隧道施工中对管线的保护策略研究

1 前言
　　隧道（主要是地铁工程及各类市政地下工程）施工往往处于建筑物、道路和地下管线等设施的密集区，从而导致隧道建设中各种工程环境公害问题日益突出。因而在隧道施工中，必须保证施工对于已有的设施所造成的影响危害在允许的范围内。特别是各种地下管线由于种类繁多，管线材质、接头类型及初始应力各异，加之分属部门不同，执行保护标准有差异，更加大了隧道施工中管线保护的难度。
　　作为城市环境保护的一个新兴课题，许多国内外学者都对隧道施工对邻近管线的影响研究作了很多工作，得出许多有意义的结论，为科学评价隧道施工对邻近管线的影响提供了一定的理论基础。本文对隧道施工中管线的保护进行了思考。
　　2 施工说明
　　管线拆迁应首先保证管道的使用功能不受影响并符合城市的总体规划、尽量考虑永临结合，同时紧密结合车站的施工组织计划。影响主体结构施工的通信管线主要是横跨主体结构的分支管线，均不迁改而采用悬吊、托护。
　　对通信、电力、给水、煤气等城市主干管，采用悬吊托护或支架支护时，采取有效措施，确保万无一失。
　　3 管线保护施工要点
　　3.1 正式开工前可以进行四方面工作：①认真研究设计图纸提供的资料；②积极主动走访有关职能部门，尽可能收集有关管线的资料；③派专人对施工现场地下管线进行勘测调查；④根据前三步工作的成果，比较精确地绘出有关管线图纸，作为施工中管线迁拆或保护的依据。
　　3.2 图纸中显示须进行迁拆的管线，进场后应主动配合有关部门尽快进行迁拆。
　　3.3 对于仍须保留的地下管线，我公司制定了详细的管线保护方案（本章后附），并切实予以执行，保证施工期间管线的加固和悬吊的安全和正常使用。
　　3.4 对于原来有混凝土井道保护的电力或通信管线，悬吊时，在有关部门同意和协助下将混凝土井道拆除，换以合适尺寸的管材将原有电缆集结成束，并妥善保护电缆后方能进行悬吊。
　　3.5 基坑支护及基坑土方开挖施工前，使用管线探测仪，仔细对施工位置进行探测，然后再进行基坑施工。
　　3.6 若经探测，发现有未明管线在施工场地内通过时，应及时向监理和业主报告情况，并会同业主、设计单位及管线权属部门共同研究，研究处理办法。尽量不影响施工进度的正常进行。
　　4 存在问题
　　隧道施工对邻近管线影响的研究是一个涉及到市政工程、隧道与地下工程、工程风险评估学等众多学科的综合性课题，目前研究的深度还远远不够，在地下管线初始应力、管——土相互作用、管线变形允许值、应力变形计算等方面均有待进一步深入。
　　4.1 地下管线初始应力受管道内部工作压力、覆土压力、动静荷载、安装应力、先期地层运动及环境影响等因素共同控制。尽管目前对单一荷载的研究相对完善，但管线的初始应力是上述各力综合作用的结果，仅仅靠简单的叠加并不能准确反映初始应力的状态。
　　4.2 目前在管——土相互作用的研究上，大部分学者仍然假设管与土紧密接触，不发生相对位移。这种假设对小管径管线且埋置土层工程性质好的情况是适用的，但由于大管径管线会对周围土体的移动产生明显抵抗作用，这种假设就不再适用。同样，如果管线所处地层土体含水量较大，在土体产生移动时管-土间也存在相对位移。
　　4.3 管线允许变形值的确定应该综合考虑管材、管径、接头类型、管线功能、运营时间、管线与隧道的相对位置、隧道施工方法等因素。而目前的地铁规范基本是给出一个地表最大允许沉降值（一般为3cm以内），这样作尽管有一定的可靠性，但没有依据具体情况来确定允许值，不仅不能充分发挥管线的自承能力而且限制隧道施工进度，增加了工程投资。
　　4.4 现阶段对管线的应力变形计算多是基于Attewell等1986年提出的根据Winker弹性地基梁理论分析的结果，而大部分数值模拟也是把地下管线简化成地基梁来计算。这样得到的结论趋于保守并且在有些情况下是不适宜的；对管线接头转角的计算大部分是根据弹性地基梁的计算结果反分析所得，由于是把管线变形强加到接头处使之“产生”转角，这种方法是否适当有待商榷。并且，现行的分析几乎都是把隧道施工引起的地层移动与变形当作输入条件来计算管线的反应，没把隧道掘进与管线响应当作一个整体考虑，缺少系统分析成果
5 施工方法及施工措施
　　由于管线的标高均位于支护坡顶以下，施工时，基本拟定为使用钢梁及钢制支架悬吊管线。
　　土方开挖至管线底标高时开始安装钢梁和进行管线悬吊。
　　工字型钢梁与支护桩的连接做法：利用桩顶预留的钢板和钢筋，钢板、钢筋与工字钢梁焊接固定后，在桩顶处浇捣混凝土压顶梁。对于南北走向的两条通信电缆，在工字型钢梁上，沿管线走向按三米的间距设置钢支架固定悬吊管线。
　　对于原来有混凝土井道保护的电力或通信管线，悬吊时，在有关部门协助下将混凝土井道拆除，换以合适尺寸的管材将原有电缆集结成束，并妥善保护电缆后方能进行悬吊。
　　6 对未来的展望
　　随着社会经济的不断发展，人口的不断增长和空间的相对缩小，人们逐渐把发展的目光投向地下空间的利用，开发地下空间已经成为人类扩大生存空间的重要手段和发展趋势，与之俱来的越来越多的工程环境问题有待加强研究，隧道施工中邻近地下管线的保护问题可从以下几方面着手：
　　6.1 市区地下管线分布复杂、种类各异，因此在隧道施工前应做好普查工作（现在广州等大城市已经进行了地下管线的普查工作，并建立了地下管线信息系统）。对于运营时间短、管材质地好、管径不大的管线可以放宽限制标准；对运营时间长的铸铁管线应加强保护措施，特别是早期刚性接头的铸铁管线，由于其只能承受很小的接头转角，并且管段抗拉能力很差，因此应从两方面验算其是否达到极限。对大管径管线要作针对性的专门的研究。
　　6.2 随着计算机技术的发展，对隧道引起的管线位移应力应变分析可以考虑采取数值模拟，把隧道与管线当作一个系统考虑——将隧道施工与管线的变形作为一个整体计算。这样就可以通过采用不同的单元模拟不同土体、管——土接触关系、管线类型以及考虑不同的隧道施工方法等，从而实现对“隧道——管线”的整体分析。
　6.3 有必要通过理论分析、试验、现场监测相结合，准确预测管线的初始应力、允许变形值以能够科学评估隧道施工给地下管线带来的危害。
　　6.4 隧道建设中对地下管线的保护的研究是一项系统工程，涉及学科众多，影响因素复杂，忽略了某一方面都可能导致管线的破坏。而专家系统可以吸取各领域内相关专业各专家的智能知识，把专业模型转化为知识模型，从而能对地下管线保护问题进行更全面、客观、准确的分析研究。因此建立地下管线保护专家系统有助于管线保护研究集中研究成果，为进一步发展提供帮助。
　　6.5 准确评价隧道施工对邻近管线的影响，必须紧密结合社会、经济情况，除了理论分析、试验、监测外还可引进工程风险评估系统，对隧道施工引起的环境问题进行风险评价，综合考虑管线破坏引起的环境保护、安全性、后期费用等众多因素。