城市地下管線影響管理論文

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摘要：隨著地下工程的不斷增加，國內外對城市隧道施工引起鄰近地下管線損害的研究日益重視。本文從地下管線初始應力、管－土相互作用、管線破壞模式及允許變形值、管線變形計算方法四個方面綜述了隧道施工對鄰近地下管線影響研究的現狀，提出了今后研究的重點。

關鍵詞：隧道施工地下管線環境影響

1.前言

城市隧道（主要是地鐵工程及各類市政地下工程）施工往往處于建筑物、道路和地下管線等設施的密集區，從而導致城市隧道建設中各種工程環境公害問題日益突出。因而在城市隧道施工中，必須保證施工對于已有的設施所造成的影響危害在允許的范圍內。特別是各種地下管線由于種類繁多，管線材質、接頭類型及初始應力各異，加之分屬部門不同，執行保護標準有差異，更加大了隧道施工中管線保護的難度。

作為城市環境保護的一個新興課題，許多國內外學者都對城市地下施工對鄰近管線的影響研究作了很多工作，得出許多有意義的結論，為科學評價城市隧道施工對鄰近管線的影響提供了一定的理論基礎。本文綜述了城市隧道施工對鄰近管線影響的研究現狀及進展并對進一步研究重點提出看法。

2.國內外研究現狀

2.1地下管線初始應力

城市隧道開挖之前地下管線就承受的應力稱為管線的初始應力[1]，它是由管道內部工作壓力、上覆土壓力、動靜荷載、安裝應力、先期地層運動及環境影響等因素共同作用的結果。一般說來，管線安裝墊層沒有充分壓實或由于其他原因導致不均勻沉降，管線就會出現管段應力增加或接頭轉角增大現象；管道內外壓力不同會導致管段產生環向應力；上覆土壓力與動靜荷載的作用會使管段橫斷面趨于橢圓，同時伴隨管段應力的改變；同樣，管線埋置土層的不同也會導致管身不同的應力狀態：比如，管線埋置于溫差較大的土層就會使管身產生應變，而管線周圍土體濕度的變化也會引起管身的腐蝕從而降低管線的強度。

Taki與O’Rourke分析了作用在鑄鐵管上的內部壓力、溫度應力、重復荷載及安裝應力，計算了低壓管在綜合作用下拉應力與彎曲應變的典型值，認為作用在管線上的初始應力大致為管線縱向彎曲應變0.02％～0.04％時對應的應力值[2]。美國猶他州立大學研究人員對螺旋肋鋼管、低勁性加肋鋼管、聚氯乙稀（PVC）管進行了應力、應變及應力松弛等試驗，得出相應的結論[3]。國內學者對各類壓力管進行了支座荷載、軸向應力等方面的研究工作，提出了初始應力計算的理論方法及相應的計算公式[4]。

2.2管線與周圍土體的相互作用

隧道建設中，地下管線因周圍土體受到施工擾動引起管線不均勻沉降和水平位移而產生附加應力。同時，由于管線的剛度大約為土體的1000～3000倍，又必然會對周圍土體的移動產生抵抗作用。Attewell認為隧道施工引起的土體移動對管線的影響可從隧道掘進方向與管線的相對空間位置來確定，當隧道掘進方向垂直于管線延伸方向時，對管線的影響主要表現在管線周圍土體的縱向位移引起管線彎曲應力的增加及接頭轉角的增大；當隧道掘進方向平行于管線延伸方向時，對管線的影響主要表現為周圍土體對管線的軸向拉壓作用。而管線對土體移動的抵制作用主要與管線的管徑、剛度、接頭類型及所處位置有關[1]。

由于大部分地下管線埋置深度不大（通常均在1.5m以內），通常可以假設在管道直徑不大時，地下管線對周圍土體移動沒有抵抗能力，它將沿土體的移動軌跡變形。一些研究成果也表明了這種假設的可行性[2]：Carder與Tayor采取足尺試驗研究了埋置深度0.75m，直徑100㎜的鑄鐵管置于不同土體中時在鄰近開挖影響下的性狀改變情況，試驗成果表明管線的移動軌跡與所處地層土體移動軌跡相吻合；Nath應用三維有限元模擬分析了管徑75㎜至450㎜的鑄鐵管在埋深1.0m條件下對鄰近開挖的響應，分析結果顯示，管徑小于150㎜的鑄鐵管線對地層的移動幾乎沒有任何抵抗能力；Ahmed等用二維及三維有限元模擬了深溝渠的開挖對鄰近鑄鐵管線的影響，計算得出在假定管線與周圍土體不出現相對位移時，管線的附加應變小于鑄鐵管線的允許極限強度，他們認為，如果管線與周圍土體在鄰近施工影響下不產生相對位移時，可以不考慮施工對管線的影響；Molnar等對芝加哥Lurie醫療研究中心工程中深基坑開挖對鄰近地下管線影響的研究中假設管線與周圍土體一起移動的情況下，管徑150㎜～500㎜的地下管線預測變形值與現場實測數據相符。

