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1、华中科技大学 硕士学位论文 武汉长江隧道竖井施工对周围地下管线的影响 姓名：方华 申请学位级别：硕士 专业：岩土工程 指导教师：李国成 20070531 I 摘摘 要要 本文在参阅和总结前人的研究结果基础上，综合考虑了基坑开挖后基坑围护结 构、土体与地下管线的耦合变形作用，采用三维有限元法，运用数值模拟方法对基 坑开挖后管线的空间变形性状进行了较系统的分析研究。 （1）建立地下管线、土体以及基坑围护结构为一体的三维有限元模型。土体 采用八节点实体单元，围护结构采用八节点非协调单元，地下管线采用壳单元，土 体与连续墙和管线的相互作用采用接触面模拟，土体按土质进行分层处理，考虑分 步开挖，所建模型
2、和模拟过程能基本描述工程实际情况。 （2）运用所建模型探讨基坑开挖后，基坑周围地表变形和地层损失在不同工 况下的规律。 （3）运用所建模型对悬臂式围护结构基坑工程周围地下管线进行研究。以开 挖 6m 悬臂式基坑为例，分析了地下管线的管材、管径、埋深、距离基坑远近、下 卧层土质等因素对地下管线的影响规律，为基坑开挖工程中，科学实施地下管线保 护方法提供了可靠的理论依据。 （4）运用所建模型对武汉长江隧道江北内撑式围护结构基坑工程周围地下管 线进行研究。得出了基坑分步开挖、管材、地下管线埋深、距离基坑远近、管道外 径、管道壁厚、管线下卧层土质、多管道等因素对地下管线的影响规律。 （5）最后对武汉市
3、长江过江隧道江北竖井工程的地下管线进行了模拟监测对 比分析，由于模拟模型的局限性，并没有考虑地下水或地下水位对整个基坑开挖过 程的影响，计算结果与实测结果相对偏小，但整个计算结果规律说明有限元法可以 实现对地下管线安全性的成功预测，发挥指导设计施工作用。 关键词：关键词：长江隧道 深基坑 地下管线 有限元法 围护结构 II Abstract Based on the former study, the coupled action of retaining structure, soil and buried pipelines is considered in this paper，exam
4、ined by 3D finite element, use numerical simulation method to study the spatial deformation of buried pipelines systematically. The main content of this thesis is as follows: （1）3D finite element model with pipeline, soil and retaining structure is founded. Soil is analyzed by using solid element, n
5、on-conforming element to retaining structure, and the pipe is simulated by shell element. Contact surface simulation to the interaction of soil-retaining structure &buried pipelines, terreneness layer stratifying process to soil, take stepped excavation into account.The model in this paper can accor
6、d with the actual case. （2） Under different occasions after excavation, the regulation of surface deformation around the pit and strata lose is studied by the finite element model in this paper. （3）The pipeline nearby cantilever foundation pit is studied by the finite element model in this paper. Se
7、veral factors such as pipe material, buried depth of buried pipelines, distance form excavation, the outside diameter and wall thickness of pipelines, the elastic modulus of pipe to that of soil, etc.are analyzed. （4） The pipeline nearby the north braced foundation pit in Wuhan Changjiang tunnel is
8、studied by the finite element model in this thesis. And the disciplines of pipeline affected by stepped excavation, pipe material, buried depth, distance form excavation, the outside diameter and wall thickness of pipelines, the elastic modulus of pipe to that of soil, and the pipelines nearby itsel
