摘要：隨著地下工程的不斷增加，國內(nèi)外對城市隧道施工引起鄰近地下管線損害的研究日益重視。本文從地下管線初始應(yīng)力、管－土相互作用、管線破壞模式及允許變形值、管線變形計算方法四個方面綜述了隧道施工對鄰近地下管線影響研究的現(xiàn)狀，提出了今后研究的重點。
　　關(guān)鍵詞：隧道施工，地下管線，環(huán)境影響
　　1.前言
　　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(shè)施的密集區(qū)，從而導(dǎo)致城市隧道建設(shè)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(shè)施所造成的影響危害在允許的范圍內(nèi)。特別是各種地下管線由于種類繁多，管線材質(zhì)、接頭類型及初始應(yīng)力各異，加之分屬部門不同，執(zhí)行保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)有差異，更加大了隧道施工中管線保護(hù)的難度。
　　2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
　　2.1地下管線初始應(yīng)力
　　城市隧道開挖之前地下管線就承受的應(yīng)力稱為管線的初始應(yīng)力，它是由管道內(nèi)部工作壓力、上覆土壓力、動靜荷載、安裝應(yīng)力、先期地層運(yùn)動及環(huán)境影響等因素共同作用的結(jié)果。一般說來，管線安裝墊層沒有充分壓實或由于其他原因?qū)е虏痪鶆虺两担�管線就會出現(xiàn)管段應(yīng)力增加或接頭轉(zhuǎn)角增大現(xiàn)象；管道內(nèi)外壓力不同會導(dǎo)致管段產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)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(yīng)力的改變；同樣，管線埋置土層的不同也會導(dǎo)致管身不同的應(yīng)力狀態(tài)：比如，管線埋置于溫差較大的土層就會使管身產(chǎn)生應(yīng)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(qiáng)度。
　　2.2管線與周圍土體的相互作用
　　隧道建設(shè)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(chǎn)生附加應(yīng)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(chǎn)生抵抗作用。當(dāng)?shù)叵鹿芫�直徑增大到一定程度后就會對周圍土體移動產(chǎn)生抵制作用，這同時也增大了管線破壞的風(fēng)險。國內(nèi)學(xué)者蔣洪勝等曾對上海地鐵二號線某段盾構(gòu)法施工對上部管徑3.6m的合流污水管產(chǎn)生的影響及處理的措施進(jìn)行過研究。不過Attewell認(rèn)為盡管大管徑管線抵抗土體移動時會增加管身的應(yīng)力，但由于管線自身強(qiáng)度較大（主要針對灰鐵管線）而不會導(dǎo)致管段產(chǎn)生大的附加應(yīng)力[1]。總的來說，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(yùn)動比較劇烈，管材、接頭比較脆弱且運(yùn)營年限久的大管徑管線要進(jìn)行專門的風(fēng)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(yīng)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(zhuǎn)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(qiáng)度較大可能只需計算其最大彎曲應(yīng)力就能預(yù)測管線是否安全；但對于鑄鐵管及球墨鑄鐵管，尤其是對運(yùn)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(xiàn)[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(chǎn)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(zhuǎn)角而發(fā)生滲漏。為保證隧道掘進(jìn)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。
　　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(jìn)行準(zhǔn)確的受力變形分析理論分析是地下管線保護(hù)研究的基礎(chǔ)，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(yù)計隧道施工地表沉降槽經(jīng)驗公式以來，許多學(xué)者對于隧道施工引起的周近環(huán)境土工問題進(jìn)行了比較深入系統(tǒng)的研究，Attewell等對此進(jìn)行了總結(jié)，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(nèi)部位移預(yù)計中獲得了較好效果。
　　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(fēng)險評估學(xué)等眾多學(xué)科的綜合性課題，目前研究的深度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，在地下管線初始應(yīng)力、管－土相互作用、管線變形允許值、應(yīng)力變形計算等方面均有待進(jìn)一步深入。
　　（1）地下管線初始應(yīng)力受管道內(nèi)部工作壓力、覆土壓力、動靜荷載、安裝應(yīng)力、先期地層運(yùn)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(yīng)力是上述各力綜合作用的結(jié)果，僅僅靠簡單的疊加并不能準(zhǔn)確反映初始應(yīng)力的狀態(tài)。
　　（2）目前在管－土相互作用的研究上，大部分學(xué)者仍然假設(shè)管與土緊密接觸，不發(fā)生相對位移。這種假設(shè)對小管徑管線且埋置土層工程性質(zhì)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(chǎn)生明顯抵抗作用，這種假設(shè)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(chǎn)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(yīng)該綜合考慮管材、管徑、接頭類型、管線功能、運(yùn)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㎝以內(nèi)），這樣作盡管有一定的可靠性，但沒有依據(jù)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(jìn)度，增加了工程投資。
　　4.展望
　　隨著社會經(jīng)濟(jì)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(jīng)成為人類擴(kuò)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(qiáng)研究，城市隧道施工中鄰近地下管線的保護(hù)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(fù)雜、種類各異，因此在隧道施工前應(yīng)做好普查工作（現(xiàn)在廣州等大城市已經(jīng)進(jìn)行了地下管線的普查工作，并建立了地下管線信息系統(tǒng)）。
　　（2）隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對隧道引起的管線位移應(yīng)力應(yīng)變分析可以考慮采取數(shù)值模擬，把隧道與管線當(dāng)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(guān)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(jié)合，準(zhǔn)確預(yù)測管線的初始應(yīng)力、允許變形值以能夠科學(xué)評估隧道施工給地下管線帶來的危害。
　　（4）準(zhǔn)確評價隧道施工對鄰近管線的影響，必須緊密結(jié)合社會、經(jīng)濟(jì)情況，除了理論分析、試驗、監(jiān)測外還可引進(jìn)工程風(fēng)險評估系統(tǒng)，對隧道施工引起的環(huán)境問題進(jìn)行風(fēng)險評價，綜合考慮管線破壞引起的環(huán)境保護(hù)、安全性、后期費(fèi)用等眾多因素。
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1]AttewellP.B.,etal.Soilmovementsinducedbytunnelingandtheeffectsonpipelinesandstructures[M],Blackie,London,1986.
　　[2]KristinM.Molnar,RichardJ.Finno,EdwinC.Rossow.Analysisofeffectsofdeepbeacedexcavationsonadjacentburiedutilities[R].SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering,NorthwesternUniversity,December,2003.
　　[3]A.p.Moser.地下管設(shè)計[M]，北京市市政工程設(shè)計研究總院《地下管設(shè)計》翻譯組譯，北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2003.