轨道交通工程周边地下管线位移控制指标

2014-02-13曹伍富吴锋波刘永勤

都市快轨交通 2014年5期

曹伍富马骉金淮吴锋波刘永勤

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司北京100037;2.北京城建勘测设计研究院有限责任公司北京100101;3.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083;4.北京科技大学土木与环境工程学院北京100083)

随着城市轨道交通工程的飞速发展，在地铁工程施工过程中对临近管线合理监测以保护工程沿线地下管线的安全，成为城市轨道交通工程中亟待解决的一项重要课题。地下管线控制指标的确定主要受工作压力情况、功能、性质、材质、类型、铺设方法、埋置深度、土层压力、管节长度、管径、接头形式、铺设年代等诸多因素的影响，在实际工程中很难针对每一条管线给出合理的控制值。在工程建设过程中，应注重已有监测资料的积累，同时进行工程经验总结，深入分析地下管线安全性的影响因素，以提出较为适宜的控制指标建议数值。

1 地下管线控制指标

城市地下管线埋深较浅，工程建设造成的管线不均匀沉降易引起其内部出现纵向弯曲应力或接头开裂应力［1］，应力过大时可使其出现开裂、甚至断裂。

地下管线接口为焊接、法兰等形式，材质较为坚硬的刚性管线具有一定的抵抗变形能力，在工程施工可使其出现附加弯矩;承插式连接的管道可在接口处出现转角，通讯电缆、光缆等材质较柔的地下管线，则可能出现与地层整体位移较为一致的变形。

根据地下管线自身和变形特点，刚性管线的安全性可由管道允许曲率半径(竖向位移)、接口抗拔力或管道受弯应力进行判断，管道中的纵向弯曲应力小于容许值时，管道可安全使用，反之管道可能会产生断裂或泄漏;柔性管线的安全性一般由管道的允许曲率半径(竖向位移)和接头张角(转角)进行判断。

1.1 地表位移控制指标

O＇Rourke等［2］提出以管线可能损害处的地层移动坡角值Smax/i评估管线的损害，其中Smax为隧道开挖引起的最大地表沉降，i为隧道中线到地表沉降槽反弯点的距离。在砂层中，浅埋隧道上方直径大于200 mm的相对刚性管线允许坡角为0.012，直径小于200 mm的相对柔性管线允许坡角为0.012～0.040。该方法没有考虑地层条件、管线种类等，不适用于脆性材质管线，如灰色铸铁管。

Attewell等［3］提出了初步评价地下管线安全性的最大地表沉降值(见表1)。管线损坏是指突发事件导致的管道渗漏或者其他需立即维修的情况。脆性材料管道轴线到隧道顶部的距离必须大于2倍隧道跨度，隧道上覆硬黏土时，管道轴线到隧道顶部的最小距离为1倍隧道跨度。

表1 地下管线最大地表沉降值

原国家煤炭工业局制定的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》［4］规定了暖卫工程网管的地表(地基)允许和极限变形值，其中接头与管体等强度的钢质煤气管，允许伸长1.0～3.5 mm/m，供热管道允许伸长3.0～6.0 mm/m，倾斜4.0～6.0 mm/m，极限伸长5.0～10.0 mm/m，倾斜7.0～12.0 mm/m;自来水管地下钢管允许伸长4.0～5.0 mm/m，极限伸长6.0～8.0 mm/m;接头和管道等强度的钢质压力排水管，允许伸长3.0～4.0 mm/m，极限伸长5.0～6.0 mm/m。

刘招伟等［5］指出地铁上方电缆隧道可视为受垂直荷载的梁，结构在正常使用时受到的应力应小于其允许应变的设计应力，允许拉应力有

式中:［ε］为允许拉应变;［σ］为允许拉应力，MPa;E为材料弹性模量，MPa。

管线在地层沉降时产生的变形应小于(或等于)其允许应力的相应变形范围，由此可计算差异沉降允许值

式中:m为计算长度，m。

根据式(1)(2)，从考虑地下管线的安全角度出发可以计算确定最大允许地表沉降值。

赵文等［6］选取施工现场改移的煤气铸铁管线进行试验，该管线运行了20年，为承插接口，内径150 mm，弹性模量100 GPa，长度2 m，壁厚9 mm，端头间距0.8 m，抗拉强度110 MPa。试验结果表明:管线变形曲率应≤0.007 8或差异沉降≤1/128，管线最大拉应力应≤71 MPa，安全系数通常为1.5，最大压应力应≤127.4 MPa。研究认为:地面沉降50～80 mm时地下管线处于安全状态。

北京、重庆等轨道交通施工总结的技术标准规定:管线上方的地表最大斜率为2.55 mm/m。

1.2 管线自身位移控制指标

一般承插接口铸铁管道和柔性接缝管道，每节许可差异沉降≤L/1 000(L为管节长度)。上海市政部门规定煤气管线的允许水平位移为10～15 mm。德国建筑标准规定管线允许水平变形为0.6 mm/m，允许倾斜变形为1～2 mm/m［7］。日本浅埋隧道管道控制值变形为(1～2)×10-3rad，沉降控制值为-40～-20 mm，隆起控制值为+20mm，污水管沉降控制值为-20 mm［5］。

