曹伍富 馬 骉 金 淮 吳鋒波 劉永勤

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司 北京100037;2.北京城建勘測設計研究院有限責任公司 北京100101;3.中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院 北京100083;4.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院 北京100083)

隨著城市軌道交通工程的飛速發(fā)展，在地鐵工程施工過程中對臨近管線合理監(jiān)測以保護工程沿線地下管線的安全，成為城市軌道交通工程中亟待解決的一項重要課題。地下管線控制指標的確定主要受工作壓力情況、功能、性質、材質、類型、鋪設方法、埋置深度、土層壓力、管節(jié)長度、管徑、接頭形式、鋪設年代等諸多因素的影響，在實際工程中很難針對每一條管線給出合理的控制值。在工程建設過程中，應注重已有監(jiān)測資料的積累，同時進行工程經(jīng)驗總結，深入分析地下管線安全性的影響因素，以提出較為適宜的控制指標建議數(shù)值。

1 地下管線控制指標

城市地下管線埋深較淺，工程建設造成的管線不均勻沉降易引起其內部出現(xiàn)縱向彎曲應力或接頭開裂應力［1］，應力過大時可使其出現(xiàn)開裂、甚至斷裂。

地下管線接口為焊接、法蘭等形式，材質較為堅硬的剛性管線具有一定的抵抗變形能力，在工程施工可使其出現(xiàn)附加彎矩;承插式連接的管道可在接口處出現(xiàn)轉角，通訊電纜、光纜等材質較柔的地下管線，則可能出現(xiàn)與地層整體位移較為一致的變形。

根據(jù)地下管線自身和變形特點，剛性管線的安全性可由管道允許曲率半徑(豎向位移)、接口抗拔力或管道受彎應力進行判斷，管道中的縱向彎曲應力小于容許值時，管道可安全使用，反之管道可能會產生斷裂或泄漏;柔性管線的安全性一般由管道的允許曲率半徑(豎向位移)和接頭張角(轉角)進行判斷。

1.1 地表位移控制指標

O＇Rourke等［2］提出以管線可能損害處的地層移動坡角值Smax/i評估管線的損害，其中Smax為隧道開挖引起的最大地表沉降，i為隧道中線到地表沉降槽反彎點的距離。在砂層中，淺埋隧道上方直徑大于200 mm的相對剛性管線允許坡角為0.012，直徑小于200 mm的相對柔性管線允許坡角為0.012～0.040。該方法沒有考慮地層條件、管線種類等，不適用于脆性材質管線，如灰色鑄鐵管。

Attewell等［3］提出了初步評價地下管線安全性的最大地表沉降值(見表1)。管線損壞是指突發(fā)事件導致的管道滲漏或者其他需立即維修的情況。脆性材料管道軸線到隧道頂部的距離必須大于2倍隧道跨度，隧道上覆硬黏土時，管道軸線到隧道頂部的最小距離為1倍隧道跨度。

表1 地下管線最大地表沉降值

原國家煤炭工業(yè)局制定的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》［4］規(guī)定了暖衛(wèi)工程網(wǎng)管的地表(地基)允許和極限變形值，其中接頭與管體等強度的鋼質煤氣管，允許伸長1.0～3.5 mm/m，供熱管道允許伸長3.0～6.0 mm/m，傾斜4.0～6.0 mm/m，極限伸長5.0～10.0 mm/m，傾斜7.0～12.0 mm/m;自來水管地下鋼管允許伸長4.0～5.0 mm/m，極限伸長6.0～8.0 mm/m;接頭和管道等強度的鋼質壓力排水管，允許伸長3.0～4.0 mm/m，極限伸長5.0～6.0 mm/m。

劉招偉等［5］指出地鐵上方電纜隧道可視為受垂直荷載的梁，結構在正常使用時受到的應力應小于其允許應變的設計應力，允許拉應力有

式中:［ε］為允許拉應變;［σ］為允許拉應力，MPa;E為材料彈性模量，MPa。

管線在地層沉降時產生的變形應小于(或等于)其允許應力的相應變形范圍，由此可計算差異沉降允許值

式中:m為計算長度，m。

根據(jù)式(1)(2)，從考慮地下管線的安全角度出發(fā)可以計算確定最大允許地表沉降值。

趙文等［6］選取施工現(xiàn)場改移的煤氣鑄鐵管線進行試驗，該管線運行了20年，為承插接口，內徑150 mm，彈性模量100 GPa，長度2 m，壁厚9 mm，端頭間距0.8 m，抗拉強度110 MPa。試驗結果表明:管線變形曲率應≤0.007 8或差異沉降≤1/128，管線最大拉應力應≤71 MPa，安全系數(shù)通常為1.5，最大壓應力應≤127.4 MPa。研究認為:地面沉降50～80 mm時地下管線處于安全狀態(tài)。

