地鐵施工影響鄰近管線的研究現(xiàn)狀與展望

王中偉

摘要：隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，為了有效緩解地上交通問題，地鐵化建設(shè)應(yīng)運(yùn)而生。地下管線作為城鎮(zhèn)化進(jìn)程中的重要一環(huán)，是城市居民賴以生存與發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，城市軌道交通的施工過程必然會對附近的管線產(chǎn)生一定的影響，或者產(chǎn)生損害，所以，在地鐵施工過程中，必須首先對周邊的管線進(jìn)行認(rèn)真分析，制定合適的施工方案，確保對鄰近管線的影響下降到最低或可控范圍。隨著城市化進(jìn)程中地鐵線路網(wǎng)布局的加快，地鐵施工對鄰近管線的研究具有重要的實踐意義。

關(guān)鍵詞：地鐵施工;鄰近管線

地下交通路線的大規(guī)模建設(shè)，給城市化帶來便利的，也引發(fā)了安全問題，除地鐵工程本身安全問題外還包括對周邊環(huán)境的破壞可能引起的安全問題。地鐵建設(shè)的前期要經(jīng)歷地面建設(shè)和地下管線建設(shè)，地鐵開挖形成的空槽使得地面底層受損，從而導(dǎo)致地基一定程度的下降，進(jìn)而導(dǎo)致地下管線的位移，如果前期勘查工作不足或防范措施不到位，將會影響地下管線的正常使用甚至造成重大安全事故。并且管線的安全與工程的施工成本具有重要的聯(lián)系，因此深入研究地鐵施工對管線的影響，具有重要的價值意義。

一、地鐵施工研究現(xiàn)狀

地鐵施工對鄰近管線的影響表現(xiàn)在兩個方面：一是隧道開挖前期對地層的損失，引起地層沉降;二是現(xiàn)行的地下管線變形后，地層沉降和地下管線變形的作用機(jī)理。

1.1地鐵施工對地層沉降的影響

國內(nèi)外學(xué)者采用的研究方法主要有經(jīng)驗法、模型法、分析法等，Martos在大量現(xiàn)場勘探實驗的基礎(chǔ)上，得出正態(tài)分布公式，即隧道開挖引起的地層沉降呈凹字形。Peck創(chuàng)立了Peck公式，此公式在統(tǒng)計數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)山得出，并提出了“地層損失”。侯學(xué)淵教授在Peck公式的基礎(chǔ)上加入了施工因素影響元素。段光杰對Peck公式進(jìn)行了進(jìn)一步修正，建立了更加簡便的計算公式，通過地表最大沉降值和半徑就能計算出沉降值。Kimura通過離心模型試驗考慮了地層的因素，推導(dǎo)出不同地層的不同沉降值。Atkinson通過物理模型試驗成拱效應(yīng)對減少地表沉降有一定的作用，可用作施工過程中的優(yōu)化設(shè)計。陳靜在數(shù)值模擬研究中，以某淺埋暗挖隧道為例，利用有限元軟件，對隧道幵挖進(jìn)行仿真模擬，分析了變形機(jī)理，得出沉降變化規(guī)律，并提出保護(hù)措施。楊曉杰以北京某隧道工程為研究對象，研究了隧道施工引起的地表沉降，研究表明，數(shù)值模擬計算的結(jié)果和現(xiàn)場實測基本一致。

1.2隧道施工對地下管線的影響

Singhal在實驗的基礎(chǔ)上，以離心球墨鑄鐵為研究對象，得出了軸心抗拉力強(qiáng)度、彎曲所需要的力矩和使物體發(fā)生扭轉(zhuǎn)的力矩公式。李大勇在Singhal的基礎(chǔ)上，考慮多因素的耦合作用，進(jìn)行三維模擬，計算了受幵挖引起的地下管線的位移，發(fā)現(xiàn)柔性管線一般為接頭破壞，剛性管一般位于基坑端部位置。路建軍以北京地鐵4號線黃莊站為研究對象，利用數(shù)值模擬預(yù)測管線的安全性，得出管線能夠滿足變形控制要求。畢繼紅釆用有限分析軟件，考慮了埋藏深度、材料質(zhì)地、位于持力層以下的地層的剛度等條件。研究發(fā)現(xiàn)距離隧道越近的管線，受到隧道開挖的影響越大;埋藏深度一樣的管線，硬度越大，變形越小。

二、地層與地下管線的相互影響

2.1地下管線

地下管線是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，隨著城市化進(jìn)程的日益加快和城市化水平的提高，地下管線的種類也逐漸龐大，功能主要有給水、熱力、工業(yè)、燃?xì)狻⒌乩怼⑴潘裙艿篮碗娏﹄娎|等七大類。按硬度分為柔性和剛性管;按鋪設(shè)方式分為上埋、溝埋、隧道式三類。

