浅谈地铁隧道对邻近地下管线的影响

孙东波

中铁隧道勘测设计院有限公司 广东广州 510380

摘要：随着地铁的进一步发展，针对管线的解决措施会日趋完善。但是，受各地的地质情况、施工工艺、管线规划等诸多情况的影响，管线问题也将长期影响地铁事业的发展。文章针对地铁隧道施工对临近管线的处理方式进行分析。

关键词：地铁隧道；管线；变形；处理

1.管线功能失效分析

管线功能失效的形式是多样的，并因其周围土体受到施工扰动而产生附加应力和附加变形。同时，由于管线的刚度远大于土体的刚度，又必然会对周围土体的移动产生抵抗作用。在施工扰动作用下，管线可能产生泄漏，甚至结构上的破坏。贺长俊从风险角度提出了管线功能失效的定义，使用概率的方式定义，通过作用在管线结构上外荷载与其当前承载能力的对比。当管线功能失效时，结构最不利位置处的荷载效应不超过其当前的承载力，引入Pf=P[R

荷载响应、强度作用破坏示意图

Clarke系统总结了管线的各种破坏类型及其原因，Attewell等提出了脆性灰铁管的几种功能失效的模式：①纵向弯矩引起横向断裂；②环向弯矩引起纵向劈裂；③熔断、由长期腐蚀引起孔洞或穿孔；④管线接头处泄漏；⑤引入连接点处泄漏；⑥直接冲击引起损伤。

上述破坏形式的出现与管线的材料、接头类型、几何尺寸等多种因素有关。在地铁施工过程中，开挖引起周围地层的差异沉降是导致管线功能丧失的主要原因，主要表现形式为纵向弯矩引起的横向断裂。对于非刚性连接的管线，地层差异沉降导致的管线接头张开也是非常普遍的现象。施工过程中对管线产生影响，管线破坏后又反作用于工程，破坏程度愈演愈烈；二者的影响界定很难区分，例如给排水管线的自然老化造成管线功能失效，失效后对工程本体造成一定的影响，而随着工程本体遇水后出现结构失稳，又反作用于水管，造成更大的破坏。所以，在进行管线风险评估过程中，要考虑全面，各种因素做好统计，统筹分析概率，做到万无一失。

2.管线控制标准及处理方法

⑴管线受弯应力控制标准

同样条件下，不同材质的管线对隧道施工引起的扰动反应不同。管线刚度越大，管线变形越小，管线对土体的约束作用越大。如铸铁管对隧道开挖引起的拉应变比较敏感，一般压应变不起控制作用。总拉应变主要由两部分组成：与曲率相关的弯曲应变和轴向应变。受管线铸造质量等多种因素的影响，管线破裂时的拉应变值变化很大，一般在4000～6000με。铸铁的缺陷会引起应力集中，在管壁相对较薄地方的拉应变可以降到2000με。另外，其他原因导致地层移动而引起管线的应力集中也会导致铸铁的功能失效，因此制定管线迁改方案时要重点考虑这些因素。

Attewell等提出了在直接拉应力作用下总允许应变的限制范围。关于拉应变取值，Herbert和Leach指出：对于直径大于300mm的灰色铸铁管取200με，直径小于300mm的灰色铸铁管取150με是合理的；在相对不利情况下，可将上述取值分别降低为150和100με。刘建航、侯学渊用弹性地基梁法计算了施工引起的管道地基沉陷以及管道的弯曲应力，将管道变形的曲率半径作为判断标准。

EI（d4S/dx4）+KSd=KSpd

式中：S为地层沉降量；Sp为管线沉降量；EI为管线弯曲刚度；K为地基基床系数；d为管线直径。

⑵管线沉降控制标准

国外此方面的研究中O′RourkeTrautman提出了一种管线损害评估的经验方法，主要参考指标是管线可能受损处的地层移动坡角Smax/i，它与可能的管线破坏的关系是高斯沉降分布的函数。

国内目前在工程实践中采用的标准如下：

①参考广州地铁相关技术规定，管线两接头之间的局部倾斜不得超过8/1000；②参考北京、重庆地铁施工总结的的相关技术指标，地表最大斜率为2.55mm/m。

⑶管接缝张开控制标准

Attewell等人給出了铸铁管在地层移动作用下接头转角与脱开的允许值。在没有足够资料条件下，管线接头转角θ可以采用保守的估计，并取最大估计值。当管线与隧道横交时，将计算的估计值与控制标准比较，可以做出管线的安全性评价。魏新江、魏刚等提出接缝允许张开值[△]，即直径为D、管节长度为b的管节在管线沉降曲线曲率最大处（1/R）接缝张开值需满足Db/R<[△]。

3.管线处理过程中的难点与措施建议

3.1管线处理过程中的难点

⑴管线调查工作困难

地铁线所涉及到的管线种类繁多，数量庞大。各类管线虽然有管路规划，但是，在施工过程中，小的细节变动在所难免，高差、平面位置时有变动，这就给后期管线调查带来了诸多不定因素。另外因产权所属关系不同，同一区域存在多个产权单位，各类管线叠加，调查难度增大。

⑵管线状态难以准确判断既有管线承载能力与状态难以确定。管线深埋于地下，长期受土壤及地下水腐蚀、地面不均匀沉降以及内部的压力等因素，容易出现管路老化、接头松动等现象。另一方面，由于具体工程的施工方法、邻近的管线类型和周围土体等因素差别较大，给控制标准的制定带来了很大困难。

3.2 措施建议

地铁施工对管线的不利影响，主要表现为管道无法抵抗土层传来的变形影响。这就要求准确评价应力的大小及管材的极限应变能力。准确判断的情况下，为防止管道的破坏，常用的保护措施有以下几种：

⑴临时废弃

施工期间管线功能丧失后无重大损失或者影响的，例如部分路灯电力线，排水管等管线，施工结束后加以恢复。

⑵卸载保护

施工期间，卸载管体周围、尤其是其上部荷载，减小土体变形，从而达到保护管材的目的。

⑶地基加固法

施工前对管线周边土体进行预注浆加固，使管线和土体成为一个整体，减少不均匀沉降、位移造成的管线破坏。施工过程中通过同步注浆、施工结束后进行二次注浆，对土体内的建筑空隙进行填补，使土体密实，减小不均匀沉降。

⑷隔离法

顾名思义，即土体和管线隔离开来，施工过程中土体受到的应力形变无法传递至管线，从而达到保护管线的目的。一般通过隔离桩、隔离板以及深层搅拌桩等形式进行隔离。

以上几点方法均不能处理，或者以上几点措施对施工影响较大，造价过高时，一般采用迁改方式。迁改措施应注意迁改后的使用功能、迁改的位置、带压管的排布等问题。

参考文献：

[1]骆建军，张顶立，王梦茹《地铁施工对管线的影响[J]》中国铁道科学，2006，27（6）

[2]李大勇，龚晓南《软土地基深基坑工程邻近柔性接口地下管线的性状分析[J]》土木工程学报，2003，36（2）