北京、重慶等軌道交通施工總結的技術標準規(guī)定:管線上方的地表最大斜率為2.55 mm/m。

1.2 管線自身位移控制指標

一般承插接口鑄鐵管道和柔性接縫管道，每節(jié)許可差異沉降≤L/1 000(L為管節(jié)長度)。上海市政部門規(guī)定煤氣管線的允許水平位移為10～15 mm。德國建筑標準規(guī)定管線允許水平變形為0.6 mm/m，允許傾斜變形為1～2 mm/m［7］。日本淺埋隧道管道控制值變形為(1～2)×10-3rad，沉降控制值為-40～-20 mm，隆起控制值為+20mm，污水管沉降控制值為-20 mm［5］。

國內相關技術規(guī)范、工程標準等給出了一些地下管線沉降、差異沉降(傾斜率)和變化速率的控制值，具體內容見表2。

表2 地下管線位移控制值［8－14］

GB 50332—2002［15］《給水排水工程管道結構設計規(guī)范》規(guī)定柔性管道采用水泥砂漿等剛性材料作為防腐內襯的金屬管道，在組合作用下的最大豎向變形不應超過0.02～0.03D0(D0為圓形管道的計算內徑);采用延性良好的防腐涂料作為內襯的金屬管道，在組合作用下的最大豎向變形不應超過0.03～0.04D0;化學建材管道，在組合作用下的最大豎向變形不應超過0.05D0。

對于剛性管道，其鋼筋混凝土結構構件在組合作用下，計算截面的受力狀態(tài)處于受彎、大偏心受壓或受拉時，截面允許出現(xiàn)的最大裂縫寬度不應大于0.2 mm;計算截面的受力狀態(tài)處于軸心受拉或小偏心受拉時，截面設計應按不允許出現(xiàn)裂縫控制。

2 實測資料分析

收集北京地區(qū)城市軌道交通工程周邊地下管線實測資料進行研究，包含雨水管線、污水管線、上水管線、熱力管線、燃氣管線、電力管線共163條。其中，26條管線為直接監(jiān)測點的管體變形結果，137條管線為地表間接監(jiān)測點的實測結果。所用資料均為第三方監(jiān)測結果，具有較好的真實性。

2.1 管線直接監(jiān)測結果

圖1所示，3條φ1 000～1 800 mm的大直徑雨水管線(溝)，均為砼結構，其中φ1 000雨水管最大沉降量達到-29.5 mm(控制值為-20 mm)，但平均沉降量為-7.6 mm，在控制范圍內。導致沉降值較大的原因為該管線距離基坑最近段僅為1.7 m，且在施工時基坑降水、前期土方開挖過程，對鋼支撐架設有不及時的現(xiàn)象。

圖1 地下管線直接監(jiān)測結果

8條φ500～1 050 mm砼結構污水管線，φ550及φ600 mm兩條管線最大沉降量分別為32.65、62.97 mm，其傾斜率為0.03‰～0.41‰和0.40‰～1.30‰，均小于2.0‰的控制要求。

4條φ300～1 000 mm鑄鐵結構上水管線，平均沉降量較小，多未超過控制值。其中φ1 000上水管最大沉降量為-24.28 mm，超出設計控制值(-10 mm)，但其差異沉降(傾斜率)較低，為0.02‰～0.53‰。

熱力管溝共8條，為鋼筋混凝土結構且直徑較大，尺寸為4 400 mm×1 800 mm、2 100 mm×4 000 mm、1 900 mm×2 050 mm等。整體沉降量較小，其中車站暗挖主體結構平行下穿一條管溝(128 m)，發(fā)生了較大沉降，最大沉降量達到-51.28 mm，平均沉降值為-40.12 mm，均遠超設計控制值(-15 mm)。主要受車站主體施工影響發(fā)生整體沉降，傾斜率為0.15‰～1.05‰。

φ300 mm和φ500 mm兩條燃氣管線，均為鋼管，其中φ300燃氣管線整體沉降超過設計控制值(-10 mm)，最大沉降量-22.69 mm，最大傾斜率為0.54‰，為均勻整體沉降。在兩條電力管線中，其中一條φ195電力管受工程施工綜合影響，由于地層水量較大，注漿引起抬升隆起，隆起值未超過10 mm;另一管線沉降控制較好，在控制范圍之內。

