隧道开挖对地下管线的影响

摘要：介绍了几种隧道开挖对地下管线影响的研究方法。通过建立地下管线受隧道开挖影响时理想化模型．分析了应用弹性地基梁理论和三种顸测地表沉陷方法相结合进行理论推导的可行性。

关键词：地下管线；地表沉陷；离心模拟实验；数值模拟

中图分类号：TU990.3 文献标识码：A文章编号：

Abstract: this paper introduces several kinds of tunnel excavation influence of underground pipeline of research methods. Through the establishment of the underground pipe tunnel excavation influence by when idealized model. Analyzes the application of elastic foundation beam theory and three Han surface subsidence combining the method of theoretical feasibility.

Keywords: underground pipeline; The surface subsidence; Centrifugal simulation experiment; Numerical simulation

随着城市经济和建设事业的发展．城市地面交通压力越来越大，单一的地面交通已经无法解决城市交通拥挤的状况，迫切需要大力发展地下快速轨道交通来从根本上解决交通拥挤的问题。20世纪50年代以来，特别是70年代以后。拥有地下铁道的城市迅速增多，全世界已经建成的地铁线路达5200km。地铁等地下交通网的建立能够解决城市空间缺乏的问题，从而推动了经济的可持续发展。同时由于近来地铁隧道发展，势必要对以上的管线产生影响，如果不把管线的安全考虑在内，如果发生断裂，后果将不堪设想。2007年2月5日凌晨，南京地铁二号线汉中路施工段发生塌陷，自来水管爆裂、燃气管道着火。天然气管道断裂爆炸导致附近5000多户居民停水、停电、停气，附近的金鹏大厦被爆燃的火苗“袭击”。所幸没有人员伤亡。

地铁建设中，隧道盾构施工由于机械化程度高，对地层适应能力强．有着广泛的用途。但是无论是土压平衡盾构还是泥水加压盾构，即使是严格控制工作面土压平衡或泥水压力平衡，仍不可避免会引起一定的地表变形，对在其上部的地下管线产生影响：地下管线，指埋置在地下的，用于不同用途的圆柱壳形状的结构物，如输送油气水的管线。市政工程中的给水管、排水管、煤气管、引水管等。

发达国家都进行了专门研究，许多国家制定了相应的设计规范，规定了计算管线的荷载的公式，为了保证设计的地下管线能正常的运行，但是埋管开裂的情况却不断发生。

如何在开挖过程中防止坍塌，并有效地控制开挖引起的地面沉降。以保护工程沿线地下管线的安全，已经成为城市地铁工程中需要解决的一项重要的课题。特别由于近来地铁隧道发展，势必要对以上的管线产生影响，主要研究方法有以下几种：

1数值模拟方法

主要是指三维有限元数值分析，是基于ANSYS，FLAC等软件平台对地铁隧道引起管线变形的因素给出解释。这种方法具有能考虑各种因素，描述材料物理非线性等能力和特点，突破了经典弹塑性理论有关介质连续、均质、各向同性和小变形等假定的限制，使得分析方法更贴近工程实际。运用现代化的计算手段和计算工具，将力学分析引入地下工程施工领域和时间的制定，以及支护，地表沉降等诸多参数的优化等重大工程技术问题。

数值模拟计算表明管线最大沉降都在隧道与管线的相交点。其中利用程序软件ANSYS模拟隧道开挖对地下管线的影响，可以分别得出盾构刀盘推进力、隧道开挖面到地下管线不同距离、注浆程度等对地下管线的影响程度。通过模拟对指导隧道施工时对临近地下管线的位移预测提供了有利的理论依据，可以通过估计最大位移发生的时间和地点，从而保障整个施工的顺利进行。毕继红、刘伟等采用Abaqus有限元分析软件，建立管线与双线隧道三维模型，模拟隧道开挖对地下管线的影响，考虑了不同的埋深、材质等条件。结构表明管线周围土的性状、与隧道的相对位置以及自身刚度、管径等将对其变形和内力产生较大的影响。吴波、高波、索晓明等以深圳地铁大剧院为背景，阐明了该工程的施工方案，并给出了管线安全性的评价标准，利用三维有限元法模拟了隧道施工过程中的管线的动态响应，通过离心模型实验、数值模拟分析、场地测量对比分析，论证了分析结果的可靠性。彭基敏、张盂喜用ANSYS程序软件模拟盾构推进对邻近地下管线位移的影响，探讨盾构刀盘推进力、盾构刀盘、盾构开挖到地下管线不同距离，注浆程度等因素对地下管线位移的影响。

