城市隧道(主要是地鐵工程和各種市政地下工程)的建設往往位於建築物、道路和地下管線密集區，導致城市隧道建設中各種工程的環境汙染問題日益突出。因此，在城市隧道建設中，需要保證施工對現有設施的影響在允許範圍內。特別是各種地下管線的類型、管道材質、接頭類型、初始應力都不壹樣，不同部門的保護標準也不壹樣，給隧道施工中的管線保護增加了難度。
作為城市環境保護的新課題，國內外許多學者在城市地下建設對鄰近管線影響的研究方面做了大量工作，得出了許多有意義的結論，為科學評價城市隧道建設對鄰近管線的影響提供了壹定的理論依據。本文綜述了城市隧道施工對鄰近管線影響的研究現狀和進展，並對進壹步研究提出了壹些看法。
2.國內外研究現狀
2.1地下管線初始應力
城市隧道開挖前地下管線所承受的應力稱為管線初始應力[1]，它是內部工作壓力、上覆土壓力、靜動荷載、安裝應力、早期地面移動和環境影響共同作用的結果。壹般來說，管道安裝墊層未充分壓實或其他原因引起不均勻沈降，會使管段應力增大或接頭角度增大。管道內外壓力不同，會導致管段產生周向應力；覆巖壓力和動靜荷載的作用會使管段截面趨於橢圓形，同時會伴隨著管段應力的變化。同樣，管道的埋地土層不同也會導致管道的受力狀態不同:比如將管道埋在溫差大的土層中會引起管道的應變，管道周圍土壤濕度的變化也會引起管道的腐蝕，從而降低管道的強度。
Taki和O'Rourke分析了作用在鑄鐵管上的內壓、溫度應力、重復載荷和安裝應力，計算了綜合作用下低壓管的拉應力和彎曲應變的典型值。認為管道縱向彎曲應變為0.02% ~ 0.04%時，作用在管道上的初始應力大致為相應的應力值[2]。美國猶他州立大學的研究人員對螺旋肋鋼管、低強度肋鋼管和PVC管進行了應力、應變和應力松弛試驗，並得出了相應的結論[3]。國內學者對各種壓力管道的承載載荷和軸向應力進行了研究，提出了初應力的理論方法和相應的計算公式[4]。
2.2管道與周圍土壤的相互作用
隧道施工過程中，地下管線受到周圍土體擾動引起的不均勻沈降和水平位移，產生附加應力。同時，由於管道的剛度約為土體的1000 ~ 3000倍，必然會抵抗周圍土體的運動。Attewell認為隧道施工引起的土體移動對管道的影響可以從隧道開挖方向與管道的相對空間位置來確定。當隧道開挖方向垂直於管道延伸方向時，對管道的影響主要表現為管道周圍土體的縱向位移引起管道彎曲應力和接縫角度的增大。當隧道掘進方向與管道延伸方向平行時，對管道的影響主要表現為周圍土體的軸向拉伸和壓縮。管道對土體運動的阻力主要與管道直徑、剛度、接頭類型和位置有關[1]。
由於大部分地下管線埋深較小(壹般在1.5m以內)，通常可以假設當管徑較小時，地下管線對周圍土體的運動沒有阻力，會沿著土體的運動軌跡發生變形。壹些研究結果也表明了這壹假設的可行性[2]: Carder和Tayor采用足尺試驗研究了埋深0.75m、直徑100㎜的鑄鐵管在相鄰開挖影響下置於不同土壤中時的性狀變化。試驗結果表明，管道的運動軌跡與地層中土壤的運動軌跡壹致；Nath采用三維有限元模擬分析了直徑為75㎜~ 450㎜的鑄鐵管在埋深1.0m條件下對鄰近開挖的響應，分析結果表明直徑小於150㎜的鑄鐵管對地表移動幾乎沒有阻力。Ahmed等人用二維和三維有限元模擬了深溝開挖對相鄰鑄鐵管道的影響，在假定管道與周圍土體沒有相對位移的情況下，計算出管道的附加應變小於鑄鐵管道的容許極限強度。他們認為，如果在相鄰施工的影響下，管道與周圍土體之間沒有相對位移，施工對管道的影響可以忽略。在Molnar等人關於芝加哥Lurie醫學研究中心項目深基坑開挖對鄰近地下管線影響的研究中，假設直徑為150 ㎜ ~ 500 ㎜的地下管線的預測變形值與現場實測數據壹致。
