隧道开挖引起地下管线变形和安全性状的研究

论文摘要

城市轨道交通的大规模建设,对城市既有地下环境造成了很大的影响,因地铁隧道开挖引起地下管线破坏的事故屡见不鲜。隧道开挖扰动地层岩土环境,从而改变管线受力状态,引起管线变形递增。当变形超速或超量时,将导致管线破坏事故,地铁施工引起地下管线变形的安全性状问题日益受到关注。论文从隧道开挖扰动下地下管线的安全监控与评估入手,基于实测数据研究了地下管线变形的分析方法;采用数值模拟方法研究了隧道开挖过程中,管线变形与地表沉降的变化规律及其相互关系;提出了基于管线壳体模拟的管线变形预测方法。根据地下管线沉降的实测数据反算其曲率及应力,分析了三点共圆法求算管线曲率存在的缺陷和不足,提出利用多项式曲线拟合法求算管线变形曲率的方法,并验证了可靠性。利用FLAC3D有限差分程序,针对隧道开挖过程中不同材质、不同埋深的地下管线在不同地层损失率情况下的变形进行了三维模拟,得出了管线与地表沉降之间的关系经验公式。在已知土体位移变化规律的前提下,提出基于管线壳体模拟的管线变形预测方法,并与梁结构的弹性连续解法进行对比,论述了壳体模拟用于低刚度管线的准确性,也验证了梁结构用于高刚度管线的可行性。综合上述成果,完善了地下管线安全评估体系,并在实际工程案例中加以应用,同时还进一步验证了壳体模拟预测方法和管线沉降经验公式的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究现状及进展
• 1.2.1 隧道开挖引起的土体变形
• 1.2.2 隧道开挖引起的管线变形
• 1.2.2.1 管线破坏模式与安全评判指标
• 1.2.2.2 管线变形的预测
• 1.2.2.3 管线变形的数值模拟
• 1.3 存在的问题
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 地下管线安全评判指标
• 2.1 地下管线简述
• 2.2 地下管线的变形监测
• 2.2.1 管线资料收集与调查
• 2.2.2 管线监测原则与方法
• 2.2.3 管线监测布点
• 2.3 管线变形安全评判指标与控制标准
• 2.3.1 管线沉降控制标准
• 2.3.2 管线弯曲应力
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于实测数据的地下管线变形研究
• 3.1 三点共圆求算管线曲率
• 3.1.1 数学原理
• 3.1.2 适用性及相关问题探讨
• 3.1.2.1 测点间距对管线曲率计算的影响
• 3.1.2.2 监测误差对管线曲率计算的影响
• 3.2 曲线拟合求算管线曲率
• 3.2.1 多项式曲线拟合原理
• 3.2.2 多项式次数选择及因次分析
• 3.2.3 曲线拟合法的优点及应用
• 3.3 工程案例应用
• 3.3.1 工程概况
• 3.3.2 数据分析与安全评估
• 3.3.3 警情处理
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于数值模拟的地下管线变形与地表沉降关系研究
• 4.1 引言
• 4.2 FLAC3D 理论基础
• 4.2.1 材料本构模型
• 4.2.2 FLAC3D 程序应用
• 4.2.2.1 空间导数的有限差分近似
• 4.2.2.2 节点运动方程
• 4.2.2.3 增量形式的本构方程
• 4.2.2.4 时间导数的有限差分近似
• 4.2.2.5 阻尼力
• 4.3 数值建模与模型验证
• 4.3.1 隧道开挖效应模拟
• 4.3.2 地层损失率的模拟
• 4.3.3 模型验证与分析
• 4.3.3.1 离心模拟试验
• 4.3.3.2 数值模拟试验
• 4.3.3.3 数值模拟与离心试验结果比较
• 4.4 管线与土体变形关系研究
• 4.4.1 试验工况与计算模型
• 4.4.1.1 试验工况
• 4.4.1.2 计算模型
• 4.4.2 计算结果分析与讨论
• 4.4.2.1 土体与管线垂直位移特性
• 4.4.2.2 地表与管线沉降槽曲线特性
• 4.4.2.3 管线沉降拟合公式
• 4.5 基于壳体模拟的管线变形预测方法
• 4.5.1 基本假设
• 4.5.2 计算方法
• 4.5.3 结果讨论与对比分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 地下管线安全评估体系
• 5.1 信息采集
• 5.2 保护预案
• 5.3 安全评估
• 5.4 防控措施
• 5.5 工程案例应用——深圳地铁5 号线深民区间下穿梅龙路燃气管线
• 5.5.1 案例工点概况
• 5.5.2 管线保护与施工监测
• 5.5.3 梅龙路燃气管线安全评估
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 程序一：离心试验模拟程序
• 程序二：管线数值试验模拟程序
• 程序三：管线壳体模拟预测程序
• 致谢
• 详细摘要