2土工离心模型实验法

土工离心模型实验是目前国内国外竟相采用的一项新技术，其最大的优点是能研究地下工程的应力变形和破坏过程。利用其物理相似性达到用模型模拟原型的目的。离心模型的基本原则，即模型尺寸比原型尺寸减小n倍，则作用在模型上的体积力增加n倍。由以上原理可知，模型中任意点的应力、应变与实体中对应点的应力、应变相等，而实体的位移即为模型对应点位移的n倍。

通过现场原状土样制备，用小导管洼浆效果和锚杆的加固是用提高围岩的强度参数进行模拟，对于隧道初期支护和临时支护可以用铝板替代，地下管线用紫铜管模拟。通过土工离心模型实验拟隧道施工的影响可以模拟管线在施工期间的状态。

3解析方法

AtteweIl基于Winker弹性地基模型提出隧道施工对结构与管线的影响评价方法，根据管线位置与地层运动方向的不同，分别计算了管线垂直与平行地层运动时管线的弯曲应力与接头转角，研究了大直径与小直径管线在地层运动下不同的反应性状，讨论了理论分析的实际应用可行性，给出了管线设计方法，是较早的比较系统的研究成果。廖少明、刘建航也基于弹性地基梁提出了地下管线按柔性管和刚性管分别进行考虑的两种方法。

解析方法说明，地下管线所有的受力为上覆土压力、自重、管线内液体的重量、地面荷载、地基反力、地面超载。其中地面超载是和地表沉陷曲线方程有关的量。而地表沉降曲线方程的确定方法主要有以下方法：

1)修正Peck法纵向沉降预测

1969年，Peck提出了地层损失的概念和估计隧道旅工引起地面沉降的实用方法。通过对大量地表沉降实测数据分析后。Peck认为地表沉降槽近似正态分布曲线，并给出沉降槽的宽度。根据不同地层条件、隧道直径及埋深等参数间的无量纲关系式，假定地面沉降槽的体积等于隧道施工中产生的地层损失的体积，假设横断面上地面沉降曲线形状为下图中所示的正态分布曲线。

2)基于随机介质理论的纵向沉降预测。随机介质法通过把隧道开挖对地表变形的影响等效为构成这一开挖的无限多个微元体的影响的总和的合理假设，定义开挖水平面以上，长、宽、厚均为无限小的单元。可得出，单元开挖引起的地表沉降分布表达式。

3)设地表沉陷方程，由边界条件确定出系数从而确定地表沉陷方程。得出管线变形的微分方程。

通过以上三种方法确定出地表沉陷方程后，可以得出管线变形的微分方程。通过解答可得出地线管线所受隧道开挖影响下所受到的弯矩和剪力。

A．klar等人对比了弹性地基梁模型和弹性连续解模型两种模型解决隧道与管线相互作用，比较系统的说明了弹性地基梁模型的建立。但是并没有给出明确的解析解。地下管线在地层移动及变形作用下的主要破坏模式，一般有两种情况：

①管段在附加拉应力作用下出现裂缝，甚至发生破裂而丧失工作能力；

②管段完好，但管段接头转角过大，接头不能保持封闭状态而发生泄漏。

管线的破坏形式可能主要由其中一种模式控制也可能由两种破坏同时发生。

Attewe]l定义了隧道施工引起的地下管线破坏模式：柔性管(主要为钢管及塑料管)由于屈服或挠曲作用产生过度变形而使管段发生破裂；刚性管(主要为脆性灰铁管线)破坏的主要模式有由纵向弯曲引起的横断面破裂、由管段环向变形引起的径向开裂、管段接头处不能承受过大转角而发生渗漏。Molnar通过理论计算与实测资料相比较给出了各类管线的允许弯曲应力与允许接头转角，可以为进一步研究提供参考。为保证隧道掘进过程中临近管线的安全，现行的一般做法是控制管线的沉降量、地表倾斜及管接缝张开值。这些控制值的确定是基于若干规范和工程实践经验确定的，具有相当程度的可靠度。然而．在实际工程应用中存在地下管线的变形和应变不易测量以及对柔性接头管线的接头转角无法实测的尴尬。

建立在软件平台上的三维有限元分析和土工离心实验法都得到验证，并且都已经指导实际工程，但是有其缺点。土工离心实验能够真实反应实际的情况，但是材料选择中有困难，实践证明由于尺寸效应，难以找到合适的材料代替实际的工程材料。而建立在软件平台上的三维有限元模拟有难以模拟出复杂的环境的影响，理论推导的方法可以用增加参数的方法来反应复杂的环境，但是对微分方程的解答有难度，对这一方面的研究有待进一步深入。

潘启刚：（1984-），毕业于安徽理工大学，从事地基基础工程施工管理工作。