隧道施工引起地下管线变形的安全评估

向卫国，徐玉胜，江辉煌，谭万忠

(中国铁道科学研究院，北京 100081)

隧道施工扰动了地层岩土环境，打破了地下管线的原有平衡状态，改变了地下管线的受力状态。地下管线的变形超过一定限度时，较大的应力将导致管线破坏而引起事故，所以，隧道施工引起的地下管线安全问题一直倍受关注。

隧道开挖对地下管线的影响，最不利的情况是隧道在既有管线下垂直穿过(图 1)。O’Rourke和Trautmann(1982)研究了隧道开挖对小直径管线的影响，说明土、管线及隧道间相互作用的复杂性[1]。Attewell(1986)基于Winker弹性地基梁模型提出隧道施工对管线的影响评价方法［2－3］。Klar(2004)推导了Attewell弹性地基梁问题的封闭解并提出改进的基床系数，使计算结果与弹性连续解得出的相一致[4]。Vorster(2005)在Klar的基础上提出了考虑相互作用的管线的近似设计方法[5]。

图1 管线与隧道相对位置

然而，以上研究都是假设管线的变形与地层沉降曲线一致，而地表真实沉降与管线变形的关系尚未有研究。本文依托深圳地铁五号线工程施工安全监控的工作实践，基于隧道施工工况和实测数据，从监控的角度利用反分析研究地下管线变形的安全评估方法。

管线安全评估的重点是管线变形计算和安全评估分级，管线变形计算主要是探寻地表沉降与管线变形的关系，建立已知地表沉降的情况下管线变形估算的方法和步骤;安全评估分级是依据结构容许理论和报警分级确定，以便于工程的实际监控。

1 管线安全评估

隧道开挖产生的地层位移，引起管线变形并产生附加弯矩。管线变形大小和附加弯矩变化主要取决于管线周围的地层位移及管土的相对刚度。从理论上研究，隧道开挖影响下管线的变形有两种极限情况:

1)假设管线是无限完全弹性的，管线的变形与周围地层沉降曲线一致;

2)假设管线是完全刚性的，周围地层沉降对其进行原地的扰动。

显然，工程中(比如管线的不同、地质的差异及动态变化等工况)很少出现上述两种情况，而往往是介于两者之间。因此工程地质资料、工况及监测数据是确定管线周围地层位移和管土相对刚度的基础。

这里管线变形计算，除了地质、工况及管线材质信息，在监控量测数据上是基于管线上方地表的监测数据，即通过地表沉降数据估算管线的变形。

1.1 估算地层损失率与地层沉槽宽度系数

1)地层损失率的计算利用Peck公式，以7 d为计算标准，认为7 d后该测点沉降量为最大沉降量且沉降已稳定。Peck公式原本是估算地表沉降量的，这里将其反算，根据地表沉降来计算地层损失率。

Peck(1969)经典公式，距离隧道中心线x处得地表沉降S[6]x

式中，Smax为最大沉降量;i为沉槽宽度系数。

地层损失体积VS，地层损失率VL分别为:

式中，D为隧道直径。

2)考虑深圳地区地层情况，地表沉槽宽度系数 i的计算采用Clough和Schmidt(1981)经验式:

式中，z0为隧道埋深;r为隧道半径。

3)计算地层沉槽宽度系数。考虑地表以下至隧道以上土层，地层损失的体积假设依然成立[7]。于是，Smax和i两个参数的取值会随深度变化而不同，它们均可表示为深度 z的函数 Smax(z)和 i(z)[9]:

1.2 计算管土相对刚度，确定管线最大弯矩及最大应力

1)计算管土相对刚度。剑桥大学Klar(2004)利用Mindlin解[4]，得出管土相互作用弹性连续解，定义了相对刚度R和标准化弯矩Mn:

式中，Es为土的变形模量(杨氏模量);M为管线弯矩。

2)确定管线最大弯矩及最大应力。Vorster(2005)通过离心模拟试验对其进行了验证[5]，并建立管土相互作用经验曲线(图2)。

从图2可以发现，相对刚度R是对数坐标。如果土的变形模量Es足够准确，那么相对刚度R也就能更好地符合实际情况。

图2 管土相互作用经验曲线(Vorster等，2005)

