淺談地鐵隧道對鄰近地下管線的影響

孫東波

中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司 廣東廣州 510380

摘要：隨著地鐵的進一步發(fā)展，針對管線的解決措施會日趨完善。但是，受各地的地質(zhì)情況、施工工藝、管線規(guī)劃等諸多情況的影響，管線問題也將長期影響地鐵事業(yè)的發(fā)展。文章針對地鐵隧道施工對臨近管線的處理方式進行分析。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道；管線；變形；處理

1.管線功能失效分析

管線功能失效的形式是多樣的，并因其周圍土體受到施工擾動而產(chǎn)生附加應(yīng)力和附加變形。同時，由于管線的剛度遠大于土體的剛度，又必然會對周圍土體的移動產(chǎn)生抵抗作用。在施工擾動作用下，管線可能產(chǎn)生泄漏，甚至結(jié)構(gòu)上的破壞。賀長俊從風(fēng)險角度提出了管線功能失效的定義，使用概率的方式定義，通過作用在管線結(jié)構(gòu)上外荷載與其當(dāng)前承載能力的對比。當(dāng)管線功能失效時，結(jié)構(gòu)最不利位置處的荷載效應(yīng)不超過其當(dāng)前的承載力，引入Pf=P[R

荷載響應(yīng)、強度作用破壞示意圖

Clarke系統(tǒng)總結(jié)了管線的各種破壞類型及其原因，Attewell等提出了脆性灰鐵管的幾種功能失效的模式：①縱向彎矩引起橫向斷裂；②環(huán)向彎矩引起縱向劈裂；③熔斷、由長期腐蝕引起孔洞或穿孔；④管線接頭處泄漏；⑤引入連接點處泄漏；⑥直接沖擊引起損傷。

上述破壞形式的出現(xiàn)與管線的材料、接頭類型、幾何尺寸等多種因素有關(guān)。在地鐵施工過程中，開挖引起周圍地層的差異沉降是導(dǎo)致管線功能喪失的主要原因，主要表現(xiàn)形式為縱向彎矩引起的橫向斷裂。對于非剛性連接的管線，地層差異沉降導(dǎo)致的管線接頭張開也是非常普遍的現(xiàn)象。施工過程中對管線產(chǎn)生影響，管線破壞后又反作用于工程，破壞程度愈演愈烈；二者的影響界定很難區(qū)分，例如給排水管線的自然老化造成管線功能失效，失效后對工程本體造成一定的影響，而隨著工程本體遇水后出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，又反作用于水管，造成更大的破壞。所以，在進行管線風(fēng)險評估過程中，要考慮全面，各種因素做好統(tǒng)計，統(tǒng)籌分析概率，做到萬無一失。

2.管線控制標(biāo)準(zhǔn)及處理方法

⑴管線受彎應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

同樣條件下，不同材質(zhì)的管線對隧道施工引起的擾動反應(yīng)不同。管線剛度越大，管線變形越小，管線對土體的約束作用越大。如鑄鐵管對隧道開挖引起的拉應(yīng)變比較敏感，一般壓應(yīng)變不起控制作用。總拉應(yīng)變主要由兩部分組成：與曲率相關(guān)的彎曲應(yīng)變和軸向應(yīng)變。受管線鑄造質(zhì)量等多種因素的影響，管線破裂時的拉應(yīng)變值變化很大，一般在4000～6000με。鑄鐵的缺陷會引起應(yīng)力集中，在管壁相對較薄地方的拉應(yīng)變可以降到2000με。另外，其他原因?qū)е碌貙右苿佣鸸芫€的應(yīng)力集中也會導(dǎo)致鑄鐵的功能失效，因此制定管線遷改方案時要重點考慮這些因素。

Attewell等提出了在直接拉應(yīng)力作用下總允許應(yīng)變的限制范圍。關(guān)于拉應(yīng)變?nèi)≈担琀erbert和Leach指出：對于直徑大于300mm的灰色鑄鐵管取200με，直徑小于300mm的灰色鑄鐵管取150με是合理的；在相對不利情況下，可將上述取值分別降低為150和100με。劉建航、侯學(xué)淵用彈性地基梁法計算了施工引起的管道地基沉陷以及管道的彎曲應(yīng)力，將管道變形的曲率半徑作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。