2.2管線的初始應(yīng)力

地下管線在受到隧道開挖引起地層震動前的應(yīng)力稱為初始應(yīng)力。一般情況下，埋入地下的管道所受的主要負(fù)荷為內(nèi)外壓力。當(dāng)管徑較小且埋深較淺時，內(nèi)壓力和外壓力引起的徑向和環(huán)向應(yīng)力較小，對安全不起控制作用，可以只考慮縱向彎曲和接頭脫開應(yīng)力。

2.3管線的受力機(jī)理

徑向應(yīng)力：一般由內(nèi)壓和外壓決定，鑄鐵管、混凝土管的抗壓強(qiáng)度高，管線受到的徑向應(yīng)力小于其他兩個方向的應(yīng)力，所以，可以忽略。

縱向應(yīng)力：地下管線受到一定的縱向推力將會產(chǎn)生縱向收縮，一般管線的地基是均勻的，當(dāng)壓力和管徑較小時，縱向推力較小，在管線的直線部位產(chǎn)生的縱向應(yīng)力可忽略。相反，在管線的彎曲、接頭部位將會產(chǎn)生較大的縱向推力。

環(huán)向應(yīng)力：外壓容易使管線變形，由此產(chǎn)生的應(yīng)力不僅與外壓的大小有關(guān)，而且與管線的材質(zhì)、埋深、地基密實程度有關(guān)。

三、展望

3.1理論研究需進(jìn)一步加強(qiáng)

地鐵網(wǎng)的布局已經(jīng)成為城鎮(zhèn)化建設(shè)過程中必不可少的一環(huán)，隨著地鐵的大規(guī)模舉步實施，尤其是在城鎮(zhèn)化建設(shè)初期未充分考慮到后期施工因素影響的城市，對隧道開挖引起鄰近管線變形的研究更為迫切，本文通過查閱大量文獻(xiàn)，對已有的研究成果進(jìn)行分類總結(jié)，結(jié)合解析分析，研究了隧道開挖對鄰近管線影響的一般規(guī)律，得到一些初步結(jié)論，但是地下施工作業(yè)的復(fù)雜性和不確定因素眾多，以及當(dāng)前理論的不成熟性，很多問題要進(jìn)一步研究。同時地下水、地層運(yùn)動、城鎮(zhèn)化改造等等量變因素的影響都無疑會發(fā)生日積月累的變化，數(shù)值分析不能完全模擬隧道開挖，也不能做到具體問題具體分析，因此加強(qiáng)土體本構(gòu)方程等理論與計算機(jī)軟件開發(fā)地有效結(jié)合尤為重要。

3.2管線沉降標(biāo)準(zhǔn)需制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

我國尚未出臺制定統(tǒng)一的管線沉降標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)是靠實際施工過程中的經(jīng)驗總結(jié)

基礎(chǔ)上得到的，所以管線的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)急需進(jìn)一步研究。現(xiàn)階段隧道開挖對管線的影響不確定因素太多，所以開挖前期的地下勘察、管線的安全風(fēng)險評估，準(zhǔn)確及時的監(jiān)測反饋，以及應(yīng)急預(yù)案和保護(hù)措施顯得尤為重要。施工前期的評估是一種靜態(tài)評估，隧道工程的設(shè)計及施工特點是：動態(tài)設(shè)計、施工，隨著開挖的進(jìn)行，安全風(fēng)險的類型、數(shù)量、發(fā)生的概率等均會不斷變化，前期預(yù)期到的風(fēng)險可能發(fā)生，也可能不發(fā)生，而可能出現(xiàn)預(yù)測外的風(fēng)險，因此，加強(qiáng)地鐵施工工程中對管線的動態(tài)監(jiān)測更是重中之重。

四、結(jié)束語

地鐵建設(shè)是一項復(fù)雜的經(jīng)濟(jì)行為，需要綜合考慮土質(zhì)因素、管道安全以及地下環(huán)境等諸多因素，尤其在近年安全形勢日益嚴(yán)峻的情況下，地鐵安全事故更是防范措施不足，因此必須加強(qiáng)安全管理，地鐵開挖過程中附近管線的安全必須提到安全管理日程，以確保地鐵項目建設(shè)的平穩(wěn)運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]王霆，劉維寧，李興高，何海健.地鐵施工影響鄰近管線的研究現(xiàn)狀與展望[J].中國鐵道科學(xué)，2006：119-125.