新建地鐵污水管道分析范文

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1隧道施工中污水管的安全性分析

為便于分析，將模型中部斷面，即Z＝25m處斷面作為監(jiān)測(cè)斷面。同時(shí)為消除邊界影響，提取既有管道監(jiān)測(cè)面前后各10m范圍內(nèi)計(jì)算數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象不同工況下，既有污水管底板縱向和橫向應(yīng)力分布情況如圖3、圖4所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)左線隧道開挖開挖至監(jiān)測(cè)面位置時(shí)，監(jiān)測(cè)面前方10m范圍內(nèi)，縱向拉應(yīng)力值均大于120kPa，根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，M10水泥砂漿的極限抗拉強(qiáng)度約為220kPa，考慮到污水管已使用60a以及可能存在滲水的影響，其極限抗拉強(qiáng)度應(yīng)進(jìn)行折減50％，研究中按110kPa考慮?？梢姡诒O(jiān)測(cè)面前方10m范圍內(nèi)，底板縱向拉應(yīng)力值均超過(guò)了水泥砂漿的極限抗拉強(qiáng)度，橫向拉應(yīng)力主要集中在底板中部，且在監(jiān)測(cè)面處橫向水平應(yīng)力達(dá)到最大值160kPa，也超出了水泥砂漿的極限抗拉強(qiáng)度，因此，左線隧道的開挖過(guò)程中，既有污水管的底板存在縱向和環(huán)向開裂的風(fēng)險(xiǎn)。右線開挖至監(jiān)測(cè)面時(shí)，在監(jiān)測(cè)面前方5～10m范圍內(nèi)縱向應(yīng)力均超出了水泥砂漿的極限抗拉強(qiáng)度。

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，右線隧道的開挖雖然在一定程度上可緩解既有管道結(jié)構(gòu)的受拉程度，但在新建隧道掌子面近區(qū)前方位置既有管道的受拉破壞風(fēng)險(xiǎn)仍不能忽視。不同工況下，既有污水管邊墻縱向應(yīng)力分布情況如圖5、圖6所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，在新建隧道的開挖過(guò)程中，既有污水管邊墻的縱向應(yīng)力分布與底板有明顯不同。當(dāng)左線隧道開挖至監(jiān)測(cè)面位置時(shí)，對(duì)于既有污水管左邊墻和右邊墻，均會(huì)在監(jiān)測(cè)面附近出現(xiàn)應(yīng)力集中。右邊墻在監(jiān)測(cè)面位置的縱向拉應(yīng)力達(dá)到389kPa，而左邊墻在監(jiān)測(cè)面位置的縱向拉應(yīng)力達(dá)到338kPa，均已超過(guò)水泥砂漿的極限抗拉強(qiáng)度。右線隧道開挖至監(jiān)測(cè)面位置時(shí)，既有污水管邊墻的縱向應(yīng)力分布與左線隧道開挖至監(jiān)測(cè)面位置時(shí)邊墻的縱向應(yīng)力分布相比，也有所不同。右線開挖至監(jiān)測(cè)面位置時(shí)，對(duì)于左邊墻和右邊墻，均會(huì)在監(jiān)測(cè)面前方10m處（而非監(jiān)測(cè)面附近位置）出現(xiàn)應(yīng)力集中，縱向應(yīng)力均已超出水泥砂漿的極限抗拉強(qiáng)度，因此左右線隧道的施工會(huì)導(dǎo)致既有污水管邊墻環(huán)向拉裂的風(fēng)險(xiǎn)。不同工況下，既有污水管拱部縱向應(yīng)力分布情況如圖7、圖8所示。對(duì)于既有污水管拱部，左線隧道開挖會(huì)在監(jiān)測(cè)面附近位置出現(xiàn)縱向拉應(yīng)力集中，在監(jiān)測(cè)面位置縱向拉應(yīng)力達(dá)到796kPa，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了水泥砂漿的極限抗拉強(qiáng)度，而右線隧道開挖，監(jiān)測(cè)面后方10m位置縱向拉應(yīng)力達(dá)到260kPa，也超出了水泥砂漿的極限抗拉強(qiáng)度。與污水管底板和邊墻不同，拱部的縱向壓應(yīng)力出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)面前方5～10m范圍內(nèi)，且壓應(yīng)力值不大。

2隧道施工中的污水管縱向不均勻沉降

由于新建隧道距離既有污水管道較近，隧道開挖不可避免地會(huì)導(dǎo)致污水管縱向產(chǎn)生不均勻沉降，如果不均勻沉降值過(guò)大，將嚴(yán)重影響既有污水管道的安全。為便于分析污水管縱向沉降規(guī)律，仍將模型中部斷面，即Z＝25m處斷面作為監(jiān)測(cè)斷面。同時(shí)為消除邊界影響，提取既有管道監(jiān)測(cè)面前后各10m范圍內(nèi)計(jì)算數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象，分別研究既有污水管邊墻、拱部和底板在縱向的沉降分布。

2.1隧道施工中邊墻的不均勻沉降既有污水管道右邊墻縱向沉降分布情況如圖9所示?？梢钥闯?，在左線開挖過(guò)程中，由于污水管道離左線隧道很近，在左線隧道施工過(guò)程中，加固圈靠近管道，受加固圈的影響，左線隧道開挖后，右邊墻整體發(fā)生向上的位移。在監(jiān)測(cè)面處位移值最大，約為1．4cm。管道由于離右線隧道較遠(yuǎn)，右線開挖已基本消除加固圈的影響，管道整體開始下沉。監(jiān)測(cè)面（上臺(tái)階掌子面）后方沉降值較大，前方沉降較小?？v向不均勻沉降值1．3cm。

