軌道交通工程周邊地下管線位移控制指標

曹伍富 馬 骉 金 淮 吳鋒波 劉永勤

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司 北京100037;2.北京城建勘測設(shè)計研究院有限責任公司 北京100101;3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院 北京100083;4.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)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(zhì)、材質(zhì)、類型、鋪設(shè)方法、埋置深度、土層壓力、管節(jié)長度、管徑、接頭形式、鋪設(shè)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(shè)過程中，應(yīng)注重已有監(jiān)測資料的積累，同時進行工程經(jīng)驗總結(jié)，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(shè)造成的管線不均勻沉降易引起其內(nèi)部出現(xiàn)縱向彎曲應(yīng)力或接頭開裂應(yīng)力［1］，應(yīng)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(zhì)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(zhuǎn)角，通訊電纜、光纜等材質(zhì)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(yīng)力進行判斷，管道中的縱向彎曲應(yīng)力小于容許值時，管道可安全使用，反之管道可能會產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhì)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(dǎo)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(shè)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(zhì)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(zhì)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(jié)構(gòu)在正常使用時受到的應(yīng)力應(yīng)小于其允許應(yīng)變的設(shè)計應(yīng)力，允許拉應(yīng)力有

式中:［ε］為允許拉應(yīng)變;［σ］為允許拉應(yīng)力，MPa;E為材料彈性模量，MPa。

管線在地層沉降時產(chǎn)生的變形應(yīng)小于(或等于)其允許應(yīng)力的相應(yīng)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(nèi)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(jié)果表明:管線變形曲率應(yīng)≤0.007 8或差異沉降≤1/128，管線最大拉應(yīng)力應(yīng)≤71 MPa，安全系數(shù)通常為1.5，最大壓應(yīng)力應(yīng)≤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(jié)的技術(shù)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(nèi)相關(guān)技術(shù)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(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)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(nèi)襯的金屬管道，在組合作用下的最大豎向變形不應(yīng)超過0.02～0.03D0(D0為圓形管道的計算內(nèi)徑);采用延性良好的防腐涂料作為內(nèi)襯的金屬管道，在組合作用下的最大豎向變形不應(yīng)超過0.03～0.04D0;化學(xué)建材管道，在組合作用下的最大豎向變形不應(yīng)超過0.05D0。

對于剛性管道，其鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)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(yīng)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(shè)計應(yīng)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(jié)果，137條管線為地表間接監(jiān)測點的實測結(jié)果。所用資料均為第三方監(jiān)測結(jié)果，具有較好的真實性。

2.1 管線直接監(jiān)測結(jié)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(jié)構(gòu)，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(nèi)。導(dǎo)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(shè)有不及時的現(xiàn)象。

圖1 地下管線直接監(jiān)測結(jié)果

8條φ500～1 050 mm砼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)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(nèi)。

地下管線變形控制指標受多種因素影響，實測結(jié)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(jié)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(zhì)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(jié)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(gòu)正上方，受地質(zhì)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(cè)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(gòu)隧道下穿的綜合影響。

圖2 雨水管線地表間接監(jiān)測結(jié)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(nèi)，變化速率大部分在2 mm/d以內(nèi)。污水管線實測結(jié)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(diào)查均為受到車站不同結(jié)構(gòu)施工與線路施工的多重影響導(dǎo)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(zhì)多為鑄鐵材質(zhì)，少量為鋼管或混凝土結(jié)構(gòu)，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(jié)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(nèi)。

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(jié)構(gòu)，埋深多在5 m左右，實測結(jié)果見圖5。

圖4 上水管線地表間接監(jiān)測結(jié)果

圖5 電力管線地表間接監(jiān)測結(jié)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(nèi)，整體變形較小，管線變化速率多在2 mm/d以內(nèi)。

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

圖6 熱力管線地表間接監(jiān)測結(jié)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(nèi)，整體變形較小，見圖6(b)，管線變化速率多在2 mm/d以內(nèi)。

6)燃氣管線。燃氣管線的材質(zhì)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(jié)果見圖7。

圖7 燃氣管線地表間接監(jiān)測結(jié)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(shè)年代、材質(zhì)、構(gòu)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(nèi)。

3 結(jié)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(jié)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(yīng)注重管線差異沉降(傾斜率)的控制。

3)根據(jù)統(tǒng)計結(jié)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(jié)構(gòu)的隧道臨近共同多重作用的區(qū)域內(nèi)，這與區(qū)域隧道斷面較大、施工工序轉(zhuǎn)換多次、重復(fù)擾動地層、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜等原因有關(guān)。基坑開挖與盾構(gòu)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(zhì)、地下水位、氣候等客觀因素影響外，暗挖法施工與盾構(gòu)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(diào)整施工參數(shù)與控制盾構(gòu)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(guān)鍵。

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