城市隧道施工对邻近地下管线影响的研究现状及发展？
城市隧道(主要是地铁工程和各种市政地下工程)的建设往往位于建筑物、道路和地下管线密集区，导致城市隧道建设中各种工程的环境污染问题日益突出。因此，在城市隧道建设中，需要保证施工对现有设施的影响在允许范围内。特别是各种地下管线的类型、管道材质、接头类型、初始应力都不一样，不同部门的保护标准也不一样，给隧道施工中的管线保护增加了难度。
作为城市环境保护的新课题，国内外许多学者在城市地下建设对邻近管线影响的研究方面做了大量工作，得出了许多有意义的结论，为科学评价城市隧道建设对邻近管线的影响提供了一定的理论依据。本文综述了城市隧道施工对邻近管线影响的研究现状和进展，并对进一步研究提出了一些看法。
2.国内外研究现状
2.1地下管线初始应力
城市隧道开挖前地下管线所承受的应力称为管线初始应力[1]，它是内部工作压力、上覆土压力、静动荷载、安装应力、早期地面移动和环境影响共同作用的结果。一般来说，管道安装垫层未充分压实或其他原因引起不均匀沉降，会使管段应力增大或接头角度增大。管道内外压力不同，会导致管段产生周向应力；覆岩压力和动静荷载的作用会使管段截面趋于椭圆形，同时会伴随着管段应力的变化。同样，管道的埋地土层不同也会导致管道的受力状态不同:比如将管道埋在温差大的土层中会引起管道的应变，管道周围土壤湿度的变化也会引起管道的腐蚀，从而降低管道的强度。
Taki和O'Rourke分析了作用在铸铁管上的内压、温度应力、重复载荷和安装应力，计算了综合作用下低压管的拉应力和弯曲应变的典型值。认为管道纵向弯曲应变为0.02% ~ 0.04%时，作用在管道上的初始应力大致为相应的应力值[2]。美国犹他州立大学的研究人员对螺旋肋钢管、低强度肋钢管和PVC管进行了应力、应变和应力松弛试验，并得出了相应的结论[3]。国内学者对各种压力管道的承载载荷和轴向应力进行了研究，提出了初应力的理论方法和相应的计算公式[4]。
2.2管道与周围土壤的相互作用
隧道施工过程中，地下管线受到周围土体扰动引起的不均匀沉降和水平位移，产生附加应力。同时，由于管道的刚度约为土体的1000 ~ 3000倍，必然会抵抗周围土体的运动。Attewell认为隧道施工引起的土体移动对管道的影响可以从隧道开挖方向与管道的相对空间位置来确定。当隧道开挖方向垂直于管道延伸方向时，对管道的影响主要表现为管道周围土体的纵向位移引起管道弯曲应力和接缝角度的增大。当隧道掘进方向与管道延伸方向平行时，对管道的影响主要表现为周围土体的轴向拉伸和压缩。管道对土体运动的阻力主要与管道直径、刚度、接头类型和位置有关[1]。
由于大部分地下管线埋深较小(一般在1.5m以内)，通常可以假设当管径较小时，地下管线对周围土体的运动没有阻力，会沿着土体的运动轨迹发生变形。一些研究结果也表明了这一假设的可行性[2]: Carder和Tayor采用足尺试验研究了埋深0.75m、直径100㎜的铸铁管在相邻开挖影响下置于不同土壤中时的性状变化。试验结果表明，管道的运动轨迹与地层中土壤的运动轨迹一致；Nath采用三维有限元模拟分析了直径为75㎜~ 450㎜的铸铁管在埋深1.0m条件下对邻近开挖的响应，分析结果表明直径小于150㎜的铸铁管对地表移动几乎没有阻力。Ahmed等人用二维和三维有限元模拟了深沟开挖对相邻铸铁管道的影响，在假定管道与周围土体没有相对位移的情况下，计算出管道的附加应变小于铸铁管道的容许极限强度。他们认为，如果在相邻施工的影响下，管道与周围土体之间没有相对位移，施工对管道的影响可以忽略。在Molnar等人关于芝加哥Lurie医学研究中心项目深基坑开挖对邻近地下管线影响的研究中，假设直径为150 ㎜ ~ 500 ㎜的地下管线的预测变形值与现场实测数据一致。