但是，當地下管線直徑增大到一定程度后就會對周圍土體移動產生抵制作用，這同時也增大了管線破壞的風險。國內學者蔣洪勝等曾對上海地鐵二號線某段盾構法施工對上部管徑3.6m的合流污水管產生的影響及處理的措施進行過研究[5]。不過Attewell認為盡管大管徑管線抵抗土體移動時會增加管身的應力，但由于管線自身強度較大（主要針對灰鐵管線）而不會導致管段產生大的附加應力[1]。總的來說，對于管徑較大的管線，在隧道施工中要引起重視，特別是對地層運動比較劇烈，管材、接頭比較脆弱且運營年限久的大管徑管線要進行專門的風險評估。

2.3地下管線的破壞模式及允許變形值

考察地下管線在地層移動及變形作用下的主要破壞模式，一般有兩種情況：一是管段在附加拉應力作用下出現裂縫，甚至發生破裂而喪失工作能力；二是管段完好，但管段接頭轉角過大，接頭不能保持封閉狀態而發生滲漏。管線的破壞可能主要由其中一種模式控制也可能兩種破壞同時發生：對于焊接的塑料管與鋼管由于接頭強度較大可能只需計算其最大彎曲應力就能預測管線是否安全；但對于鑄鐵管及球墨鑄鐵管，尤其是對運營年代長的鑄鐵管，由于其管段抗拉能力差且接頭處柔性能力不足，兩種破壞模式均有可能出現。

文獻[1]定義了隧道施工引起的地下管線破壞模式：一、柔性管（主要為鋼管及塑料管）由于屈服或繞曲作用產生過度變形而使管段發生破裂；二、剛性管（主要為脆性灰鐵管線）破壞的主要模式有（1）由縱向彎曲引起的橫斷面破裂，（2）由管段環向變形引起的徑向開裂，（3）管段接頭處不能承受過大轉角而發生滲漏。高文華認為，對于焊接的大長度鋼管的破壞主要由地層下降引起的管線彎曲應力控制；對于有接頭的管線，破壞主要由管道允許張開值△和管線允許的縱向和橫向抗彎強度所決定[6]。

為保證隧道掘進過程中鄰近管線的安全，現行的一般作法是控制管線的沉降量，地表傾斜及管接縫張開值。這些控制值的確定是基于若干規范和工程實踐經驗確定的，具有相當程度的可靠性。然而，在實際工程應用中存在地下管線的變形和應變不易量測以及對柔性接頭管線的接頭轉角無法實測的尷尬。并且，由于沒有統一的理論控制標準，使得這些控制值的確定帶有一定的隨意性，缺乏理論研究成果。Molnar綜合前人研究成果，通過理論計算與實測資料相比較給出了各類管線的允許彎曲應力與允許接頭轉角值，可為進一步研究提供參考[2]。

2.4地下管線隧道施工影響下的變形

隧道施工引起的地下管線影響因素較多，對于地下管線進行準確的受力變形分析理論分析是地下管線保護研究的基礎，目前對地下管線的受力變形計算研究主要有解析法與數值模擬法兩種。

2.4.1解析法

Attewell基于Winker彈性地基模型提出隧道施工對結構與管線的影響評價方法。根據管線位置與地層運動方向的不同，分別計算了管線垂直與平行地層運動時管線的彎曲應力與接頭轉角，研究了大直徑與小直徑管線在地層運動下不同的反應性狀，討論了理論分析的實際應用可行性，給出了管線設計方法，是較早的比較系統的研究成果[1]。廖少明、劉建航也基于彈性地基梁理論提出地下管線按柔性管和剛性管分別進行考慮的兩種方法[7]，其計算模型如圖1，建立地下管線的位移方程如下：

圖1彈性地基梁計算模型

（1）

式中：，K為地基基床系數，;

Ep－管道的彈性模量；

Ip－管道的截面慣性矩；

q－作用在管道上的壓力。

對于柔性地下管線，他們認為此類管線在地層下沉時的受力變形研究可以從管節接縫張開值、管節縱向受彎及橫向受力等方面分析每節管道可能承受的管道地基差異沉降值，或沉降曲線的曲率。

