城市隧道施工对临近地下管线影响研究现状及发展？

~ 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。
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：
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]。
基于以下两种假设，一是假设管线是连续柔性的，当管线随土体移动时只在管段上产生弯曲而不在接头处产生转角，由于管段轴向位移很小，认为管线移动时不发生轴向应变，管线弯曲服从Bernoulli-Navier理论；二是假设管段是刚性的，管线移动所产生的位移全部由接头转角提供，接头不产生抵抗力矩，允许接头自由转动，接头转角只在纵向产生，认为管线上扭矩为零，Molnar推导了地下管线在周围土体发生移动时的弯曲应力及接头转角计算公式，分别为[2]：
（1）弯曲应力的计算公式：
图2 管线弯曲应力计算模型[2]
（2）
式中：σi-管线i点的弯曲应力；
E-管线的弹性模量；
xi，zi-分别为管线外部纤维到中性轴的侧向及纵向距离。
Z’’(Yi)，x’’(Yi)-分别为管线在i点的纵向及侧向曲率。
（2）接头转角计算公式：
图3 管线接头转角计算模型[2]
（3）
式中：εji-管线上i与j点之间侧向位移差值；
ρji-管线上i与j点之间沉降差值；
Lji-管段长度；
对于同一条管线分别进行以上两种临界状态下的分析，将计算值与允许值进行比较，即可预测管线的安全状况。
2.4.2 数值模拟法
采用数值模拟方法，能够较好地考虑隧道开挖引起的地层位移与管线的相互作用，得到较为满意的结果。
Ahmed利用有限元模型计算了地下管线在邻近深基坑开挖时的附加弯曲应力，建议对铸铁管线由周近地层移动引起的弯曲应变值最大可取为0.05%，对球墨铸铁管线弯曲应变最大可取为0.15%[2]。
李大勇、龚晓南、张土乔考虑了基坑围护结构、土体与地下管线的耦合作用，建立了地下管线、土体以及基坑围护结构为一体的三维有限元模型[10]。分析了地下管线的管材、埋深、距离基坑远近、下卧层土质、管道弹性模量与周围土体弹性模量比等因素对地下管线的影响规律；应用Singhal柔性接口中密封橡胶圈产生的拉拔力、弯矩及扭矩，研究了基坑工程中邻近柔性接口地下管线的受力与变形，得出了管道柔性接口的拉拔力P。并且总结、归纳了地下管线的安全性判别方法及地下管线的工程监测和保护措施[11][12]。吴波、高波[13]基于ANSYS软件平台，将地下管线模拟成三维弹性地基梁，建立了隧道支护结构-土体-地下管线耦合作用的三维有限元分析模型，对施工过程进行了仿真分析，并对地下管线的安全性进行了预测，给出了管线安全性的评价标准。
2.5 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[1]，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[14][15]。国内学者刘建航、侯学渊研究了盾构法施工引起的地表沉降，提出相应的预测方法[16]。徐永福、孙钧等讨论了隧道盾构掘进施工对周围土体的影响，人工智能神经网络技术在对盾构施工扰动与地层移动的预测中获得应用[17][18]，阳军生、刘宝琛利用随机介质理论方法预测城市隧道施工引起的地层移动与变形，取得了较理想的预测效果。通过对隧道开挖引起的地层位移的准确预测，为进一步研究隧道施工对地下管线的影响提供了理论计算基础[19]。
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。目前对初始应力的估计还大部分靠经验确定，当条件改变时原来的经验就不能再简单照搬，因此有必要建立有效的管线初始应力计算理论，为管线变形允许值的确定提供理论基础。
（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）现阶段对管线的应力变形计算多是基于Attewell等1986年提出的根据Winker弹性地基梁理论分析的结果，而大部分数值模拟也是把地下管线简化成地基梁来计算。这样得到的结论趋于保守并且在有些情况下是不适宜的；对管线接头转角的计算大部分是根据弹性地基梁的计算结果反分析所得，由于是把管线变形强加到接头处使之“产生”转角，这种方法是否适当有待商榷。并且，现行的分析几乎都是把隧道施工引起的地层移动与变形当作输入条件来计算管线的反应，没把隧道掘进与管线响应当作一个整体考虑，缺少系统分析成果。
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[20]，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[21]）。对于运营时间短、管材质地好、管径不大的管线可以放宽限制标准；对运营时间长的铸铁管线应加强保护措施，特别是早期刚性接头的铸铁管线，由于其只能承受很小的接头转角，并且管段抗拉能力很差，因此应从两方面验算其是否达到极限。对大管径管线要作针对性的专门的研究。
（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）城市隧道建设中对地下管线的保护的研究是一项系统工程，涉及学科众多，影响因素复杂，忽略了某一方面都可能导致管线的破坏。而专家系统可以吸取各领域内相关专业各专家的智能知识，把专业模型转化为知识模型，从而能对地下管线保护问题进行更全面、客观、准确的分析研究。因此建立地下管线保护专家系统有助于管线保护研究集中研究成果，为进一步发展提供帮助。
（5）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。
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