但地下管道直徑增大到壹定程度後，會抵抗周圍土體的運動，這也增加了管道破壞的風險。國內學者蔣宏生研究過盾構施工對上部直徑為3.6m的合流汙水管的影響及處理措施[5]。但Attewell認為，雖然大口徑管道在抵抗土體運動時會增加管體的應力，但由於管道本身強度較大(主要針對灰鐵管道)，不會在管段產生較大的附加應力[1]。壹般來說，隧道施工要註意大口徑管道，尤其是地面移動劇烈、管道和接頭脆弱、使用壽命長的大口徑管道。
2.3地下管線的失效模式和允許變形值
在調查地層移動變形作用下地下管線的主要破壞模式時，壹般有兩種情況:壹是管線管段在附加拉應力作用下開裂甚至斷裂，導致喪失工作能力；二是管段完好，但管段接頭轉角過大，接頭無法保持閉合，出現滲漏。管道的破壞可能主要受其中壹種模式控制，也可能同時發生兩種破壞:對於焊接塑料管和鋼管，由於其接頭強度高，只能通過計算其最大彎曲應力來預測管道的安全性；但對於鑄鐵管和球墨鑄鐵管，尤其是運行時間較長的鑄鐵管，由於其抗拉強度差，連接處柔性不足，兩種失效模式都可能發生。
文件[1]定義了隧道施工引起的地下管線破壞模式:1。軟管(主要是鋼管和塑料管)因屈服或屈曲而過度變形，管段斷裂；二、剛性管道(主要是脆性灰鐵管道)的主要失效模式有(1)縱向彎曲引起的截面斷裂，(2)管段周向變形引起的徑向開裂，(3)管段連接處過度旋轉引起的泄漏。高文華認為，焊接長鋼管的破壞主要受地層下降引起的管道彎曲應力控制；對於有接頭的管道，損傷主要由管道的許用開口值△和管道的許用縱向和橫向彎曲強度決定[6]。
在隧道開挖過程中，為了保證相鄰管線的安全，目前壹般的做法是控制管線的沈降、地表傾斜和管節的開度值。這些控制值的確定基於幾個規範和工程實踐經驗，具有相當程度的可靠性。然而，在實際工程應用中，地下管道的變形和應變以及柔性接頭管道的接頭角度很難測量。而且由於沒有統壹的理論控制標準，這些控制值的確定具有隨意性，缺乏理論研究成果。Molnar在前人研究成果的基礎上，通過理論計算與實測數據對比，給出了各種管道的許用彎曲應力和許用接頭轉角，可為進壹步研究提供參考[2]。
2.4地下管線隧道施工影響下的變形
隧道施工影響地下管線的因素很多。準確的地下管線應力和變形的理論分析是地下管線保護研究的基礎。目前，計算地下管線應力和變形的方法主要有兩種:解析法和數值模擬法。
2.4.1分析方法
Attewell提出了壹種基於Winker彈性地基模型的隧道施工對構築物和管線影響的評估方法。根據管道的不同位置和地層運動的方向，分別計算管道在垂直和平行地層運動時的彎曲應力和接頭轉角，研究大口徑和小口徑管道在地層運動下的不同反應行為，探討理論分析的實際應用可行性，給出管道設計方法，這是較早的系統研究成果[1]。廖和也基於彈性地基梁理論提出了將地下管線視為柔性管和剛性管的兩種方法[7]。計算模型如圖1所示，地下管線位移方程建立如下:
式中:，k為基床系數，；
Ep-管道的彈性模量；
Ip-管道截面的慣性矩；
Q-作用在管道上的壓力。
對於柔性地下管線，他們認為研究這類管線在地面沈降過程中的受力和變形，可以從接頭張開值、縱向彎曲、管接頭橫向受力等方面分析管線地基的差異沈降值或各管線可能承受的沈降曲線曲率。
高田誌郎等人根據彈性地基梁理論，對地下管道受地基沈降影響的四種情況進行建模，提出了計算管道最大彎曲變形、接頭角度和最大接頭伸長量的設計公式[8]。根據Winker的地基反力模型，段光傑討論了不同隧道施工方法引起的地層損失對周圍地下管線的影響。在管道處地層徑向變形和地層軸向變形的影響下，分別總結了管道垂直於隧道軸線和平行於隧道軸線時管道變形、應變、轉角等參數與最大地面沈降值的關系[9]。高文華運用Winker彈性地基梁理論分析了基坑開挖引起的地下管線的垂直位移和水平位移，並推導出相應的計算公式。討論了引起地下管線變形的因素，如地基系數、沈降區長度和地下管線對應的地表沈降。給出了不同的管道變形控制標準和安全評價標準[6]
