地铁施工中地下管线渗漏诱发工程灾变机理与控制研究

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。 2100433B

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。

近年来，我国地铁隧道施工中地面塌陷事故频发，造成了人民生命财产的重大损失。本研究在统计分析大量地面塌陷事故案例的基础上，采用模型试验、颗粒离散元模拟和理论分析等研究手段，揭示了地铁隧道施工中管线渗漏及地层空洞失稳诱发地面塌陷的灾变机理及影响因素，建立了隧道上覆地层失稳判据及地面塌陷灾变预测模型，为地面塌陷的科学防控提供重要的理论支撑。主要研究成果如下：（1）通过对北京地铁隧道施工诱发的地面塌陷事故统计分析，明确了地层空洞和管线渗漏水是隧道施工过程中地面塌陷的主要诱发因素，并将地面塌陷按形成方式划分为3种类型。（2）空洞的存在加速了地层破坏的发展进程，空洞与隧道空间位置关系对地层破坏有重要影响，隧道正上方的空洞受隧道开挖影响最大也最易失稳诱发地面塌陷；空洞直径越大，地层失稳破坏越剧烈，瞬时性越强；空洞群的存在使地层失稳破坏速度加快，但空洞自身的破坏形式并没有因为空洞群的存在而产生太大变化。（3）管线渗漏水弱化了地层的物理力学参数，削弱了隧道上覆地层的成拱效应；随着管线渗漏水范围的扩大，即使隧道不开挖其引起的地表沉降现象也越来越明显，地表沉降值和沉降范围也随之增大；管线渗漏范围的偏移会导致地表沉降最大点和地表沉降范围的偏移，同时也会导致地表塌陷位置的偏移；管线渗漏水范围会随着管线内水压力的增大而增加，由此导致的隧道开挖后地层破坏范围也相应的增大。（4）基于突变理论，建立了城市隧道施工诱发地面塌陷的预测模型，利用该模型可计算得到隧道上覆地层厚度的临界值，并将该临界值作为地面塌陷发生与否的判据；基于预测模型给出了地面塌陷的影响因素，并分析了各因素的影响规律；理论预测结果和现场实测数据基本吻合，验证了地面塌陷预测模型的合理性。（5）基于霍克-布朗破坏准则，采用泛函突变理论建立了浅埋隧道地面塌陷的突变模型，通过理论分析计算，建立了系统的总势能函数，进而推导给出了浅埋隧道坍塌体形状曲线的解析解；基于浅埋隧道坍塌的泛函突变模型，分析了围岩参数对坍塌体形状曲线的影响规律，并提出了深、浅埋隧道临界埋深的判据。 2100433B

本项目通过三年的研究工作，已完成项目计划内容，并取得了一系列研究成果。 本项目从汶川地震收集的山岭隧道震害资料出发，统计分析了汶川地震中山岭隧道的震害资料，提出了山岭隧道抗震风险层次分析模型，深入调查了受损隧道的地质构造情况，研究了跨断层隧道的震害特征，并系统描述了跨断层隧道的震害形态。 通过断层活动与地震耦合作用下隧道—断层体系的灾变机理研究，提出了采用损伤指标和能量指标分析隧道—断层体系的非线性反应，建立起基于损伤指标和能量指标的隧道—断层体系的安全性评价体系。并提出了在隧道断层处设置结构构造的措施。 根据穿越活动断层隧道的地震动力响应特性，分析了不同影响因素下隧道纵向抗震设防长度，数值模拟结合振动台试验，提出了分级量化指标。根据震害调查分析及模拟结果，对断层区隧道的抗震设防进行了分段，根据不同位置制定了不同的对策措施，并且通过现场测试验证，修改完善了设防体系，最终提出了跨断层隧道抗震设防应用性设计参数。 发表学术论文10篇，其中SCI收录2篇，EI收录7篇，部分研究成果发表在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》（SCI收录）、《Disaster Advances》（SCI收录）、《中南大学学报（自然科学版）》(EI收录)、计算力学学报学报(EI收录)、土木工程学报(EI收录)及《现代隧道技术》(EI收录)等国内外期刊上。另外，发表学术专著一部，并获得大连市人民政府资助出版。 2100433B

本书介绍了膨胀土地区地铁建设的工程问题。本书以南宁地铁为依托工程，通过膨胀土地区地铁车站、区间隧道结构与膨胀土相互作用的大型模拟试验研究，剖析胀缩性岩土区地铁隧道的膨胀作用机理；以大型有限元软件为手段，对膨胀土吸水膨胀作用下地铁隧道衬砌结构的变形破坏机制、变形与力学行为进行研究。在上述基础上，提出膨胀土地区地铁工程病害的控制措施，为膨胀土地区地铁建设提供理论依据和参考。