国内相关技术规范、工程标准等给出了一些地下管线沉降、差异沉降(倾斜率)和变化速率的控制值，具体内容见表2。

表2 地下管线位移控制值［8－14］

GB 50332—2002［15］《给水排水工程管道结构设计规范》规定柔性管道采用水泥砂浆等刚性材料作为防腐内衬的金属管道，在组合作用下的最大竖向变形不应超过0.02～0.03D0(D0为圆形管道的计算内径);采用延性良好的防腐涂料作为内衬的金属管道，在组合作用下的最大竖向变形不应超过0.03～0.04D0;化学建材管道，在组合作用下的最大竖向变形不应超过0.05D0。

对于刚性管道，其钢筋混凝土结构构件在组合作用下，计算截面的受力状态处于受弯、大偏心受压或受拉时，截面允许出现的最大裂缝宽度不应大于0.2 mm;计算截面的受力状态处于轴心受拉或小偏心受拉时，截面设计应按不允许出现裂缝控制。

2 实测资料分析

收集北京地区城市轨道交通工程周边地下管线实测资料进行研究，包含雨水管线、污水管线、上水管线、热力管线、燃气管线、电力管线共163条。其中，26条管线为直接监测点的管体变形结果，137条管线为地表间接监测点的实测结果。所用资料均为第三方监测结果，具有较好的真实性。

2.1 管线直接监测结果

图1所示，3条φ1 000～1 800 mm的大直径雨水管线(沟)，均为砼结构，其中φ1 000雨水管最大沉降量达到-29.5 mm(控制值为-20 mm)，但平均沉降量为-7.6 mm，在控制范围内。导致沉降值较大的原因为该管线距离基坑最近段仅为1.7 m，且在施工时基坑降水、前期土方开挖过程，对钢支撑架设有不及时的现象。

图1 地下管线直接监测结果

8条φ500～1 050 mm砼结构污水管线，φ550及φ600 mm两条管线最大沉降量分别为32.65、62.97 mm，其倾斜率为0.03‰～0.41‰和0.40‰～1.30‰，均小于2.0‰的控制要求。

4条φ300～1 000 mm铸铁结构上水管线，平均沉降量较小，多未超过控制值。其中φ1 000上水管最大沉降量为-24.28 mm，超出设计控制值(-10 mm)，但其差异沉降(倾斜率)较低，为0.02‰～0.53‰。

热力管沟共8条，为钢筋混凝土结构且直径较大，尺寸为4 400 mm×1 800 mm、2 100 mm×4 000 mm、1 900 mm×2 050 mm等。整体沉降量较小，其中车站暗挖主体结构平行下穿一条管沟(128 m)，发生了较大沉降，最大沉降量达到-51.28 mm，平均沉降值为-40.12 mm，均远超设计控制值(-15 mm)。主要受车站主体施工影响发生整体沉降，倾斜率为0.15‰～1.05‰。

φ300 mm和φ500 mm两条燃气管线，均为钢管，其中φ300燃气管线整体沉降超过设计控制值(-10 mm)，最大沉降量-22.69 mm，最大倾斜率为0.54‰，为均匀整体沉降。在两条电力管线中，其中一条φ195电力管受工程施工综合影响，由于地层水量较大，注浆引起抬升隆起，隆起值未超过10 mm;另一管线沉降控制较好，在控制范围之内。

地下管线变形控制指标受多种因素影响，实测结果表明，地层较为软弱的地区其燃气、雨污水、供水和电力管线均有较大沉降出现，但倾斜率多小于控制要求，地下管线未发现渗漏、开裂等现象。

2.2 地表间接监测结果

北京地区工程周边地下管线监测点多为地表间接监测点，本文收集统计了135条地下管线的地表间接监测资料，根据地下管线功能分为供水管线、雨水管线、污水管线、燃气管线、热力管线和电力管线等，分别进行统计分析。

1)雨水管线。雨水管线材质多为混凝土，直径小于0.5 m时采用混凝土管，直径大于1.5 m时一般为钢筋混凝土箱涵，埋深一般大于1 m且小于10 m，这在北京地区地铁工程施工中较为常见。共收集33条地下雨水管线的地表间接监测资料，实测结果见图2。

33条管线共365个监测点的最终地表沉降分布频率分析如图2(a)所示，其中330个测点发生沉降，平均值为-13.46 mm，沉降值标准差为14.48，建议控制值为-25 mm，可包含86.1%的统计监测点;35个测点发生隆起，数值均小于10 mm。由图2(b)可知，大部分雨水管线工点整体沉降量较小，得到了良好控制，个别地表监测点出现隆起，隆起值小于10 mm。

