移简单判据，研究了大直径刚性管线-土体的相互作用。在土体弹簧支座位移等于零或近似为零的情况下，管线上相应网格点处的位置将会与下部土体脱开；反之，管线和土体保持接触。建立了最大地表沉降变形位移标准，用于判断管线与下部土体是否脱开。研究给出了一种管线-土体相互作用判别方法，可应用于隧道施工引起地层变形易于发现的地方。2）采用两阶段分析法研究了管线渗漏及对隧道开挖地层变形的影响。具体结论为：（1）土层饱和状态渗透系数影响管线渗漏扩散范围，随着地层饱和渗透系数的增加，渗流速率增加，达到稳定渗流的时间缩短，给出了其与管线渗漏影响范围的关系列表。（2）管线渗漏水影响范围随着管线给水压力增大而增加，在水土特性函数确定的情况下，管线渗漏水压力与影响范围大致成指数关系。对于排水管线，其渗漏影响范围不随管线渗流量变化而改变，管线渗漏水渗流量的改变只会影响土层达到渗流稳定的时间。（3）讨论了管线隧道不同位置情况下，管线渗漏水对隧道周围地层变形的影响。管线距离隧道愈近，对地层变形的影响愈大。管线位于隧道正上方为最不利位置。3）结合实际工程，研究了地铁施工中邻近管线受地铁施工的力学响应。基于地表和管道沉降的实测数据，建立了“车站结构—地层—管线”三维耦合有限元模型，研究了车站洞桩法施工对地层和管道的影响。采用主从接触面有限滑移方法模拟管线与土体相互作用，并利用两节点连接单元约束模型模拟柔性接头管道的接头变形，获得了车站洞桩法施工对地表沉降和邻近柔性接头管道沉降、变形、应变、接头转角和脱开的影响规律。4）广泛分析研究了地铁施工邻近管线保护措施。（1）在分析管线渗漏诱发地铁工程事故原因的基础上, 建立了一整套技术措施体系。在这个措施体系中, 共包括给排水管线现状调查、给排水管线安全评估、管线渗漏地层饱和范围分析、监控量测、管线保护综合技术措施和工程应急预案建设共六方面内容。（2）结合实际工程案例，系统研究了盾构隧道施工中的注浆技术（同步注浆、二次补浆等）、掘进参数（土仓压力、刀盘转速、渣土改良、出土量、同步注浆量、推进速度等）选取技术以及顶升控制技术。