地下管線變形控制指標受多種因素影響，實測結果表明，地層較為軟弱的地區(qū)其燃氣、雨污水、供水和電力管線均有較大沉降出現(xiàn)，但傾斜率多小于控制要求，地下管線未發(fā)現(xiàn)滲漏、開裂等現(xiàn)象。

2.2 地表間接監(jiān)測結果

北京地區(qū)工程周邊地下管線監(jiān)測點多為地表間接監(jiān)測點，本文收集統(tǒng)計了135條地下管線的地表間接監(jiān)測資料，根據(jù)地下管線功能分為供水管線、雨水管線、污水管線、燃氣管線、熱力管線和電力管線等，分別進行統(tǒng)計分析。

1)雨水管線。雨水管線材質多為混凝土，直徑小于0.5 m時采用混凝土管，直徑大于1.5 m時一般為鋼筋混凝土箱涵，埋深一般大于1 m且小于10 m，這在北京地區(qū)地鐵工程施工中較為常見。共收集33條地下雨水管線的地表間接監(jiān)測資料，實測結果見圖2。

33條管線共365個監(jiān)測點的最終地表沉降分布頻率分析如圖2(a)所示，其中330個測點發(fā)生沉降，平均值為-13.46 mm，沉降值標準差為14.48，建議控制值為-25 mm，可包含86.1%的統(tǒng)計監(jiān)測點;35個測點發(fā)生隆起，數(shù)值均小于10 mm。由圖2(b)可知，大部分雨水管線工點整體沉降量較小，得到了良好控制，個別地表監(jiān)測點出現(xiàn)隆起，隆起值小于10 mm。

個別管線變形范圍較大，一條2 200 mm×1 650 mm雨水管溝最大沉降量為44.89 mm，平均沉降量為26.45 mm，最大變化速率為1.66 mm/d;另一條3 000 mm×1 750 mm雨水管溝最大沉降量為35.00 mm，平均沉降量為25.94 mm，最大變化速率為1.90 mm/d。兩條管線均位于盾構正上方，受地質條件改良不好、背后注漿不及時等原因擾動。φ300雨水管線受車站基坑施工影響，最大沉降量為57.60 mm，平均沉降量為47.17 mm，最大變化速率為1.65 mm/d。φ700雨水管線最大沉降量為41.80 mm，最大變化速率為3.40 mm/d，此條管線受車站側穿、暗挖施工過程初支封閉成環(huán)時間過長，同時又被一條盾構隧道下穿的綜合影響。

圖2 雨水管線地表間接監(jiān)測結果

2)污水管線。37條φ400～2 700的污水管線，多為混凝土管，少量為鋼筋混凝土管、水泥管，為承插接口，埋深范圍一般為2～10 m，這在北京地區(qū)地鐵工程施工中較為常見。除個別管線有超過控制值現(xiàn)象，大部分在控制值范圍內，變化速率大部分在2 mm/d以內。污水管線實測結果如圖3所示。

37條污水管線共413個監(jiān)測點的最終地表沉降分布頻率分析如圖3(a)所示，其中378個測點發(fā)生沉降，平均值為-13.58 mm，沉降值標準差為12.85，建議控制值為-25 mm，可包含87.3%的統(tǒng)計監(jiān)測點;35個測點發(fā)生隆起，均小于10 mm。在圖3(b)中，兩條φ600污水管線最大沉降量分別為-61.90 mm和-65.11 mm，遠超控制值20 mm，經(jīng)調查均為受到車站不同結構施工與線路施工的多重影響導致，最大沉降速率分別為1.00 mm/d和1.10 mm/d。

3)給水管線。給水管線材質多為鑄鐵材質，少量為鋼管或混凝土結構，埋深相對較淺，一般為2～5 m，同樣是在地鐵工程施工中較為常見的一種管線。共收集27條地下雨水管線的地表間接監(jiān)測資料，實測結果見圖4。

圖4(a)為27條給水管線共265個監(jiān)測點的最終地表沉降分布頻率分析，其中243個測點發(fā)生沉降，平均值為-8.90 mm，沉降值標準差為6.93，整體得到了較好控制，建議控制值為-15 mm，可包含81.9%的統(tǒng)計監(jiān)測點;22個測點發(fā)生隆起，平均值為2.17 mm。由圖4(b)所示，上水管線整體沉降情況較好，絕大多數(shù)工點的沉降量得到較好控制，變化速率也多在2 mm/d以內。

部分管線出現(xiàn)了上浮，但隆起值一般小于10 mm。其中，一條φ400上水管線最大上浮值為11.60 mm，因施工期為冬季冰凍時期，監(jiān)測值受土體凍脹影響;另一條φ1 400上水管最大沉降量為43.45 mm，平均沉降量為28.81 mm，最大變化速率為1.87 mm/d。