个别管线变形范围较大，一条2 200 mm×1 650 mm雨水管沟最大沉降量为44.89 mm，平均沉降量为26.45 mm，最大变化速率为1.66 mm/d;另一条3 000 mm×1 750 mm雨水管沟最大沉降量为35.00 mm，平均沉降量为25.94 mm，最大变化速率为1.90 mm/d。两条管线均位于盾构正上方，受地质条件改良不好、背后注浆不及时等原因扰动。φ300雨水管线受车站基坑施工影响，最大沉降量为57.60 mm，平均沉降量为47.17 mm，最大变化速率为1.65 mm/d。φ700雨水管线最大沉降量为41.80 mm，最大变化速率为3.40 mm/d，此条管线受车站侧穿、暗挖施工过程初支封闭成环时间过长，同时又被一条盾构隧道下穿的综合影响。

图2 雨水管线地表间接监测结果

2)污水管线。37条φ400～2 700的污水管线，多为混凝土管，少量为钢筋混凝土管、水泥管，为承插接口，埋深范围一般为2～10 m，这在北京地区地铁工程施工中较为常见。除个别管线有超过控制值现象，大部分在控制值范围内，变化速率大部分在2 mm/d以内。污水管线实测结果如图3所示。

37条污水管线共413个监测点的最终地表沉降分布频率分析如图3(a)所示，其中378个测点发生沉降，平均值为-13.58 mm，沉降值标准差为12.85，建议控制值为-25 mm，可包含87.3%的统计监测点;35个测点发生隆起，均小于10 mm。在图3(b)中，两条φ600污水管线最大沉降量分别为-61.90 mm和-65.11 mm，远超控制值20 mm，经调查均为受到车站不同结构施工与线路施工的多重影响导致，最大沉降速率分别为1.00 mm/d和1.10 mm/d。

3)给水管线。给水管线材质多为铸铁材质，少量为钢管或混凝土结构，埋深相对较浅，一般为2～5 m，同样是在地铁工程施工中较为常见的一种管线。共收集27条地下雨水管线的地表间接监测资料，实测结果见图4。

图4(a)为27条给水管线共265个监测点的最终地表沉降分布频率分析，其中243个测点发生沉降，平均值为-8.90 mm，沉降值标准差为6.93，整体得到了较好控制，建议控制值为-15 mm，可包含81.9%的统计监测点;22个测点发生隆起，平均值为2.17 mm。由图4(b)所示，上水管线整体沉降情况较好，绝大多数工点的沉降量得到较好控制，变化速率也多在2 mm/d以内。

部分管线出现了上浮，但隆起值一般小于10 mm。其中，一条φ400上水管线最大上浮值为11.60 mm，因施工期为冬季冰冻时期，监测值受土体冻胀影响;另一条φ1 400上水管最大沉降量为43.45 mm，平均沉降量为28.81 mm，最大变化速率为1.87 mm/d。

4)电力管线。10条电力管沟，直径均在2 000 mm左右，为混凝土结构，埋深多在5 m左右，实测结果见图5。

图4 上水管线地表间接监测结果

图5 电力管线地表间接监测结果

10条电力管沟共72个监测点的最终地表沉降分布频率分析如图5(a)所示，其中60个测点发生沉降，平均值为-11.38 mm，沉降值标准差为12.01，建议控制标准为-25 mm，可包含88.3%的统计监测点;12个测点发生隆起，隆起值均小于10 mm。由图5(b)所示，仅其中一条2 000 mm×2 000 mm电力管沟的沉降范围较大，最大沉降达到-51.71 mm，其他电力管线变形均在控制值范围内，整体变形较小，管线变化速率多在2 mm/d以内。

5)热力管线。13条热力管沟，直径较大，多为混凝土结构，少量为钢砼结构，实测结果见图6。

图6 热力管线地表间接监测结果

13条热力管沟共184个监测点最终地表沉降分布频率分析如图6(a)所示，其中179个测点发生沉降，平均值为-12.65 mm，沉降值标准差为9.57，符合现行广泛控制标准-20 mm，可包含80.4%的统计监测点;5个测点发生隆起，隆起值均小于10 mm。

一条3 400 mm×1 600 mm热力沟的最大沉降为-45.01 mm，其他大部分管线变形均在控制值范围内，整体变形较小，见图6(b)，管线变化速率多在2 mm/d以内。

6)燃气管线。燃气管线的材质多为钢管(主要是无缝钢管和焊接钢管)，少量为聚氯乙烯(PVC)塑料管。燃气管线为承压管线，工程安全重要性等级高，对燃气管线沉降量控制要求较为严格。收集17条地下燃气管线地表检测数据，实测结果见图7。

图7 燃气管线地表间接监测结果

17条燃气管线共136个监测点最终地表沉降分布频率分析如图7(a)所示，其中129个测点发生沉降，平均值为-13.20 mm，沉降值标准差为11.24，对于燃气管线仍需进一步研究其变形、受力及破坏机理，综合考虑北京地区燃气管线的埋设年代、材质、构造、接头形式等诸多因素，定量掌握地铁施工对其影响程度。7个测点发生隆起，隆起值均小于10 mm。

由于目前规范对于燃气管线控制要求严格(-10 mm)，部分工程施工对燃气管线影响超出控制范围且数值范围变化较大，见图7(b)。其中一条DN500钢管燃气管最大沉降值达到-50.12 mm，但管线变化速率均在2 mm/d以内。