[发明专利]隧道开挖及爆破荷载作用下邻近埋地管道的力学分析模型及振速控制标准确定方法

说明书

本发明公开了一种隧道开挖及爆破荷载下邻近埋地管道的力学分析模型及其振速控制标准确定方法，力学分析模型包括隧道开挖卸荷和爆破扰动两种工况下的管道横、纵向力学模型，其振速控制标准通过力学分析模型的计算值与管道失效的理论值对比分析确定。其中，隧道开挖卸荷影响下的管道横向力学分析模型中埋地管道被视为土体弹性介质中的弹性圆环；隧道开挖卸荷影响下的管道纵向力学分析模型中管道被视为支撑于土体的Winkler地基梁；隧道爆破扰动影响下的管道被视为支撑于土体的粘弹性地基梁；管道失效理论值依据vonMises屈服准则确定。本发明实现了隧道开挖爆破对管道影响的定量分析，使得能够最大程度上发挥管道的材料性能，加快了隧道施工进度。

技术领域

本发明涉及隧道施工环境影响领域，特别是一种隧道开挖及爆破荷载作用下邻近埋地管道的力学分析模型及其振速控制标准确定方法。

背景技术

随着我国城市立体交通建设的不断推进，邻近既有埋地管道的隧道工程爆破开挖作业成为了影响管道安全运营的关键因素之一。为了保证施工中管道的运营安全，许多工程基于实践经验确定了管道地表质点的安全振速峰值，该值能够较好地指导临近隧道的爆破施工作业，一定程度上平衡了施工安全与施工进度的矛盾。

虽然在实际隧道临近既有管道的爆破施工中，已经逐步形成了上述结合工程经验的管道安全振速峰值确定方法，但由于缺乏理论的指导，其所给出的标准值仍较为保守，一定程度上限制了隧道施工的进度。在类似问题的相关理论分析中，绝大多数并未综合考虑隧道开挖所导致的施工沉降附加荷载、管道内压以及爆破荷载共同作用下管道的应力状态及动力特征，往往只是单独考虑爆破荷载的作用，而实际上一旦隧道发生开挖，对应管道的应力变形状态均已发生改变，加上内压和爆破荷载的耦合作用，将使得管道处于更加不利的受力状态，因此采用现有的理论分析流程势必高估了管道材料的抵抗能力，不利于管道的运营安全。

因此，如何建立隧道爆破开挖影响下邻近埋地管道的振速控制标准确定方法以平衡隧道爆破施工进度与管道运营安全的问题，是当前隧道施工环境影响领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种隧道开挖及爆破荷载作用下邻近埋地管道的力学分析模型及其振速控制标准确定方法，从理论上量化隧道开挖及爆破扰动两者耦合作用对管道的影响，从而突破现有管道安全振速标准的工程经验确定方法，能够考虑隧道开挖及爆破荷载耦合作用。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种隧道开挖及爆破荷载作用下邻近埋地管道的力学分析模型及其振速控制标准确定方法，所述埋地管道的力学分析模型包括隧道开挖卸荷和爆破扰动两种工况下的管道横、纵向力学模型，其振速控制标准通过力学分析模型的计算值与管道失效的理论值对比分析确定。其中，隧道开挖卸荷影响下的管道横向力学分析模型中埋地管道被视为土体弹性介质中的弹性圆环；隧道开挖卸荷影响下的管道纵向力学分析模型中管道被视为支撑于土体的Winkler地基梁；隧道爆破扰动影响下的管道被视为支撑于土体的粘弹性地基梁；管道失效理论值依据vonMises屈服准则确定。

所述振速控制标准确定方法包括以下步骤：

(1)建立隧道开挖影响下的管道横向力学分析模型，计算得到土体外荷载作用下管道的环向及径向应力值；考虑管道内压作用，结合弹性力学理论得到管道内压作用下管道的环向应力值及径向应力值；将两者所得同向应力进行叠加，得到隧道开挖影响下管道的横向应力分布状态；

(2)建立隧道开挖影响下的管道纵向力学分析模型，引入矿山法隧道开挖下管道的纵向peck沉降方程，计算得到隧道开挖影响下管道附加的轴向弯曲应力值；考虑管道内压作用，结合弹性力学理论得到管道内压作用下管道的轴向拉伸应力值，将两者进行叠加得到隧道开挖影响下管道的轴向应力分布状态；

(3)建立有限元粘弹性地基梁模型，引入以柱状药包理论为基础确定的管道外部激励荷载关系式，计算得到爆破扰动作用下管道的纵向应力分布状态以及竖向振速的变化规律；