2.2隧道施工中拱部的不均勻沉降污水管拱部縱向沉降分布情況見圖10所示。拱部縱向不均勻沉降的變化規(guī)律與邊墻基本相同。左線施工中，污水管由于離左線較近，受其超前加固的影響，拱部中間位置產(chǎn)生上移，位約為1．4cm。右線開挖時(shí)，由于污水管離右線距離較遠(yuǎn)，基本消除了相互影響，掌子面后方沉降較大，前方沉降較小，縱向最大不均勻沉降1．3cm。

2.3隧道施工中底板的不均勻沉降既有污水管底板縱向沉降分布情況見圖11。底板的縱向不均勻沉降規(guī)律與邊墻和拱部一致，沉降受左線開挖的影響較大。右線的開挖底板最大縱向不均勻沉降1．3cm。

3縱向不均勻沉降與縱向應(yīng)力分布的關(guān)系

經(jīng)觀察分析可知，對(duì)于污水管底板、邊墻和拱部，縱向不均勻沉降和縱向應(yīng)力的分布變化規(guī)律一致。以底板為例，提取底板路徑上的縱向應(yīng)力和縱向不均勻沉降，不均勻沉降與縱向應(yīng)力分布見圖12、圖13?？梢?，縱向不均勻沉降是導(dǎo)致縱向應(yīng)力調(diào)整的直接原因。對(duì)于底板和邊墻，監(jiān)測(cè)面前方距監(jiān)測(cè)面越遠(yuǎn)沉降較小而縱向拉應(yīng)力越大，拱部最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)面后方，如果能減小由于隧道開挖造成的污水管縱向不均勻沉降，可以有效減小縱向拉應(yīng)力的集中。

4隧道施工中的穩(wěn)定性問(wèn)題

由于新建隧道埋深較淺（僅9．3m），各土層物理力學(xué)參數(shù)較低，隧道開挖過(guò)程中可能存在穩(wěn)定性問(wèn)題。加上左右兩線隧道距離較為接近（僅15．7m），隧道施工過(guò)程中左右兩線也存在相互影響問(wèn)題?，F(xiàn)從隧道開挖的變形響應(yīng)及塑性區(qū)兩方面對(duì)隧道穩(wěn)定性進(jìn)行研究。6．1隧道開挖的變形響應(yīng)左線拱頂沉降、水平收斂和底部隆起與開挖的關(guān)系見圖14～圖16。左線開挖初期，拱頂沉降值不大，且沉降速率較小，當(dāng)開挖至監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，拱頂沉降急劇增大，之后沉降速率開始降低至0，左線速到開挖完畢，拱頂沉降穩(wěn)定在3．7cm。水平位移當(dāng)開挖至監(jiān)測(cè)斷面時(shí)開始急劇增大，達(dá)到2cm。之后水平位移速率降低至0，至左線開挖完成，基本穩(wěn)定在2cm。由于受右線隧道的影響，右線開挖使左線水平位移發(fā)生5mm。至兩線貫通，左線水平位移穩(wěn)定在2．5cm左右。底部隆起初期較小，基本為0，當(dāng)開挖至監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，底部隆起值開始急劇增大，達(dá)到14cm。之后隆起變形速率降低至0，底部隆起至左線開挖完成，基本穩(wěn)定在14cm。右線拱頂沉降、水平收斂和底部隆起與開挖的關(guān)系見圖17～圖19。右線開挖過(guò)程初期，拱頂沉降速率較小，當(dāng)開挖至監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，拱頂沉降急劇增大，之后沉降速率開始降低至0，全線開挖完畢，拱頂沉降穩(wěn)定在3．5cm。水平收斂初期較小，當(dāng)左線開挖至25m時(shí)，右線隧道水平收斂受到影響，約為5mm。當(dāng)開挖至右線監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，水平位移開始急劇增大，達(dá)到2．5cm。之后水平位移速率降低至0，水平位移至全線開挖完成，基本穩(wěn)定在2．5cm。右線開挖初期，底部隆起當(dāng)開挖至監(jiān)測(cè)斷面時(shí)開始急劇增大，達(dá)到13cm。之后隆起變形速率降低至0，底部隆起至右線開挖完成，基本穩(wěn)定在13cm。6．2塑性區(qū)圖20開挖完成后的塑性區(qū)最終區(qū)間隧道全部挖通以后隧道塑性區(qū)云圖見圖20。隧道開挖過(guò)程中，會(huì)在拱腳處出現(xiàn)塑性區(qū)。且范圍較大。左右兩線由于相隔較近，塑性區(qū)在拱腳位置貫通，因此拱腳為開挖過(guò)程中的薄弱部位，應(yīng)重點(diǎn)加固。

5結(jié)論

（1）既有污水管受隧道開挖影響，會(huì)產(chǎn)生縱向不均勻沉降，不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致掌子面前方10m范圍內(nèi)污水管底板、邊墻和拱部縱向拉應(yīng)力超出水泥砂漿的極限抗拉強(qiáng)度，掌子面前方10m范圍內(nèi)污水管在隧道施工中存在重大安全隱患。（2）由于既有污水管縱向不均勻沉降是導(dǎo)致縱向拉應(yīng)力集中的主要原因，施工中應(yīng)控制掌子面前方地層的不均勻沉降。建議超前支護(hù)措施改用超前大管棚，管棚長(zhǎng)度20m，掌子面后方污水管也存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此建議采用徑向小導(dǎo)管注漿，以改善地層。（2）區(qū)間隧道開挖過(guò)程中，可能受污水管滲水影響，加之兩線隧道距離較近，塑性區(qū)會(huì)在隧道中間巖體處貫通，施工中應(yīng)對(duì)中間巖體進(jìn)行加固。

作者：王慶磊李文江孫洪碩劉陽(yáng)單位：石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院