1.3 计算管线变形系数，评估管线安全状态

目前，国内规范中对管线安全警戒值没有明确的规定。现阶段是根据现有管线保护单位提出的警戒值确定，或根据当地管线主管部门提出的要求确定。在管线单位没有对管线的预报警值作出特殊规定的情况下，对于重要管线即按上述方法对其使用情况和极限情况进行计算，进而做出评估。

这里认为隧道施工扰动产生的管线应力σ与其允许应力［σw］的比值反映了管线的变形状态及管线的安全性状，将该比值定义为变形系数ξ:

可见一般情况下0≤ξ≤1，当ξ=1时管线破坏。因此ξ的大小可以反映管线工作状态与破坏状态的距离。

于是根据结构容许理论的判定标准，取管线允许变形的2/3作为控制值，且考虑实践中三级报警[9]机制可定义:ξ≤70%时，可认为管线离破坏还很远，管线处于绝对可靠状态，不需要对管线采取保护措施。70%<ξ<85%时，则认为管线距离失效状态很近，要进行预警;ξ≥85%时，则认为管线处于失效状态的边缘，需引起相关部门及人员的注意并采取相应措施。

2 案例应用

2.1 工程概况

深圳地铁5号线某盾构区间所在地区为海积平原，原地貌为濒海渔塘，现已经人工堆填整平，地形平坦，地面高程4.0 m左右。附近主要建筑有丽晶国际、滨海小学等。隧道主要在创业一路下穿行，地下管线密集，有电力、电信、污水、雨水、上水等多条主要管线。

2.2 工程现场管线及其地层分布

盾构掘进横穿次高压管燃气管线，隧道顶部覆土深度为10.0 m，隧顶覆土主要为填土层、淤泥层和砾质黏性土层，隧道主要穿越砾质黏性土层和全风化花岗岩层，土层工程地质参数见表1。该管线为次高压燃气钢管，隧道埋深10.0 m、燃气管线埋深1.5 m、隧道与燃气管线的相对距离约8.5 m。

表1 土层工程地质参数

2.3 数据分析与安全评估

表2列出了盾构穿越管线前后D311－D315五个测点7 d的沉降数据。数据显示D313为最大沉降点，其沉降值超出警戒值，监控中心及时发出了地表沉降的黄色报警[8]。

表2 管线正上方地表沉降数据 mm

为评估地表下方管线安全状态，按上述步骤做下面定量分析:

1)以测点D313累计沉降量为最大沉降量，反算地层损失率、地层最大沉降量与沉槽宽度系数。已知盾构的直径6.34 m，盾构的截面面积31.55 m2。

2)再由 EI=145 000 kN·m2，ES=12 000 kPa，按式(7)计算管土相对刚度

3)根据管土相互作用经验曲线图2和式(8)，求得Mn=0.66，继而计算管线最大弯矩及应力。

4)由管线允许应力［σw］=180 MPa，计算管线变形系数

监控中心于2010－01－03日发出了地表沉降的黄色报警，并就是否对此管线实施注浆进行了讨论。笔者通过以上数据分析和计算，认为目前管线仍属安全状态;基于此分析，后来未对其进行管底注浆加固，只是对管线进行跟踪监测。图3为该管线2009－12－27至2010－01－17的变形曲线图，从图3可以看出管线沉降渐进收敛，管线处于安全状态。

图3 某盾构区间(左线)煤气管线沉降曲线

3 结论

在实际工程中，人们往往希望把管线的变形与地表的沉降对应起来。即在不直接对管线进行监测或很难对其进行直接监测时，能通过地表的沉降来估算管线的变形，从而评估其安全状态。本文就此在前人研究的基础上，结合工程实践作了有意义的探索。

1)隧道施工扰动地层，引起地层位移，最终导致地表沉降。其中地层位移通过管土相互作用必将引起管线的变形。本文利用Peck经验公式和管土相互作用经验曲线，通过反分析把地表沉降、地层位移与管线变形建立联系，提出基于地表沉降的管线变形安全评估方法。

2)该方法从工程风险监控和判别的角度，综合考虑了地层地质参数、管线材质参数及施工监测数据，严格按照理论进行了计算和分析，并提出变形系数的概念对管线安全评估划分了等级。方法的可行性和操作性在工程实践中得到了验证。

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[9] 向卫国，徐玉胜，谭万忠.地铁施工扰动下地下管线安全监控模式探索［J］.工程质量，2009年增刊(下):58－61.