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城市隧道施工对临近地下管线影响研究现状及发展
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内容提示：随着地下工程的不断增加，国内外对城市隧道施工引起邻近地下管线损害的研究日益重视。本文从地下管线初始应力、管-土相互作用、管线破坏模式及允许变形值、管线变形计算方法四个方面综述了隧道施工对邻近地下管线影响研究的现状，提出了今后研究的重点。
摘要：随着地下工程的不断增加，国内外对城市隧道施工引起邻近地下管线损害的研究日益重视。本文从地下管线初始应力、管-土相互作用、管线破坏模式及允许变形值、管线变形计算方法四个方面综述了隧道施工对邻近地下管线影响研究的现状，提出了今后研究的重点。
关键词：隧道施工 地下管线 环境影响
1.前言
城市隧道（主要是地铁工程及各类市政地下工程）施工往往处于建筑物、道路和地下管线等设施的密集区，从而导致城市隧道建设中各种工程环境公害问题日益突出。因而在城市隧道施工中，必须保证施工对于已有的设施所造成的影响危害在允许的范围内。特别是各种地下管线由于种类繁多，管线材质、接头类型及初始应力各异，加之分属部门不同，执行保护标准有差异，更加大了隧道施工中管线保护的难度。（参考《建筑中文网》）
作为城市环境保护的一个新兴课题，许多国内外学者都对城市地下施工对邻近管线的影响研究作了很多工作，得出许多有意义的结论，为科学评价城市隧道施工对邻近管线的影响提供了一定的理论基础。本文综述了城市隧道施工对邻近管线影响的研究现状及进展并对进一步研究重点提出看法。
2.国内外研究现状
2.1 地下管线初始应力
城市隧道开挖之前地下管线就承受的应力称为管线的初始应力[1]，它是由管道内部工作压力、上覆土压力、动静荷载、安装应力、先期地层运动及环境影响等因素共同作用的结果。一般说来，管线安装垫层没有充分压实或由于其他原因导致不均匀沉降，管线就会出现管段应力增加或接头转角增大现象；管道内外压力不同会导致管段产生环向应力；上覆土压力与动静荷载的作用会使管段横断面趋于椭圆，同时伴随管段应力的改变；同样，管线埋置土层的不同也会导致管身不同的应力状态：比如，管线埋置于温差较大的土层就会使管身产生应变，而管线周围土体湿度的变化也会引起管身的腐蚀从而降低管线的强度。
Taki与O’Rourke分析了作用在铸铁管上的内部压力、温度应力、重复荷载及安装应力，计算了低压管在综合作用下拉应力与弯曲应变的典型值，认为作用在管线上的初始应力大致为管线纵向弯曲应变0.02%～0.04%时对应的应力值[2]。美国犹他州立大学研究人员对螺旋肋钢管、低劲性加肋钢管、聚氯乙稀（PVC）管进行了应力、应变及应力松弛等试验，得出相应的结论[3]。国内学者对各类压力管进行了支座荷载、轴向应力等方面的研究工作，提出了初始应力计算的理论方法及相应的计算公式[4]。
2.2 管线与周围土体的相互作用
隧道建设中，地下管线因周围土体受到施工扰动引起管线不均匀沉降和水平位移而产生附加应力。同时，由于管线的刚度大约为土体的1000～3000倍，又必然会对周围土体的移动产生抵抗作用。Attewell认为隧道施工引起的土体移动对管线的影响可从隧道掘进方向与管线的相对空间位置来确定，当隧道掘进方向垂直于管线延伸方向时，对管线的影响主要表现在管线周围土体的纵向位移引起管线弯曲应力的增加及接头转角的增大；当隧道掘进方向平行于管线延伸方向时，对管线的影响主要表现为周围土体对管线的轴向拉压作用。而管线对土体移动的抵制作用主要与管线的管径、刚度、接头类型及所处位置有关[1]。
由于大部分地下管线埋置深度不大（通常均在1.5m以内），通常可以假设在管道直径不大时，地下管线对周围土体移动没有抵抗能力，它将沿土体的移动轨迹变形。一些研究成果也表明了这种假设的可行性[2]：Carder与Tayor采取足尺试验研究了埋置深度0.75m，直径100㎜的铸铁管置于不同土体中时在邻近开挖影响下的性状改变情况，试验成果表明管线的移动轨迹与所处地层土体移动轨迹相吻合；Nath应用三维有限元模拟分析了管径75㎜至450㎜的铸铁管在埋深1.0m条件下对邻近开挖的响应，分析结果显示，管径小于150㎜的铸铁管线对地层的移动几乎没有任何抵抗能力；Ahmed等用二维及三维有限元模拟了深沟渠的开挖对邻近铸铁管线的影响，计算得出在假定管线与周围土体不出现相对位移时，管线的附加应变小于铸铁管线的允许极限强度，他们认为，如果管线与周围土体在邻近施工影响下不产生相对位移时，可以不考虑施工对管线的影响；Molnar等对芝加哥Lurie医疗研究中心工程中深基坑开挖对邻近地下管线影响的研究中假设管线与周围土体一起移动的情况下，管径150㎜～500㎜的地下管线预测变形值与现场实测数据相符。
但是，当地下管线直径增大到一定程度后就会对周围土体移动产生抵制作用，这同时也增大了管线破坏的风险。国内学者蒋洪胜等曾对上海地铁二号线某段盾构法施工对上部管径3.6m的合流污水管产生的影响及处理的措施进行过研究[5]。不过Attewell认为尽管大管径管线抵抗土体移动时会增加管身的应力，但由于管线自身强度较大（主要针对灰铁管线）而不会导致管段产生大的附加应力[1]。总的来说，对于管径较大的管线，在隧道施工中要引起重视，特别是对地层运动比较剧烈，管材、接头比较脆弱且运营年限久的大管径管线要进行专门的风险评估。
2.3 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]。
2.4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。
2.4.1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]。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200603/8508.htm
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