地铁隧道施工对地下管线的影响

摘要：为节约土地和缓解交通拥挤现状以及不影响地面交通，对于主要交通干道的地下隧道通常采用浅埋暗挖法施工。由于城区道路下面埋设众多管线，隧道施工中如何避免对这些管线造成不利影响，减小经济损失，已成为一个亟待解决的问题。笔者结合有关管线安全性的评价标准，论述了利用三维有限元分析模型及土工离心机模型试验对地下管线的安全性进行预测的可行性。

关键词：地铁隧道；地下管线；施工；影响因素

中图分类号：U45文献标识码： A

1 引言

近年来， 随着国民经济的飞速发展，城市建设亦掀起了新的高潮，其中地铁的建设得到很大发展。由于地铁施工多位于市区比较繁华的地区，尤其是在地下管线复杂的城市中心地区，开挖施工将对其周围环境产生较大的影响。严重的会导致地下管线因变形过大而破坏，甚至造成严重的经济损失和社会影响。本文结合三维有限元数值分析以及土工离心试验的结果对地铁隧道施工引起管线变形的因素给出定性的解释，并给出地下管线的安全性控制标准。近邻施工的管线，为了确定施工过程中采取何种相关措施确保管线安全，必须对已有地下管线受施工影响产生的变形和受力状态进行预测。目前预测方法主要有解析法、数值模拟法和土工离心模型试验法。下面分别加以介绍。

2解析法

Attewell基于Winkler 弹性地基梁理论模型提出隧道施工对管线影响的研究方法。根据管线位置与隧道掘进方向的不同，分别计算了管线垂直与平行隧道掘进方向时管线的弯曲应力与接头转角，同时分析了大直径与小直径管线在地层运动下不同的反应性状，提出了基于弹性地基理论研究的实际应用可行性，并给出了管线设计方法，是较早的比较系统的研究成果。[1]廖少明、刘建航也基于弹性地基梁理论提出地下管线按柔性管和刚性管分别进行考虑的两种方法，计算模型如图 1。[2]

图 1 弹性地基梁计算模型

对于柔性地下管线，在地层下沉时的受力变形研究可以从管节接缝张开值、管节纵向受弯及横向受力等方面分析每节管道可能承受的管道地基差异沉降值，或沉降曲线的曲率。高文华利用Winkler弹性地基梁理论分析了基坑开挖导致的地下管线竖向位移和水平位移，推导了相应的计算公式；讨论了引起地下管线变形的因素：基床系数、沉陷区长度及地下管线对应的地表沉陷量，给出了不同管线变形控制标准及安全度评价准则。段光杰根据Winker地基反作用模型，讨论了由隧道不同施工方法引起的地层损失对周围地下管线的影响，在管线处地层径向变形和地层轴向变形影响下， 分别归纳总结了管线垂直于隧道轴线和平行于隧道轴线两种位置情况下，管线变形、应变和转角等参数与地表最大沉降值的关系。

基于以下两种假设：一是假设管段是连续柔性的，当管线随土体移动时只在管段上产生弯曲而不在接头处产生转角，由于管段轴向位移很小，认为管线移动时不发生轴向应变，管线弯曲服从Bernoulli-Navier理论；二是假设管段是刚性的，管线移动所产生的位移全部由接头转角提供，接头不产生抵抗力矩，允许接头自由转动，接头转角只在纵向产生，认为管线上扭矩为零Molnar推导了地下管线在周围土体发生移动时的弯曲应力及接头转角计算公式，对于同一条管线分别进行以下两种临界状态的分析，将计算值与允许值进行比较，即可预测管线的安全状况。

3 有限元数值模拟方法

3.1 管线有限元方法分析

城市地铁隧道开挖是从地表以下取走部分岩土体，从而使地层从原来的平衡过渡到一个新的平衡。此时原始地应力场发生变化，在岩土体应力变化过程中，地应力从地表往下传递到隧道结构，而地层变形则从拱顶延伸到地表，地层内部和地表较大范围包括管线在内将产生位移和变形。开挖引起的地层损失和隧道周围地层受到扰动或剪切破坏的再固结是管线产生变形和位移的根本原因。在地铁隧道建设中，地下管线因周围土体受到施工扰动引起管线不均匀沉降和水平位移而产生附加应力。同时，由于管线的刚度大约为土体的1 000～3 000倍，又必然会对周围土体的移动产生抵抗作用。[3]