但地下管道直径增大到一定程度后，会抵抗周围土体的运动，这也增加了管道破坏的风险。国内学者蒋宏生研究过盾构施工对上部直径为3.6m的合流污水管的影响及处理措施[5]。但Attewell认为，虽然大口径管道在抵抗土体运动时会增加管体的应力，但由于管道本身强度较大(主要针对灰铁管道)，不会在管段产生较大的附加应力[1]。一般来说，隧道施工要注意大口径管道，尤其是地面移动剧烈、管道和接头脆弱、使用寿命长的大口径管道。
2.3地下管线的失效模式和允许变形值
在调查地层移动变形作用下地下管线的主要破坏模式时，一般有两种情况:一是管线管段在附加拉应力作用下开裂甚至断裂，导致丧失工作能力；二是管段完好，但管段接头转角过大，接头无法保持闭合，出现渗漏。管道的破坏可能主要受其中一种模式控制，也可能同时发生两种破坏:对于焊接塑料管和钢管，由于其接头强度高，只能通过计算其最大弯曲应力来预测管道的安全性；但对于铸铁管和球墨铸铁管，尤其是运行时间较长的铸铁管，由于其抗拉强度差，连接处柔性不足，两种失效模式都可能发生。
文件[1]定义了隧道施工引起的地下管线破坏模式:1。软管(主要是钢管和塑料管)因屈服或屈曲而过度变形，管段断裂；二、刚性管道(主要是脆性灰铁管道)的主要失效模式有(1)纵向弯曲引起的截面断裂，(2)管段周向变形引起的径向开裂，(3)管段连接处过度旋转引起的泄漏。高文华认为，焊接长钢管的破坏主要受地层下降引起的管道弯曲应力控制；对于有接头的管道，损伤主要由管道的许用开口值△和管道的许用纵向和横向弯曲强度决定[6]。
在隧道开挖过程中，为了保证相邻管线的安全，目前一般的做法是控制管线的沉降、地表倾斜和管节的开度值。这些控制值的确定基于几个规范和工程实践经验，具有相当程度的可靠性。然而，在实际工程应用中，地下管道的变形和应变以及柔性接头管道的接头角度很难测量。而且由于没有统一的理论控制标准，这些控制值的确定具有随意性，缺乏理论研究成果。Molnar在前人研究成果的基础上，通过理论计算与实测数据对比，给出了各种管道的许用弯曲应力和许用接头转角，可为进一步研究提供参考[2]。
2.4地下管线隧道施工影响下的变形
隧道施工影响地下管线的因素很多。准确的地下管线应力和变形的理论分析是地下管线保护研究的基础。目前，计算地下管线应力和变形的方法主要有两种:解析法和数值模拟法。
2.4.1分析方法
Attewell提出了一种基于Winker弹性地基模型的隧道施工对构筑物和管线影响的评估方法。根据管道的不同位置和地层运动的方向，分别计算管道在垂直和平行地层运动时的弯曲应力和接头转角，研究大口径和小口径管道在地层运动下的不同反应行为，探讨理论分析的实际应用可行性，给出管道设计方法，这是较早的系统研究成果[1]。廖和也基于弹性地基梁理论提出了将地下管线视为柔性管和刚性管的两种方法[7]。计算模型如图1所示，地下管线位移方程建立如下:
式中:，k为基床系数，；
Ep-管道的弹性模量；
Ip-管道截面的惯性矩；
Q-作用在管道上的压力。
对于柔性地下管线，他们认为研究这类管线在地面沉降过程中的受力和变形，可以从接头张开值、纵向弯曲、管接头横向受力等方面分析管线地基的差异沉降值或各管线可能承受的沉降曲线曲率。
高田志郎等人根据弹性地基梁理论，对地下管道受地基沉降影响的四种情况进行建模，提出了计算管道最大弯曲变形、接头角度和最大接头伸长量的设计公式[8]。根据Winker的地基反力模型，段光杰讨论了不同隧道施工方法引起的地层损失对周围地下管线的影响。在管道处地层径向变形和地层轴向变形的影响下，分别总结了管道垂直于隧道轴线和平行于隧道轴线时管道变形、应变、转角等参数与最大地面沉降值的关系[9]。高文华运用Winker弹性地基梁理论分析了基坑开挖引起的地下管线的垂直位移和水平位移，并推导出相应的计算公式。讨论了引起地下管线变形的因素，如地基系数、沉降区长度和地下管线对应的地表沉降。给出了不同的管道变形控制标准和安全评价标准[6]
