城市隧道施工對臨近地下管線影響研究現(xiàn)狀及發(fā)展

1、實用文案城市隧道施工對臨近地下管線影響研究現(xiàn)狀及發(fā)展城市隧道（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(qū)， 從而導致城市隧道建 設中各種工程環(huán)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(zhí)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(huán)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

2、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(xiàn) 狀及進展并對進一步研究重點提出看法。2、國內外研究現(xiàn)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(huán)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(xiàn)管段應力增加或接頭轉角增大現(xiàn)象；管道內外壓力不同會導致管段產生環(huán)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(tài)：比如， 管線埋置于溫差較大的土層

3、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

4、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(xiàn)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(xiàn)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

5、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伽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伽至450伽的鑄鐵管在埋深1.0m條件下對鄰近開挖的響 應，分析結果顯示，管徑小于 150伽的鑄鐵管線對地層的移動 幾乎沒有任

6、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(xiàn)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(yī)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 伽500伽的地下管線預測變形值與現(xiàn)場實測數(shù)據相符。但是，當?shù)叵鹿芫€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

7、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 ?？偟膩碚f，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(xiàn)裂縫， 甚至發(fā)生 破裂而喪失工作能力；二是管

8、段完好，但管段接頭轉角過大，接 頭不能保持封閉狀態(tài)而發(fā)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(fā)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(xiàn)。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(fā)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(huán)向變 形引起

9、的徑向開裂，（3）管段接頭處不能承受過大轉角而發(fā)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(xiàn)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(guī)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(tǒng)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。

10、 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(shù)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

11、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(tǒng)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(shù)，；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(jié)接縫張開值、 管節(jié)縱向受彎及橫向受力等方面 分析每節(jié)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

12、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(shù)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(shù)、沉 陷區(qū)長度及地下管線對應的地表沉陷量

13、。 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(xù)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(fā)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(fā)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：i 管

14、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； ji 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(tài)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(shù)值模擬法 采用數(shù)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

15、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(guī)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。

16、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(jiān)測和 保護措施 1112 。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(tǒng)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(huán)境土工問題進行了比較深入 系統(tǒng)的研究， Attewell 等對此進行了總結 1 ， Loganathan 等、 Wei-I.Chou 和

17、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 1415 。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 1718 ，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

18、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(huán)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(tài)。 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

19、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(fā)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(guī)范基本是給出一個地表最大允許沉降值（一般為3 cm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(fā)揮管線

20、的自承能力而 且限制隧道施工進度，增加了工程投資。（ 4 ）現(xiàn)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(shù) 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(xiàn)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(tǒng)分析成果。4、展望隨著社會經濟

21、的不斷發(fā)展 , 人口的不斷增長和空間的相對縮小 , 人們逐漸把發(fā)展的目光投向地下空間的利用， 開發(fā)地下空間已經 成為人類擴大生存空間的重要手段和發(fā)展趨勢， 與之俱來的越來 越多的工程環(huán)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(tǒng)的成 果。（1 ）市區(qū)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(xiàn)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(tǒng) 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，

22、 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(fā)展， 對隧道引起的管線位移應力應變 分析可以考慮采取數(shù)值模擬，把隧道與管線當作一個系統(tǒng)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(xiàn)對 隧道管線 的整體分 析。 （ 3）有必要通過理論分析、試驗、現(xiàn)場監(jiān)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

23、的保護的研究是一項系統(tǒng)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(tǒng)可以吸取各領域內相關專業(yè)各專家的智 能知識， 把專業(yè)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(tǒng)有助于管線保護研究集中研究成果， 為進一步發(fā)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(jiān)測外還可引進工程風險評估 系統(tǒng)，對隧道施工引起的環(huán)境問題進行風險評價， 綜合考慮管線 破壞引起的環(huán)境保護、安全性、后期費用等眾多因素。標簽 :內容 1城市隧道 （主要是地鐵工

24、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(qū)， 從而導致城市隧道建 設中各種工程環(huán)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(zhí)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(huán)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(xiàn) 狀及進

25、展并對進一步研究重點提出看法。2、國內外研究現(xiàn)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(huán)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(xiàn)管段應力增加或接頭轉角增大現(xiàn)象； 管道內外 壓力不同會導致管段產生環(huán)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(tài)： 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

26、 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?。?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

27、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(xiàn)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(xiàn)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

28、不大（通常均在 1.5m 以內），通 ?？梢约僭O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伽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伽至450伽的鑄鐵管在埋深1.0m條件下對鄰近開挖的響 應，分析結果顯示，管徑小于150伽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