管线的实际受力情况为三维应力状态，有限元模拟方法一般把隧道施工过程中的地基变位结果作为地下管线的输入条件进行分析，从而将地下管线模拟成三维弹性单元。将管线模拟成三维实体单元分析时作以下假设：

（1）地下管线为理想状态，即管线的直径、壁厚均匀相等；管线接头影响在模型中不考虑；管线材料为线弹性体，且各向同性。

（2）构建的岩土和岩体材料三维模型符合Drucker-Prager准则。

（3）模型中的土体为弹塑性，且均匀分布，不考虑其分层情况。

（4）地下管线的变形和应力包括管线埋设时的初始应力、隧道开挖时的附加应力。

（5）管线与周围土体始终紧密接触。

3.2 建立模型

模型范围由新建隧道开挖直径及隧－管交叉施工影响范围共同确定。姚宣德等通过研究地铁浅埋暗挖法施工引起的地表沉降统计得出浅埋暗挖法隧道施工引起地表纵向沉降的范围是监测点前隧道开挖直径的2倍，监测点后约隧道开挖直径的5倍距离时沉降进入基本稳定阶段；对于落入新建隧道强影响区的既有隧道部分，除需考虑纵向效应外，还要考虑横向效应，横向效应约为新建隧道外左右各5倍开挖洞径。设隧道开挖宽度约12m，则模型的地层范围如下：横向（X轴）为隧道外左右5倍开挖洞径，共132m；竖直（Y轴）上部为自然地表，下部为新建隧道底下3倍开挖洞径；纵向（Z轴）为管线前2倍隧道开挖直径，管线后5倍隧道开挖直径，共84m。

计算采用弹塑性分析，围岩材料为D-P模型，围岩和锚杆支护结构采用Soild45实体单元模拟；衬砌为壳单元，采用Shell63壳单元模拟；管壁厚度与管径相比很小，可视为薄壁管，采用Shell63壳单元模拟。模拟过程中将隧道锚杆支护的力学作用等效为锚杆作用范围内土体力学参数的改善，采用预加固区进行模拟，厚度为2m，隧道衬砌厚度为0.4m，材料为C25钢筋砼。根据正交试验设计方案，共建立16个模型，衬砌和加固圈材料参数见表1，他参数见正交设计方案相应水平参数。

表1：衬砌和加固圈物理材料参数

计算模型约束条件为左右两侧水平约束（即X方向），下侧施加垂直约束（即Y方向），纵向两面施加前后约束（即Z方向），地层施加荷载为重力荷载。所有的有限元分析均通过ANSYS软件建模后完成。

3.3隧道开挖与支护及连续施工的实现

根据正交试验设计情况，选取相应的材料和参数进行组合，建立三维有限元模型。隧道开挖与支护过程犹如材料的添加和消除，利用ANSYS单元生死功能来实现：通过先直接选择被开挖掉的单元并将这些单元杀死来实现隧道的开挖模拟；进行隧道支护时，先将相应支护部分在开挖时被杀死的单元激活（单元被激活后，具有零应变状态），并把这些单元的材料属性改为支护材料的属性，从而实现隧道支护的模拟。

利用参数化设计语言（APDL）可以实现参数化建模、施加参数化载荷与求解、开挖与支护循环流程控制及参数化后处理结构显示。隧道采用浅埋暗挖法施工，采用全断面法开挖，随即进行围岩加固及支护。每步进尺3m，节点力释放率的大小根据经验和实际施工情况选择。

4土工离心模拟试验法

随着土工试验方法的改进，土工离心模型试验已成为目前国内外竞相采用的一项新技术。[4]吴波等利用土工离心模型试验与原物理模型等应力、应变以及惯性力和重力绝对等效、高加速度条件下不会改变材料的性质、变形相似、破坏机理相同等优点研究地下工程的应力变形和破坏过程，得出了隧道开挖、地层变形和支护结构受力具有与原型的物理相似性的结论。