基于以下两个假设，第一，假设管道是连续柔性的，当管道随土体运动时，只在管段上弯曲，在连接处不转弯。由于管段轴向位移很小，认为管道在运动时不承受轴向应变，管道弯曲服从伯努利-纳维尔理论；第二，假设管段是刚性的，管道运动产生的位移全部由接头角度提供，接头不产生阻力矩，允许接头自由转动，接头角度只在纵向产生，也就是说管道上的力矩为零。Molnar推导了地下管道绕土体运动时的弯曲应力和接缝角度的计算公式，分别为[2]:
(1)弯曲应力的计算公式:
图2管道弯曲应力计算模型[2]
(2)
式中:σI——管道I点的弯曲应力；
E-管道的弹性模量；
Xi和zi-分别是从管道外部纤维到中性轴的横向和纵向距离。
z″(Yi)和x″(Yi)-分别是点I处管道的纵向和横向曲率。
(2)接缝角度的计算公式:
图3管道接头角度计算模型[2]
(3)
式中:εJi——管道上I点和J点的横向位移差；
ρJi——管道上I点和J点的沉降差；
lji——管段长度；
对于同一管道，分别对上述两种临界状态进行分析，并将计算值与允许值进行比较，即可预测管道的安全状态。
2.4.2数值模拟方法
采用数值模拟方法，可以很好地考虑隧道开挖引起的地表位移与管线的相互作用，可以得到满意的结果。
Ahmed利用有限元模型计算了地下管道在深基坑附近开挖时的附加弯曲应力，并建议由周围地层移动引起的铸铁管最大弯曲应变值为0.05%，球墨铸铁管为0.15%[2]。
李大勇、龚晓楠、张土桥考虑了基坑围护结构、土体和地下管线的耦合作用，建立了地下管线、土体和基坑围护结构的三维有限元模型[10]。分析了管道材质、埋深、距基坑距离、下卧层土质、管道与周围土体的弹性模量比对地下管道的影响。基于单个柔性接口中密封胶圈产生的拉力、弯矩和扭矩，研究了基坑工程中邻近柔性接口的地下管线的应力和变形，得到了管线柔性接口的拉力P。并总结归纳了地下管线的安全判别方法和地下管线的工程监测保护措施[11][12]。吴波、高波[13]基于ANSYS软件平台，将地下管线模拟为三维弹性地基梁，建立隧道支护结构、土体和地下管线耦合作用的三维有限元分析模型，对施工过程进行模拟分析，预测地下管线的安全性，给出管线安全性的评价标准。
2.5城市隧道施工引起的地表移动和变形
自Peck系统提出预测隧道施工地表沉降槽的经验公式以来，许多学者对隧道施工引起的周边环境岩土问题进行了深入系统的研究，Attewell等人对此进行了总结[1]。Loganathan等人、Wei-I Chou和Antonio提出的理论分析方法在预测开挖引起的地表和地层内部位移方面取得了较好的效果[14] [664]国内学者刘建航和侯学元研究了盾构施工引起的地表沉降并提出了相应的预测方法[16]。徐永福和孙俊讨论了盾构掘进对周围土壤的影响。人工智能神经网络技术在盾构掘进扰动和地表移动预测中的应用[17][18]。和刘运用随机介质理论对城市隧道施工引起的地表移动和变形进行了预测，取得了理想的预测结果。通过对隧道开挖引起的地表位移的准确预测，为进一步研究隧道施工对地下管线的影响提供了理论计算依据[19]。
3.有问题
城市隧道施工对邻近管线影响的研究是一个涉及市政工程、隧道与地下工程、工程风险评估等多学科的综合性课题。目前研究深度还远远不够，地下管道的初始应力、管土相互作用、管道变形允许值、应力和变形计算等都需要进一步深化。
