城市隧道施工对临近地下管线影响研究现状及发展

　　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。
　　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，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。
　　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。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。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。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。
　　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城市隧道施工引起的地层移动与变形
　　自从Peck系统提出预计隧道施工地表沉降槽经验公式以来，许多学者对于隧道施工引起的周近环境土工问题进行了比较深入系统的研究，Attewell等对此进行了总结，Loganathan等、Wei-I.Chou和Antonio所提出的理论分析方法均在开挖引起的地表与地层内部位移预计中获得了较好效果。
　　3.存在问题
　　城市隧道施工对邻近管线影响的研究是一个涉及到市政工程、隧道与地下工程、工程风险评估学等众多学科的综合性课题，目前研究的深度还远远不够，在地下管线初始应力、管－土相互作用、管线变形允许值、应力变形计算等方面均有待进一步深入。
　　（1）地下管线初始应力受管道内部工作压力、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控制。尽管目前对单一荷载的研究相对完善，但管线的初始应力是上述各力综合作用的结果，仅仅靠简单的叠加并不能准确反映初始应力的状态。
　　（2）目前在管－土相互作用的研究上，大部分学者仍然假设管与土紧密接触，不发生相对位移。这种假设对小管径管线且埋置土层工程性质好的情况是适用的，但由于大管径管线会对周围土体的移动产生明显抵抗作用，这种假设就不再适用。同样，如果管线所处地层土体含水量较大，在土体产生移动时管－土间也存在相对位移。
　　（3）管线允许变形值的确定应该综合考虑管材、管径、接头类型、管线功能、运营时间、管线与隧道的相对位置、隧道施工方法等因素。而目前的地铁规范基本是给出一个地表最大允许沉降值（一般为3㎝以内），这样作尽管有一定的可靠性，但没有依据具体情况来确定允许值，不仅不能充分发挥管线的自承能力而且限制隧道施工进度，增加了工程投资。
　　4.展望
　　随着社会经济的不断发展,人口的不断增长和空间的相对缩小,人们逐渐把发展的目光投向地下空间的利用，开发地下空间已经成为人类扩大生存空间的重要手段和发展趋势，与之俱来的越来越多的工程环境问题有待加强研究，城市隧道施工中邻近地下管线的保护问题可望以下几方面着手，以在将来获得系统的成果。
　　（1）市区地下管线分布复杂、种类各异，因此在隧道施工前应做好普查工作（现在广州等大城市已经进行了地下管线的普查工作，并建立了地下管线信息系统）。
　　（2）随着计算机技术的发展，对隧道引起的管线位移应力应变分析可以考虑采取数值模拟，把隧道与管线当作一个系统考虑——将隧道施工与管线的变形作为一个整体计算。这样就可以通过采用不同的单元模拟不同土体、管－土接触关系、管线类型以及考虑不同的隧道施工方法等，从而实现对“隧道－管线”的整体分析。
　　（3）有必要通过理论分析、试验、现场监测相结合，准确预测管线的初始应力、允许变形值以能够科学评估隧道施工给地下管线带来的危害。
　　（4）准确评价隧道施工对邻近管线的影响，必须紧密结合社会、经济情况，除了理论分析、试验、监测外还可引进工程风险评估系统，对隧道施工引起的环境问题进行风险评价，综合考虑管线破坏引起的环境保护、安全性、后期费用等众多因素。
　　参考文献：
　　[1]AttewellP.B.,etal.Soilmovementsinducedbytunnelingandtheeffectsonpipelinesandstructures[M],Blackie,London,1986.
　　[2]KristinM.Molnar,RichardJ.Finno,EdwinC.Rossow.Analysisofeffectsofdeepbeacedexcavationsonadjacentburiedutilities[R].SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering,NorthwesternUniversity,December,2003.
　　[3]A.p.Moser.地下管设计[M]，北京市市政工程设计研究总院《地下管设计》翻译组译，北京，机械工业出版社，2003.