5 推进力、开挖面到管线的距离、注浆程度等因素的影响

城市地铁建设中，大部分采用的是盾构法施工。在盾构法施工过程中，破坏周围土体原有初始应力状态，使土体产生位移，必然带动相邻地下管线位移。地

下管线位移是三维的，为了便于分析，这里只考虑地下管线的竖向和水平位移，在考虑某一因素影响时，其他条件均不变。这里介绍一下管线垂直于隧道轴线

时的情况。[5]通过三维数值模拟分析结果可以看出，推进力大小对地下管线的水平位移影响明显大于其对竖向位移的影响；盾构开挖面到地下管线不同距离对地下管线的影响是一个动态的过程，当盾构工作面在地下管线前方时，地下管线随盾构推进力增大，在竖向和水平位移明显加大，当盾构达到地下管线时，随推进力的变化位移几乎没有变化，刀盘推进力对其上方的位移影响不大；当盾构穿过地下管线后，地下管线由于盾构推力的影响而迅速回落，并且随推力增大，回落速率提高，局部产生突起，形成尖角，这就容易产生应力集中，而使管线易被破坏或裂开；盾构推进过程中，注浆压力、注浆量、注浆浆液强度变化都会对地下管线位移产生影响。

6 隧道开挖引起的管线变形机理分析和管线控制标准

6.1 隧道开挖引起的管线变形机理分析

隧道与地下管线的相互作用包括地下管线对土体的锚固作用和土体对地下管线的反作用两个方面。首先，在隧道开挖完成后，支护结构形成强度前的间隔时间段内，隧道处于一种临空状态，隧道开挖引起隧道周围一定范围内土体应力的变化，在应力调整的过程中，引起隧道周围土体的变形或破坏，随着隧道开挖其影响逐渐扩大。[6]同时，地下管线对土体还有锚固作用，限制土体变形。地下管线变形的大小主要取决于土体和管线的相对刚度以及隧道在管线处产生的土体变形。

6.2管线控制标准

目前，我国还没有关于管线的控制标准。在工程中，一般采取容许值来控制。采用容许值，即定量表示这一不利影响的程度，一般采用小于容许值的指标作为施工管理标准值。前提是避免临近施工对地下管线造成不利影响。目前，国内在工程实践中采用的标准如下：

( 1) 管线沉降控制标准：

①参考广州市区开挖工程的相关技术规定，管线两接头之间的局部倾斜不得超过 8/1000，即通用的4m长的管道接头之间的沉降差不得超过32mm。[7]

②参考北京地铁、重庆地铁施工总结的相关技术标准，地表最大斜率为2.55mm/m。

( 2) 管节缝张开值控制标准：当管线接头转动的角度或接缝张开值小于允许值时，管道接头处于安全状态，否则也将产生泄漏或者破坏，影响使用。

7 结论

地下管线是城市的“生命线”，是城市经济、社会发展的重要支撑，是城市赖以生存和发展的物质基础。我国城市地下管线包括供水、排水、热力、供电、通信、消防等30多种，构成了城市经济社会发展的保障系统。[8]城市地下管线肩负着城市给水、排水、供气、供电、通讯等重要工作。近年来，随着我国经济社会快速发展，城市化步伐加快和城市功能的拓展，地下管线在城市建设和发展中发挥着越来越重要得作用。

（1）在软土中，隧道使用浅埋暗挖法开挖，土体的容重越大，对地下管线变形的影响越大。

（2）施工隧道与地下管线垂直接近距离越远，管线受到的影响越小；但当管隧垂直接近距离增大到某一程度（20～30m）时，管线变形受到的影响反而会增大。

（3）管线的直径越大，隧道开挖时其变形量越大，越容易被破坏。

（4）隧道施工对地下管线的影响随着管线材料刚度的增大而减小。

（5）地下管线距离地表埋深越大，隧道施工对其影响越大，但当地下管线埋深增大到一定程度（4～6m）时，管线受到的影响便会减小。

参考文献：

[1]彭基敏,张孟喜. 盾构法施工引起邻近地下管线位移分析[J]. 工业建筑. 2005(09)

[2]吴波,高波,索晓明,刘维宁,史玉新.城市地铁隧道施工对管线的影响研究[J]. 岩土力学. 2004(04)

[3]魏新江,周洋,魏纲.土压平衡盾构掘进参数关系及其对地层位移影响的试验研究[J]. 岩土力学. 2013(01)

[4]蒋正华,吴波,高波. 地铁区间隧道施工对管线影响的数值模拟[J]. 现代隧道技术. 2003(01)

[5]李大全.城市地下管线规划管理亟待加强[J]. 淮南职业技术学院学报. 2006(03)

[6]孙平,朱伟.城市地下管线应急管理体系建设研究[J]. 三峡大学学报(人文社会科学版). 2008(S2)

[7]张建勋,孙海东,付慧娟.地下管线现状测量的数学模型[J]. 安阳工学院学报. 2008(04)

[8]张开广,亢金轩.洛阳市城市综合管网GIS系统研究[J]. 洛阳大学学报. 2004(02)