1.3地下管线的破坏模式及允许变形值

　　考察地下管线在地层移动及变形作用下的主要破坏模式，一般有两种情况：一是管段在附加拉应力作用下出现裂缝，甚至发生破裂而丧失工作能力;二是管段完好，但管段接头转角过大，接头不能保持封闭状态而发生渗漏。管线的破坏可能主要由其中一种模式控制也可能两种破坏同时发生：对于焊接的塑料管与钢管由于接头强度较大可能只需计算其最大弯曲应力就能预测管线是否安全;但对于铸铁管及球墨铸铁管，尤其是对运营年代长的铸铁管，由于其管段抗拉能力差且接头处柔性能力不足，两种破坏模式均有可能出现。

　　文献[1]定义了隧道施工引起的地下管线破坏模式：一、柔性管(主要为钢管及塑料管)由于屈服或绕曲作用产生过度变形而使管段发生破裂;二、刚性管(主要为脆性灰铁管线)破坏的主要模式有(1)由纵向弯曲引起的横断面破裂，(2)由管段环向变形引起的径向开裂，(3)管段接头处不能承受过大转角而发生渗漏。高文华认为，对于焊接的大长度钢管的破坏主要由地层下降引起的管线弯曲应力控制;对于有接头的管线，破坏主要由管道允许张开值△和管线允许的纵向和横向抗弯强度所决定[6]。

　　为保证隧道掘进过程中邻近管线的安全，现行的一般作法是控制管线的沉降量，地表倾斜及管接缝张开值。这些控制值的确定是基于若干规范和工程实践经验确定的，具有相当程度的可靠性。然而，在实际工程应用中存在地下管线的变形和应变不易量测以及对柔性接头管线的接头转角无法实测的尴尬。并且，由于没有统一的理论控制标准，使得这些控制值的确定带有一定的随意性，缺乏理论研究成果。Molnar综合前人研究成果，通过理论计算与实测资料相比较给出了各类管线的允许弯曲应力与允许接头转角值，可为进一步研究提供参考[2]。

　　1.4地下管线隧道施工影响下的变形

　　隧道施工引起的地下管线影响因素较多，对于地下管线进行准确的受力变形分析理论分析是地下管线保护研究的基础，目前对地下管线的受力变形计算研究主要有解析法与数值模拟法两种。

　　1.4.1解析法

　　Attewell基于Winker弹性地基模型提出隧道施工对结构与管线的影响评价方法。根据管线位置与地层运动方向的不同，分别计算了管线垂直与平行地层运动时管线的弯曲应力与接头转角，研究了大直径与小直径管线在地层运动下不同的反应性状，讨论了理论分析的实际应用可行性，给出了管线设计方法，是较早的比较系统的研究成果[1]。廖少明、刘建航也基于弹性地基梁理论提出地下管线按柔性管和刚性管分别进行考虑的两种方法[7]，其计算模型如图1，建立地下管线的位移方程如下：

　　图1弹性地基梁计算模型

　　(1)

　　式中：，K为地基基床系数，;

　　Ep-管道的弹性模量;

　　Ip-管道的截面惯性矩;

　　q-作用在管道上的压力。

　　对于柔性地下管线，他们认为此类管线在地层下沉时的受力变形研究可以从管节接缝张开值、管节纵向受弯及横向受力等方面分析每节管道可能承受的管道地基差异沉降值，或沉降曲线的曲率。

　　高田至郎等根据弹性地基梁理论将受到地基沉降影响的四种情形下的地下管线进行模型化处理，提出了计算管线最大弯曲变形、接头转角、最大接头伸长量的设计公式[8]。段光杰根据Winker地基反作用模型，讨论了由隧道不同施工方法引起的地层损失对周围地下管线的影响，在管线处的地层径向变形和地层轴向变形两种影响下，分别归纳总结了管线垂直于隧道轴线和平行于隧道轴线两种位置情况下，管线变形、应变和转角等参数与地表最大沉降值的关系[9]。高文华利用Winker弹性地基梁理论分析了基坑开挖导致的地下管线竖向位移和水平位移，推导了相应的计算公式;讨论了引起地下管线变形的因素：基床系数、沉陷区长度及地下管线对应的地表沉陷量。给出了不同管线变形控制标准及安全度评价准则[6]。

　　基于以下两种假设，一是假设管线是连续柔性的，当管线随土体移动时只在管段上产生弯曲而不在接头处产生转角，由于管段轴向位移很小，认为管线移动时不发生轴向应变，管线弯曲服从Bernoulli-Navier理论;二是假设管段是刚性的，管线移动所产生的位移全部由接头转角提供，接头不产生抵抗力矩，允许接头自由转动，接头转角只在纵向产生，认为管线上扭矩为零，Molnar推导了地下管线在周围土体发生移动时的弯曲应力及接头转角计算公式，分别为[2]：

　　(1)弯曲应力的计算公式：

　　图2管线弯曲应力计算模型[2]

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