(1)地下管道的初始应力受内部工作压力、土压力、静动荷载、安装应力、早期地面移动和环境影响的控制。虽然目前对单一载荷的研究已经比较完善，但是管道的初始应力是上述力综合作用的结果，初始应力的状态不是简单叠加就能准确反映的。目前对初始应力的估计多由经验决定，当条件发生变化时，原有经验已不能简单复制。因此，有必要建立有效的管道初始应力计算理论，为确定管道变形允许值提供理论依据。
(2)目前，在管土相互作用的研究中，大多数学者仍然假设管土紧密接触，没有相对位移。这种假设适用于埋地土壤工程性质较好的小直径管道，但由于大直径管道会明显抵抗周围土壤的运动，因此不再适用。同样，如果管道所在地层的土壤含水量较大，土壤移动时，管道与土壤之间也存在相对位移。
(3)管道允许变形值应综合考虑管材、管径、接头类型、管道功能、运行时间、管道与隧道相对位置、隧道施工方法等因素确定。但现行地铁规范基本给出了一个地表最大允许沉降值(一般在3㎝以内)。这虽然是可靠的，但没有根据具体情况确定允许值，不仅不能充分发挥管道的自承能力，而且限制了隧道施工进度，增加了工程投资。
(4)目前管道的应力和变形计算大多基于Attewell等人在1986中提出的Winker弹性地基梁理论的分析结果，大多数数值模拟也将地下管道简化为地基梁。这样得到的结论在某些情况下趋于保守和不恰当；管道接头角度的计算大多基于弹性地基梁计算结果的反分析。由于将管道变形施加在接头上使其“产生”角度，这种方法是否合适还有待商榷。而且目前的分析几乎都是将隧道施工引起的地表移动和变形作为输入条件来计算管道的响应，没有将隧道开挖和管道响应作为一个整体来考虑，缺乏系统的分析结果。
向前看
随着社会经济的不断发展，人口的不断增长，空间的相对萎缩，人们逐渐将目光转向地下空间的利用。地下空间的开发已经成为人类拓展生存空间的重要手段和发展趋势，越来越多的工程环境问题需要研究[20]。城市隧道建设中对相邻地下管线的保护，期望从以下几个方面着手，以期在今后取得系统的成果。
(1)市区地下管线分布复杂，类型多样，隧道施工前应做好普查工作(广州等大城市已经进行了地下管线普查，建立了地下管线信息系统[21])。对于运行时间短、管材质量好、管径小的管道，可放宽限制标准；对于运行时间较长的铸铁管应加强保护措施，尤其是早期刚性连接的铸铁管。因为它们只能承受很小的接头转角，而且管段的抗拉能力很差，所以要从两个方面检查它们是否达到极限。应对大口径管道进行专门研究。
(2)随着计算机技术的发展，隧道引起的管道位移的应力应变分析可以考虑采用数值模拟，将隧道和管道作为一个系统来考虑——将隧道施工和管道变形作为一个整体来计算。这样，采用不同的单元模拟不同的土体、管土接触关系、管道类型，考虑不同的隧道施工方法，就可以实现“隧道-管道”的整体分析。(3)要结合理论分析、试验和现场监测，准确预测管道的初始应力和允许变形值，科学评价隧道施工给地下管线带来的危害。
(4)城市隧道施工中地下管线的保护研究是一项系统工程，涉及学科多，影响因素复杂。忽略一个方面都可能导致管道的破坏。该专家系统可以吸收各领域专家的智能知识，将专业模型转化为知识模型，从而对地下管线的保护进行更加全面、客观、准确的分析和研究。因此，建立地下管线保护专家系统有助于集中管线保护的研究成果，为进一步发展提供帮助。
(5)准确评价隧道施工对邻近管线的影响，必须紧密结合社会经济条件。除了理论分析、测试和监测，还可以引入工程风险评估体系，对隧道施工引起的环境问题进行风险评估，综合考虑环保、安全、管道损坏造成的后期成本等诸多因素。
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