管线破坏理论研究

张驰 郑文峰 韩应祥 星苍峰

摘   要：随着经济的发展，深基坑工程逐渐增多，深基坑的事故也随之增加，尤其是基坑开挖对周边环境的影响需要我们格外注意。因此对管线的研究也就变得越来越重要。如何保护好地下管线成为了众多学者研究的课题。本文介绍了地下管线的种类、地下管线分布规律、地下管线破坏形式以及刚性管线变形的受力分析并基于弹性地基梁理论推导了刚性管线沉降公式。为市政工程施工对管线的保护提供了理论支撑。

关键词：管线变形  管线破损  理论分析

中图分类号：U442. 5                              文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）03（a）-0028-03

随着城市的发展，市政地下管线遍布于整个地下空间中而且种类繁多，十分密集。有些管线的建设年代很难考证。因此经常在勘探和施工过程中发生管线破坏事故。有数据显示，我国在施工过程中发生的管线破坏事故，每年直接经济损失为50亿元。由此可见，如何保护好地下管线的安全成为许多学者研究的课题。

1  地下管线的种类

根据管线与土相对刚度的不同，管线分为刚性管与柔性管[1]。具体判别式为：。当λ<1时为柔性管;当λ>1时为刚性管。其中，t是管道壁厚，Ep管线材料的弹性模量，r是平均半径，Ed是回填土的变形模量。按照管线使用功能的不同，可以将管线划分为地下管道与地下电缆两大类[2-3]。

2  地下管线的分布规律

下水管及电缆一般情况下埋深小于1m。上水管及燃气管等管线的埋深一般为1～1.5m。高压供电电缆一般埋设在预制水泥槽中。通讯线缆一般埋设在预制水泥槽或PVC管槽中，埋设深度一般为1.5～2m。

3  地下管线的破坏形式

通过对多条破坏管线的分析，管线破坏主要在两个部位：管段和管线接头，其实质是：（1）管段的弯矩产生拉力从而出现裂缝，导致管线出现破裂甚至断裂;（2）管段保持完好，但是管线接头因两段管段转角过大而失效。

Clarke对管线的破坏类型和破坏原因进行了系统的总结，分为梁式断裂、拉断、剪断、推断等。

Attewell[40]提出了脆性灰铸铁管的几种失效模式：纵向弯矩引起的横向断裂;环向弯矩引起的纵向劈裂;熔断、由长期腐蚀引起的孔洞或穿孔;管线接头处的泄漏;引入连接点处的泄漏;直接冲击引起的损伤。

4  刚性管线变形的受力分析

（1）基本假定。

①管线材料为线弹性、均匀、各向同性的;

②管线周围土体为线弹性、均匀介质;

③近似认为管身刚度与管线刚度是相同的，即视为等刚度问题;

④管线在变形与周围土体之间不发生相对滑动，不考虑管土之间的切向摩擦作用;

⑤认为管线在深基坑施工影响下，只考虑横向地表沉降槽范围内产生的沉降;

（2）管线微段微分方程的推导。

如图1对于微段，力与力矩的平衡方程如下：

由梁的挠曲近似微分方程得，

联立（3）与（4）式可以得到管线微段上的微分方程：

式中：Ep、Ip分别为管线的弹性模量与截面惯性矩;K=2，为地基反作用模量，其中，Es、为土的弹性模量与泊松比，d为管线外径;f（y）选用最常用的peck修正公式，，其中Vs为单位长度地层损失，i为管线埋深处地层沉降槽宽度系数。

把f（y）表达式代入式（6）得：

（3）微分方程得求解。

式（7）為常微分方程，引入特征系数，将式（7）变为：

令式（8）右端为0，则

则地下管线沉降的表达式为：

其中Wp0、为管线参数，分别表示沉降、转角、弯矩、剪力;为克雷洛夫函数：

将式（17）、（18）和代入式（14）可得到式（8）得显示解。

5  结语

本文介绍了地下管线的种类、地下管线分布规律、地下管线破坏形式以及刚性管线变形的受力分析。基于弹性地基梁理论，推导了刚性管线地下管线的沉降公式。为市政工程施工对管线的保护提供了理论支撑。

参考文献

[1] 王雨.地铁随道施工对地下管线变形的影响研[D].北京交通大学，2014.

[2] 吴为义.盾构隧道周围地下管线的性状研宄[D].浙江大学，2008.

[3] 区福邦.城市地下管线普査技术研宄与应用[M].南京：东南大学出版社，1998.

[4] P.B Attewell，j. yeates，A.R.selby.soil movements induced by tunneling and their effects on pipelines and structures [M].london：Blackie，1986.