EI（d4S/dx4）+KSd=KSpd

式中：S為地層沉降量；Sp為管線沉降量；EI為管線彎曲剛度；K為地基基床系數(shù)；d為管線直徑。

⑵管線沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

國外此方面的研究中O′RourkeTrautman提出了一種管線損害評估的經(jīng)驗方法，主要參考指標(biāo)是管線可能受損處的地層移動坡角Smax/i，它與可能的管線破壞的關(guān)系是高斯沉降分布的函數(shù)。

國內(nèi)目前在工程實踐中采用的標(biāo)準(zhǔn)如下：

①參考廣州地鐵相關(guān)技術(shù)規(guī)定，管線兩接頭之間的局部傾斜不得超過8/1000；②參考北京、重慶地鐵施工總結(jié)的的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，地表最大斜率為2.55mm/m。

⑶管接縫張開控制標(biāo)準(zhǔn)

Attewell等人給出了鑄鐵管在地層移動作用下接頭轉(zhuǎn)角與脫開的允許值。在沒有足夠資料條件下，管線接頭轉(zhuǎn)角θ可以采用保守的估計，并取最大估計值。當(dāng)管線與隧道橫交時，將計算的估計值與控制標(biāo)準(zhǔn)比較，可以做出管線的安全性評價。魏新江、魏剛等提出接縫允許張開值[△]，即直徑為D、管節(jié)長度為b的管節(jié)在管線沉降曲線曲率最大處（1/R）接縫張開值需滿足Db/R<[△]。

3.管線處理過程中的難點與措施建議

3.1管線處理過程中的難點

⑴管線調(diào)查工作困難

地鐵線所涉及到的管線種類繁多，數(shù)量龐大。各類管線雖然有管路規(guī)劃，但是，在施工過程中，小的細(xì)節(jié)變動在所難免，高差、平面位置時有變動，這就給后期管線調(diào)查帶來了諸多不定因素。另外因產(chǎn)權(quán)所屬關(guān)系不同，同一區(qū)域存在多個產(chǎn)權(quán)單位，各類管線疊加，調(diào)查難度增大。

⑵管線狀態(tài)難以準(zhǔn)確判斷既有管線承載能力與狀態(tài)難以確定。管線深埋于地下，長期受土壤及地下水腐蝕、地面不均勻沉降以及內(nèi)部的壓力等因素，容易出現(xiàn)管路老化、接頭松動等現(xiàn)象。另一方面，由于具體工程的施工方法、鄰近的管線類型和周圍土體等因素差別較大，給控制標(biāo)準(zhǔn)的制定帶來了很大困難。

3.2 措施建議

地鐵施工對管線的不利影響，主要表現(xiàn)為管道無法抵抗土層傳來的變形影響。這就要求準(zhǔn)確評價應(yīng)力的大小及管材的極限應(yīng)變能力。準(zhǔn)確判斷的情況下，為防止管道的破壞，常用的保護措施有以下幾種：

⑴臨時廢棄

施工期間管線功能喪失后無重大損失或者影響的，例如部分路燈電力線，排水管等管線，施工結(jié)束后加以恢復(fù)。

⑵卸載保護

施工期間，卸載管體周圍、尤其是其上部荷載，減小土體變形，從而達到保護管材的目的。

⑶地基加固法

施工前對管線周邊土體進行預(yù)注漿加固，使管線和土體成為一個整體，減少不均勻沉降、位移造成的管線破壞。施工過程中通過同步注漿、施工結(jié)束后進行二次注漿，對土體內(nèi)的建筑空隙進行填補，使土體密實，減小不均勻沉降。

⑷隔離法

顧名思義，即土體和管線隔離開來，施工過程中土體受到的應(yīng)力形變無法傳遞至管線，從而達到保護管線的目的。一般通過隔離樁、隔離板以及深層攪拌樁等形式進行隔離。

以上幾點方法均不能處理，或者以上幾點措施對施工影響較大，造價過高時，一般采用遷改方式。遷改措施應(yīng)注意遷改后的使用功能、遷改的位置、帶壓管的排布等問題。

參考文獻：

[1]駱建軍，張頂立，王夢茹《地鐵施工對管線的影響[J]》中國鐵道科學(xué)，2006，27（6）

[2]李大勇，龔曉南《軟土地基深基坑工程鄰近柔性接口地下管線的性狀分析[J]》土木工程學(xué)報，2003，36（2）