9、f. （5）Finally, the north pit in Changjiang tunnel project is analyzed by the 3D FEM. The theoretical results will be smaller than the real values due to the limitation of simulation model and the effect of underground water. But the results and regulations can demonstrate that the Finite Element met
10、hod can predict the safety of buried pipelines, and guide the construction. Keywords: the ChangJiang tunnel deep excavation buried pipelines FEM retaining structure 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明
11、的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密 ， 在 年解密后适用本授权书。 不保密 。 本论文 1 1 绪绪 论论 1.1 引言引言 随着城市建设繁荣迅猛发展，开发
12、利用地下空间已成为我国城市现代化发展的 必然选择。但是各类地下工程的大规模兴建所带来的工程安全问题及其对周围环境 造成诸多不利影响的事例时有发生。以往城市地下工程的设计、施工多从强度、稳 定性方面考虑，但随着地下管越来越密集，而地下工程本身也在向大方向发展，所 以周围环境对地下工程施工的要求越来越高1。 地下工程，特别是深基坑工程向着深、大方向发展，且通常处于房屋和生命线 工程的密集地区，而这些处于基坑工程周边的地下管线抵抗不均匀变形的能力通常 是有一定的限度的。大量的地下工程建设实践表明，深基坑施工过程会给周围的地 下管网带来不同程度的影响。基坑施工会使周围的地层和地面产生变形，严重者会 造
13、成建筑物倾斜、不均匀沉降、开裂，甚至倒塌造成人员伤亡；即使对管径不大的 地下管线，也会因变形过大造成煤气泄漏、爆炸，水管爆裂形成水患，电缆断裂造 成停电或通讯中断等事故。这些都将严重危害生产建设和人民生命财产安全，造成 很大的直接和间接经济损失以及社会纠纷3。 由于基坑开挖引起各种的法律纠纷，已呈上升趋势，已引起人们的高度重视。 不能把基坑工程作为一个孤立的问题来考虑，仅侧重于基坑围护结构的强度控制， 是难于达到保护周围环境的目的的，而是要把基坑工程与周围环境作为一个整体系 统加以分析，所以应该从传统的强度控制拓宽到全面的控制。 除了要满足围护和支护结构的强度外，还要满足变形和稳定性的要求，同
14、时还 有地下水对基坑工程的影响等等。在软土区或周围环境要求较高的基坑工程往往由 变形和稳定性控制，即基坑在施工过程既要保证其安全、不失稳、又要保证其对周 围环境不造成破坏性影响。 因此，在城市地下工程以及在武汉长江隧道盾构竖井施工中，为保护地下管网 2 的正常使用和安全运营，对基坑工程加强理论研究，结合实际施工步骤完善基坑工 程的数值模拟，开展基坑工程变行性状研究，确定基坑开挖可能造成的影响范围和 沉降变形值，对进一步完善基坑工程的设计和施工，遏制和减少基坑工程事故的发 生具有十分重要的理论和现实意义。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 深开挖工程的位移与邻近地下管线的位移息息相关，这是因
15、为，基坑开挖导致 了基坑内土体应力释放，打破了土体原有的力学平衡，致使围护结构发生侧移，基 坑底部隆起，从而使墙后土体产生位移，带动了地下管线向坑内方向移动。因此， 要研究基坑开挖对地下管线的影响，首先就要研究围护工程的性状。下面就基坑工 程变形及基坑开挖与地下管线相互作用的研究现状进行阐述。 1、基坑变形研究现状 基坑开挖变形主要包括三个部分：围护结构位移、基坑内基底隆起和坑外地表 沉陷。研究证明这三方面是互相关联的，其中以墙后地表沉降对环境的影响最大， 也是研究的重点。 近几十年，国内外学者进行了大量对于深基坑开挖变形性状的研究工作，并已 取得了不少研究成果。 早在五十年代,Bjerrum
16、 和 Eide 就给出了分析深基坑底板隆起的方法。 Peck.R.B 教授在 1969 年对此问题作了较详细的研究，并在实践的基础上提出 了沉降影响曲线图，至今仍被广泛引用2。 Lame（1970 年）定性分析了影响坑周土体变形的各种因素，并将其归为八个 方面：基坑尺寸（长度、宽度、深度） ；土的工程性质；地下水条件；基 坑暴露时间；支撑系统；开挖和支撑的顺序；邻近基坑结构型式和设施； 活荷载。 Clough 和 Duncan（1971 年）首先将有限元法应用到基坑变形分析中，采用接 触面单元来模拟土体与挡土结构的相互作用，后经 Goodman 改进。 3 沉降 （） 基坑最大深度 离基坑的距离 基坑最大深度 3.04.02.01.0 1.5 2.0 1.0 0.5 0 图 1-1 地面沉降与距离关系（Peck,1969） 图中：区砂土或硬粘土，一般的施工工艺和施工质量； 区（a）软至非常软的粘土； （b）由于施工困难而造成施工质量较差； 区开挖面以下有相