29、 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(xiàn)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(yī)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 伽500伽的地下管線預測變形值與現(xiàn)場實測數(shù)據相符。但是，當?shù)叵鹿芫€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

30、 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 ?？偟膩碚f，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(xiàn)裂縫， 甚至發(fā)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(tài)而發(fā)

31、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(fā)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(xiàn)。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(fā)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(huán)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(fā)生滲

32、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(xiàn)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(guī)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(tǒng)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

33、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(shù)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，

34、 給出了管線設計方法， 是較早的 比較系統(tǒng)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(shù)，；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(jié)接縫張開值、 管節(jié)縱向受彎及橫向受力等方面 分析每節(jié)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

35、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(shù)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(shù)、沉 陷區(qū)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

36、 ?；谝韵聝煞N假設，一是假設管線是連續(xù)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(fā)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(fā)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：i 管線i點的彎曲應力；E管線的彈性模量；xi, zi 分別為

37、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；ji 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(tài)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(shù)值模擬法 采用數(shù)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

38、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(guī)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(jiān)測和 保護

39、措施 1112 。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(tǒng)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(huán)境土工問題進行了比較深入 系統(tǒng)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

40、移預計中獲得了較好效果 1415 。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 1718 ，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

41、 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(huán)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(tài)。 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

42、密接觸， 不發(fā)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(guī)范基本是給出一個地表最大允許沉降 值（一般為3 cm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(fā)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(xiàn)階段對管線的

43、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(shù) 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(xiàn)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(tǒng)分析成果。4、展望 隨著社會經濟的不斷發(fā)展 , 人口的不斷增長和空間的相對縮小 , 人們逐漸把發(fā)展的目光

44、投向地下空間的利用， 開發(fā)地下空間已經 成為人類擴大生存空間的重要手段和發(fā)展趨勢， 與之俱來的越來 越多的工程環(huán)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(tǒng)的成 果。（1 ）市區(qū)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(xiàn)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(tǒng) 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

45、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(fā)展， 對隧道引起的管線位移應力應變 分析可以考慮采取數(shù)值模擬，把隧道與管線當作一個系統(tǒng)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(xiàn)對 隧道管線 的整體分 析。 （ 3）有必要通過理論分析、試驗、現(xiàn)場監(jiān)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(tǒng)工 程，涉及學科眾多，影響因素復雜，忽略了某一方面

46、都可能導致 管線的破壞。 而專家系統(tǒng)可以吸取各領域內相關專業(yè)各專家的智 能知識， 把專業(yè)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(tǒng)有助于管線保護研究集中研究成果， 為進一步發(fā)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(jiān)測外還可引進工程風險評估 系統(tǒng)，對隧道施工引起的環(huán)境問題進行風險評價， 綜合考慮管線 破壞引起的環(huán)境保護、安全性、后期費用等眾多因素。標簽 :內容 1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

47、集區(qū)， 從而導致城市隧道建 設中各種工程環(huán)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(zhí)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(huán)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(xiàn)狀及進展并對進一步研究重點提出看法。2、國內外研究現(xiàn)狀2.1 地下管線初始應力

48、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(huán)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(xiàn)管段應力增加或接頭轉角增大現(xiàn)象； 管道內外 壓力不同會導致管段產生環(huán)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(tài)：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

49、 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

50、于管線的剛度大約 為土體的10003000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(xiàn)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(xiàn)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 ?？梢约僭O在管道直徑不大時， 地下管線對周圍

51、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伽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伽至450伽的鑄鐵管在埋深1.0m條件下對鄰近開挖的響 應，分析結果顯示，管徑小于 150伽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(xiàn)相對

52、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(yī)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 伽500伽的地下管線預測變形值與現(xiàn)場實測數(shù)據相符。但是，當?shù)叵鹿芫€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

53、 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 ?？偟膩碚f，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(xiàn)裂縫， 甚至發(fā)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(tài)而發(fā)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(fā)生： 對于

54、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(xiàn)。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(fā)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(huán)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(fā)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

55、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(xiàn)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(guī)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(tǒng)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

56、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(shù)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(tǒng)的研究成果 1 。廖少明、劉建航也基于彈

57、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(shù)，；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(jié)接縫張開值、 管節(jié)縱向受彎及橫向受力等方面 分析每節(jié)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標準實用文案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(shù)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(shù)、沉 陷區(qū)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(xù)柔性