高田至郎等根據彈性地基梁理論將受到地基沉降影響的四種情形下的地下管線進行模型化處理，提出了計算管線最大彎曲變形、接頭轉角、最大接頭伸長量的設計公式[8]。段光杰根據Winker地基反作用模型，討論了由隧道不同施工方法引起的地層損失對周圍地下管線的影響，在管線處的地層徑向變形和地層軸向變形兩種影響下，分別歸納總結了管線垂直于隧道軸線和平行于隧道軸線兩種位置情況下，管線變形、應變和轉角等參數與地表最大沉降值的關系[9]。高文華利用Winker彈性地基梁理論分析了基坑開挖導致的地下管線豎向位移和水平位移，推導了相應的計算公式；討論了引起地下管線變形的因素：基床系數、沉陷區長度及地下管線對應的地表沉陷量。給出了不同管線變形控制標準及安全度評價準則[6]。

基于以下兩種假設，一是假設管線是連續柔性的，當管線隨土體移動時只在管段上產生彎曲而不在接頭處產生轉角，由于管段軸向位移很小，認為管線移動時不發生軸向應變，管線彎曲服從Bernoulli－Navier理論；二是假設管段是剛性的，管線移動所產生的位移全部由接頭轉角提供，接頭不產生抵抗力矩，允許接頭自由轉動，接頭轉角只在縱向產生，認為管線上扭矩為零，Molnar推導了地下管線在周圍土體發生移動時的彎曲應力及接頭轉角計算公式，分別為[2]：

（1）彎曲應力的計算公式：

圖2管線彎曲應力計算模型[2]

（2）

式中：σi－管線i點的彎曲應力；

E－管線的彈性模量；

xi，zi－分別為管線外部纖維到中性軸的側向及縱向距離。

Z’’(Yi)，x’’(Yi)－分別為管線在i點的縱向及側向曲率。

（2）接頭轉角計算公式：

圖3管線接頭轉角計算模型[2]

（3）

式中：εji－管線上i與j點之間側向位移差值；

ρji－管線上i與j點之間沉降差值；

Lji－管段長度；

對于同一條管線分別進行以上兩種臨界狀態下的分析，將計算值與允許值進行比較，即可預測管線的安全狀況。

2.4.2數值模擬法

采用數值模擬方法，能夠較好地考慮隧道開挖引起的地層位移與管線的相互作用，得到較為滿意的結果。

Ahmed利用有限元模型計算了地下管線在鄰近深基坑開挖時的附加彎曲應力，建議對鑄鐵管線由周近地層移動引起的彎曲應變值最大可取為0.05％，對球墨鑄鐵管線彎曲應變最大可取為0.15％[2]。

李大勇、龔曉南、張土喬考慮了基坑圍護結構、土體與地下管線的耦合作用，建立了地下管線、土體以及基坑圍護結構為一體的三維有限元模型[10]。分析了地下管線的管材、埋深、距離基坑遠近、下臥層土質、管道彈性模量與周圍土體彈性模量比等因素對地下管線的影響規律；應用Singhal柔性接口中密封橡膠圈產生的拉拔力、彎矩及扭矩，研究了基坑工程中鄰近柔性接口地下管線的受力與變形，得出了管道柔性接口的拉拔力P。并且總結、歸納了地下管線的安全性判別方法及地下管線的工程監測和保護措施[11][12]。吳波、高波[13]基于ANSYS軟件平臺，將地下管線模擬成三維彈性地基梁，建立了隧道支護結構－土體－地下管線耦合作用的三維有限元分析模型，對施工過程進行了仿真分析，并對地下管線的安全性進行了預測，給出了管線安全性的評價標準。

2.5城市隧道施工引起的地層移動與變形

自從Peck系統提出預計隧道施工地表沉降槽經驗公式以來，許多學者對于隧道施工引起的周近環境土工問題進行了比較深入系統的研究，Attewell等對此進行了總結[1]，Loganathan等、Wei-I.Chou和Antonio所提出的理論分析方法均在開挖引起的地表與地層內部位移預計中獲得了較好效果[14][15]。國內學者劉建航、侯學淵研究了盾構法施工引起的地表沉降，提出相應的預測方法[16]。徐永福、孫鈞等討論了隧道盾構掘進施工對周圍土體的影響，人工智能神經網絡技術在對盾構施工擾動與地層移動的預測中獲得應用[17][18]，陽軍生、劉寶琛利用隨機介質理論方法預測城市隧道施工引起的地層移動與變形，取得了較理想的預測效果。通過對隧道開挖引起的地層位移的準確預測，為進一步研究隧道施工對地下管線的影響提供了理論計算基礎[19]。