基於以下兩個假設，第壹，假設管道是連續柔性的，當管道隨土體運動時，只在管段上彎曲，在連接處不轉彎。由於管段軸向位移很小，認為管道在運動時不承受軸向應變，管道彎曲服從伯努利-納維爾理論；第二，假設管段是剛性的，管道運動產生的位移全部由接頭角度提供，接頭不產生阻力矩，允許接頭自由轉動，接頭角度只在縱向產生，也就是說管道上的力矩為零。Molnar推導了地下管道繞土體運動時的彎曲應力和接縫角度的計算公式，分別為[2]:
(1)彎曲應力的計算公式:
圖2管道彎曲應力計算模型[2]
(2)
式中:σI——管道I點的彎曲應力；
E-管道的彈性模量；
Xi和zi-分別是從管道外部纖維到中性軸的橫向和縱向距離。
z″(Yi)和x″(Yi)-分別是點I處管道的縱向和橫向曲率。
(2)接縫角度的計算公式:
圖3管道接頭角度計算模型[2]
(3)
式中:εJi——管道上I點和J點的橫向位移差；
ρJi——管道上I點和J點的沈降差；
lji——管段長度；
對於同壹管道，分別對上述兩種臨界狀態進行分析，並將計算值與允許值進行比較，即可預測管道的安全狀態。
2.4.2數值模擬方法
采用數值模擬方法，可以很好地考慮隧道開挖引起的地表位移與管線的相互作用，可以得到滿意的結果。
Ahmed利用有限元模型計算了地下管道在深基坑附近開挖時的附加彎曲應力，並建議由周圍地層移動引起的鑄鐵管最大彎曲應變值為0.05%，球墨鑄鐵管為0.15%[2]。
李大勇、龔曉楠、張土橋考慮了基坑圍護結構、土體和地下管線的耦合作用，建立了地下管線、土體和基坑圍護結構的三維有限元模型[10]。分析了管道材質、埋深、距基坑距離、下臥層土質、管道與周圍土體的彈性模量比對地下管道的影響。基於單個柔性接口中密封膠圈產生的拉力、彎矩和扭矩，研究了基坑工程中鄰近柔性接口的地下管線的應力和變形，得到了管線柔性接口的拉力P。並總結歸納了地下管線的安全判別方法和地下管線的工程監測保護措施[11][12]。吳波、高波[13]基於ANSYS軟件平臺，將地下管線模擬為三維彈性地基梁，建立隧道支護結構、土體和地下管線耦合作用的三維有限元分析模型，對施工過程進行模擬分析，預測地下管線的安全性，給出管線安全性的評價標準。
2.5城市隧道施工引起的地表移動和變形
自Peck系統提出預測隧道施工地表沈降槽的經驗公式以來，許多學者對隧道施工引起的周邊環境巖土問題進行了深入系統的研究，Attewell等人對此進行了總結[1]。Loganathan等人、Wei-I Chou和Antonio提出的理論分析方法在預測開挖引起的地表和地層內部位移方面取得了較好的效果[14] [664]國內學者劉建航和侯學元研究了盾構施工引起的地表沈降並提出了相應的預測方法[16]。徐永福和孫俊討論了盾構掘進對周圍土壤的影響。人工智能神經網絡技術在盾構掘進擾動和地表移動預測中的應用[17][18]。和劉運用隨機介質理論對城市隧道施工引起的地表移動和變形進行了預測，取得了理想的預測結果。通過對隧道開挖引起的地表位移的準確預測，為進壹步研究隧道施工對地下管線的影響提供了理論計算依據[19]。
3.有問題
城市隧道施工對鄰近管線影響的研究是壹個涉及市政工程、隧道與地下工程、工程風險評估等多學科的綜合性課題。目前研究深度還遠遠不夠，地下管道的初始應力、管土相互作用、管道變形允許值、應力和變形計算等都需要進壹步深化。