4)電力管線。10條電力管溝，直徑均在2 000 mm左右，為混凝土結構，埋深多在5 m左右，實測結果見圖5。

圖4 上水管線地表間接監(jiān)測結果

圖5 電力管線地表間接監(jiān)測結果

10條電力管溝共72個監(jiān)測點的最終地表沉降分布頻率分析如圖5(a)所示，其中60個測點發(fā)生沉降，平均值為-11.38 mm，沉降值標準差為12.01，建議控制標準為-25 mm，可包含88.3%的統(tǒng)計監(jiān)測點;12個測點發(fā)生隆起，隆起值均小于10 mm。由圖5(b)所示，僅其中一條2 000 mm×2 000 mm電力管溝的沉降范圍較大，最大沉降達到-51.71 mm，其他電力管線變形均在控制值范圍內，整體變形較小，管線變化速率多在2 mm/d以內。

5)熱力管線。13條熱力管溝，直徑較大，多為混凝土結構，少量為鋼砼結構，實測結果見圖6。

圖6 熱力管線地表間接監(jiān)測結果

13條熱力管溝共184個監(jiān)測點最終地表沉降分布頻率分析如圖6(a)所示，其中179個測點發(fā)生沉降，平均值為-12.65 mm，沉降值標準差為9.57，符合現(xiàn)行廣泛控制標準-20 mm，可包含80.4%的統(tǒng)計監(jiān)測點;5個測點發(fā)生隆起，隆起值均小于10 mm。

一條3 400 mm×1 600 mm熱力溝的最大沉降為-45.01 mm，其他大部分管線變形均在控制值范圍內，整體變形較小，見圖6(b)，管線變化速率多在2 mm/d以內。

6)燃氣管線。燃氣管線的材質多為鋼管(主要是無縫鋼管和焊接鋼管)，少量為聚氯乙烯(PVC)塑料管。燃氣管線為承壓管線，工程安全重要性等級高，對燃氣管線沉降量控制要求較為嚴格。收集17條地下燃氣管線地表檢測數(shù)據(jù)，實測結果見圖7。

圖7 燃氣管線地表間接監(jiān)測結果

17條燃氣管線共136個監(jiān)測點最終地表沉降分布頻率分析如圖7(a)所示，其中129個測點發(fā)生沉降，平均值為-13.20 mm，沉降值標準差為11.24，對于燃氣管線仍需進一步研究其變形、受力及破壞機理，綜合考慮北京地區(qū)燃氣管線的埋設年代、材質、構造、接頭形式等諸多因素，定量掌握地鐵施工對其影響程度。7個測點發(fā)生隆起，隆起值均小于10 mm。

由于目前規(guī)范對于燃氣管線控制要求嚴格(-10 mm)，部分工程施工對燃氣管線影響超出控制范圍且數(shù)值范圍變化較大，見圖7(b)。其中一條DN500鋼管燃氣管最大沉降值達到-50.12 mm，但管線變化速率均在2 mm/d以內。

3 結論與建議

1)地下管線位移可由地表位移或管線自身位移進行控制，控制指標類型主要包括地下管線的沉降、差異沉降(傾斜率)和變化速率。

2)實測結果表明:地下管線出現(xiàn)較大整體沉降時，其差異沉降(傾斜率)可能未超過控制值，管線正常使用，安全未受影響，工程實際應注重管線差異沉降(傾斜率)的控制。

3)根據(jù)統(tǒng)計結果，北京地區(qū)管線平均沉降在-15 mm左右，最大沉降可達到-60 mm左右。對于雨水、污水、電力管線建議沉降控制值為-25 mm;給水管線和熱力管線建議沉降控制值分別為-15 mm和-20 mm;燃氣管線的控制沉降值仍需進一步研究，建議遵循現(xiàn)有規(guī)范-10 mm。

4)北京地區(qū)地下管線沉降較大的地方一般發(fā)生在地鐵不同結構的隧道臨近共同多重作用的區(qū)域內，這與區(qū)域隧道斷面較大、施工工序轉換多次、重復擾動地層、結構受力復雜等原因有關?；娱_挖與盾構掘進過程中的不正常施工也會造成地下管線的較大沉降。

5)管線沉降除受地層條件、土體性質、地下水位、氣候等客觀因素影響外，暗挖法施工與盾構掘進過程中的不正常施工也會造成地下管線的較大沉降。所以，嚴格控制施工過程、合理調整施工參數(shù)與控制盾構姿態(tài)，避免不正常事故的發(fā)生，是保障地下管線安全的關鍵。

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