3.存在問題

城市隧道施工對鄰近管線影響的研究是一個涉及到市政工程、隧道與地下工程、工程風險評估學等眾多學科的綜合性課題，目前研究的深度還遠遠不夠，在地下管線初始應力、管－土相互作用、管線變形允許值、應力變形計算等方面均有待進一步深入。

（1）地下管線初始應力受管道內部工作壓力、覆土壓力、動靜荷載、安裝應力、先期地層運動及環境影響等因素共同控制。盡管目前對單一荷載的研究相對完善，但管線的初始應力是上述各力綜合作用的結果，僅僅靠簡單的疊加并不能準確反映初始應力的狀態。目前對初始應力的估計還大部分靠經驗確定，當條件改變時原來的經驗就不能再簡單照搬，因此有必要建立有效的管線初始應力計算理論，為管線變形允許值的確定提供理論基礎。

（2）目前在管－土相互作用的研究上，大部分學者仍然假設管與土緊密接觸，不發生相對位移。這種假設對小管徑管線且埋置土層工程性質好的情況是適用的，但由于大管徑管線會對周圍土體的移動產生明顯抵抗作用，這種假設就不再適用。同樣，如果管線所處地層土體含水量較大，在土體產生移動時管－土間也存在相對位移。

（3）管線允許變形值的確定應該綜合考慮管材、管徑、接頭類型、管線功能、運營時間、管線與隧道的相對位置、隧道施工方法等因素。而目前的地鐵規范基本是給出一個地表最大允許沉降值（一般為3㎝以內），這樣作盡管有一定的可靠性，但沒有依據具體情況來確定允許值，不僅不能充分發揮管線的自承能力而且限制隧道施工進度，增加了工程投資。

（4）現階段對管線的應力變形計算多是基于Attewell等1986年提出的根據Winker彈性地基梁理論分析的結果，而大部分數值模擬也是把地下管線簡化成地基梁來計算。這樣得到的結論趨于保守并且在有些情況下是不適宜的；對管線接頭轉角的計算大部分是根據彈性地基梁的計算結果反分析所得，由于是把管線變形強加到接頭處使之“產生”轉角，這種方法是否適當有待商榷。并且，現行的分析幾乎都是把隧道施工引起的地層移動與變形當作輸入條件來計算管線的反應，沒把隧道掘進與管線響應當作一個整體考慮，缺少系統分析成果。

4.展望

隨著社會經濟的不斷發展,人口的不斷增長和空間的相對縮小,人們逐漸把發展的目光投向地下空間的利用，開發地下空間已經成為人類擴大生存空間的重要手段和發展趨勢，與之俱來的越來越多的工程環境問題有待加強研究[20]，城市隧道施工中鄰近地下管線的保護問題可望以下幾方面著手，以在將來獲得系統的成果。

（1）市區地下管線分布復雜、種類各異，因此在隧道施工前應做好普查工作（現在廣州等大城市已經進行了地下管線的普查工作，并建立了地下管線信息系統[21]）。對于運營時間短、管材質地好、管徑不大的管線可以放寬限制標準；對運營時間長的鑄鐵管線應加強保護措施，特別是早期剛性接頭的鑄鐵管線，由于其只能承受很小的接頭轉角，并且管段抗拉能力很差，因此應從兩方面驗算其是否達到極限。對大管徑管線要作針對性的專門的研究。

（2）隨著計算機技術的發展，對隧道引起的管線位移應力應變分析可以考慮采取數值模擬，把隧道與管線當作一個系統考慮——將隧道施工與管線的變形作為一個整體計算。這樣就可以通過采用不同的單元模擬不同土體、管－土接觸關系、管線類型以及考慮不同的隧道施工方法等，從而實現對“隧道－管線”的整體分析。（3）有必要通過理論分析、試驗、現場監測相結合，準確預測管線的初始應力、允許變形值以能夠科學評估隧道施工給地下管線帶來的危害。

（4）城市隧道建設中對地下管線的保護的研究是一項系統工程，涉及學科眾多，影響因素復雜，忽略了某一方面都可能導致管線的破壞。而專家系統可以吸取各領域內相關專業各專家的智能知識，把專業模型轉化為知識模型，從而能對地下管線保護問題進行更全面、客觀、準確的分析研究。因此建立地下管線保護專家系統有助于管線保護研究集中研究成果，為進一步發展提供幫助。

（5）準確評價隧道施工對鄰近管線的影響，必須緊密結合社會、經濟情況，除了理論分析、試驗、監測外還可引進工程風險評估系統，對隧道施工引起的環境問題進行風險評價，綜合考慮管線破壞引起的環境保護、安全性、后期費用等眾多因素。

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