(1)地下管道的初始應力受內部工作壓力、土壓力、靜動荷載、安裝應力、早期地面移動和環境影響的控制。雖然目前對單壹載荷的研究已經比較完善，但是管道的初始應力是上述力綜合作用的結果，初始應力的狀態不是簡單疊加就能準確反映的。目前對初始應力的估計多由經驗決定，當條件發生變化時，原有經驗已不能簡單復制。因此，有必要建立有效的管道初始應力計算理論，為確定管道變形允許值提供理論依據。
(2)目前，在管土相互作用的研究中，大多數學者仍然假設管土緊密接觸，沒有相對位移。這種假設適用於埋地土壤工程性質較好的小直徑管道，但由於大直徑管道會明顯抵抗周圍土壤的運動，因此不再適用。同樣，如果管道所在地層的土壤含水量較大，土壤移動時，管道與土壤之間也存在相對位移。
(3)管道允許變形值應綜合考慮管材、管徑、接頭類型、管道功能、運行時間、管道與隧道相對位置、隧道施工方法等因素確定。但現行地鐵規範基本給出了壹個地表最大允許沈降值(壹般在3㎝以內)。這雖然是可靠的，但沒有根據具體情況確定允許值，不僅不能充分發揮管道的自承能力，而且限制了隧道施工進度，增加了工程投資。
(4)目前管道的應力和變形計算大多基於Attewell等人在1986中提出的Winker彈性地基梁理論的分析結果，大多數數值模擬也將地下管道簡化為地基梁。這樣得到的結論在某些情況下趨於保守和不恰當；管道接頭角度的計算大多基於彈性地基梁計算結果的反分析。由於將管道變形施加在接頭上使其“產生”角度，這種方法是否合適還有待商榷。而且目前的分析幾乎都是將隧道施工引起的地表移動和變形作為輸入條件來計算管道的響應，沒有將隧道開挖和管道響應作為壹個整體來考慮，缺乏系統的分析結果。
向前看
隨著社會經濟的不斷發展，人口的不斷增長，空間的相對萎縮，人們逐漸將目光轉向地下空間的利用。地下空間的開發已經成為人類拓展生存空間的重要手段和發展趨勢，越來越多的工程環境問題需要研究[20]。城市隧道建設中對相鄰地下管線的保護，期望從以下幾個方面著手，以期在今後取得系統的成果。
(1)市區地下管線分布復雜，類型多樣，隧道施工前應做好普查工作(廣州等大城市已經進行了地下管線普查，建立了地下管線信息系統[21])。對於運行時間短、管材質量好、管徑小的管道，可放寬限制標準；對於運行時間較長的鑄鐵管應加強保護措施，尤其是早期剛性連接的鑄鐵管。因為它們只能承受很小的接頭轉角，而且管段的抗拉能力很差，所以要從兩個方面檢查它們是否達到極限。應對大口徑管道進行專門研究。
(2)隨著計算機技術的發展，隧道引起的管道位移的應力應變分析可以考慮采用數值模擬，將隧道和管道作為壹個系統來考慮——將隧道施工和管道變形作為壹個整體來計算。這樣，采用不同的單元模擬不同的土體、管土接觸關系、管道類型，考慮不同的隧道施工方法，就可以實現“隧道-管道”的整體分析。(3)要結合理論分析、試驗和現場監測，準確預測管道的初始應力和允許變形值，科學評價隧道施工給地下管線帶來的危害。
(4)城市隧道施工中地下管線的保護研究是壹項系統工程，涉及學科多，影響因素復雜。忽略壹個方面都可能導致管道的破壞。該專家系統可以吸收各領域專家的智能知識，將專業模型轉化為知識模型，從而對地下管線的保護進行更加全面、客觀、準確的分析和研究。因此，建立地下管線保護專家系統有助於集中管線保護的研究成果，為進壹步發展提供幫助。
(5)準確評價隧道施工對鄰近管線的影響，必須緊密結合社會經濟條件。除了理論分析、測試和監測，還可以引入工程風險評估體系，對隧道施工引起的環境問題進行風險評估，綜合考慮環保、安全、管道損壞造成的後期成本等諸多因素。
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