橫跨地鐵深基坑的超大直徑排水管懸吊保護技術

張伯夷

（中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司，成都611130）

1 工程概況

成都軌道交通18 號線火車南站車站結構形式為地下二層島式站臺車站，車站總長約565m，有效站臺長186m，標準段寬22.6m。本站基坑深度約17～21m，車站有效站臺中心里程為YDK10+133.000。根據管線綜合圖及現場調查，在車站里程YDK10+328.06 處存在一根中水管，中水管為DN1800mm（內徑，壁厚160mm）無縫鋼管，外包混凝土方管（C20 混凝土），邊長約2.13m（見圖1），呈東西走向，需在基坑開挖前對其進行懸吊保護，懸保的長度約為21m，管頂高程492.715m。

圖1 中水管懸吊保護剖面示意圖

2 主要施工技術

2.1 懸吊梁設計

超大直徑的中水管懸吊保護所用的貝雷梁采用3 組3 排單層加強型貝雷梁作為主梁，貝雷梁兩端固定于該處基坑冠梁上（貝雷梁與冠梁接觸面鋪設鋼板），分段掏槽懸吊，采用20 組6×37 型 φ24mm 鋼絲繩拉桿，間距為1m，一側設有緊繩器，與鋼絲繩鋼絲破斷拉力總和324kN 匹配。為了使鋼絲繩與中水管包封受力均勻，在兩下邊角設置有U 形鋼板，采用竹夾片進行填塞或墊橡膠。貝雷架下弦桿上橫向鋪設20A 工字鋼，用于吊設鋼絲繩，工字鋼上設圓形鋼墊板固定槽，后加橡膠層。

2.2 懸吊梁受力分析

懸吊梁荷載=梁自重+管線重量（中水管重量=管中水重+管線自重），管中水量按滿管流考慮。

基坑寬度l（即梁跨度），懸吊梁按均布荷載的簡支梁計算，僅計算主梁受力狀況。管線自重為M1，管中水重量為M2。貝雷梁自重為M，安全系數為?。則懸吊梁所受荷載為q=?（M1+M1+M）g，最大彎矩Mmax=ql2/8,應力 σ=M/W，撓度計算：f允=L/400。

通過采用有限元軟件MIDAS/CIVIL 進行建模分析，假設中水鋼管荷載全部傳至九榀貝雷梁，采用有限元軟件MIDAS/CIVIL 進行建模分析；九榀貝雷梁采用連接桿連接。計算模型包含：節點963 個，梁單元1944 個。

2.2.1 基本假定與邊界條件

計算基于以下基本假定：（1）所有材料均在彈性范圍，不考慮材料塑性性能；（2）結構在荷載作用下為彈性小變形；（3）計算分析重點為九榀貝雷梁承載力分析；（4）不考慮非結構材料對結構抗力的貢獻；（5）兩端通過施工措施，約束良好；（6）計算的可靠性建立在設計、施工均遵守相關規范、技術規程的基礎上。

邊界條件如下：（1）按照簡支梁模型，貝雷梁梁一端三向約束和另一端三向豎向約束；（2）九榀貝雷梁頂部節點自由。

2.2.2 有限元模型

九榀貝雷梁片與片之間采用連接桿連接，采用鋼絞線對中水管進行懸吊保護，鋼絞線放置在貝雷梁橫斷連接桿上。縱向設置7 片貝雷梁，總長約21m，橫向設置剪刀撐和水平撐，每道剪刀撐和水平撐縱向間距小于6m。

2.2.3 計算模型

通過計算模型設置中水荷載于最外側貝雷梁片上，貝雷梁受力為34.35kN/m，兩側固接處反力最大為125.7kN（見圖2），最大位移為47mm，撓度控制為1/450，最大拉應力為208MPa，最大壓應力為198MPa，小于16M 鋼材應力允許值。

從九榀貝雷梁計算模型結果可以看出，中水鋼管在借助九榀貝雷梁懸吊作用下，貝雷梁可以滿足懸吊荷載作用要求，結構安全。

圖2 最不利荷載組合作用反力圖

2.3 掏挖管線頂部及兩側覆土

在進行懸吊保護前，清除管線上方覆土，采用機械、人工相結合的方式進行。管線上方既有路面采用機械破除開挖，為防止管線在開挖過程中遭到擾動、破壞，機械破除路面后采用人工進行開挖。首先從端頭人工開挖找出管線，然后沿管線方向進行開挖，人工開挖至露出管線頂面即可，管線兩側覆土采用機械掏挖，掏挖至管線底部高程以下即可。

2.4 架設貝雷梁

超大直徑中水管懸吊從一端向另一端跳槽進行，首先從一端距基坑側墻150mm 處開始1m 一段分段掏槽，掏一段懸吊一段，并通過鋼絲繩上面的緊線器調節松緊度，保證管線底部高程不變。分段依次進行下道吊繩的安裝，所有吊繩安裝完成后進行復檢，查看鋼絲繩是否有松動的，如果有個別松動需重新進行調整，同時保證所有吊繩松緊度一致，管線懸吊高程順延原中水管內包鋼管底部高程。貝雷梁固定前需進行定位，貝雷梁必須與管線垂直對中，即線中心在同一垂線上且要保證懸吊后基本不改變管線高程和位置。

2.5 基坑圍護結構受力計算

基坑模型是結合懸吊梁模型計算相關荷載對基坑受力進行復核。模型采用理正深基坑軟件進行計算。根據現場實際情況，在中水管處設置了樁間距為3.75m 圍護樁，東側其余樁間距為2m（A3型樁），西側其余樁間距為1.5m（A1型樁），圍護樁持力層均為中風化泥巖。樁頂設置了1.6m×1.2m 冠梁，支護形式為0.7m×1.2m 混凝土內支撐，第2 道和第3 道支撐設置有雙拼45C 工字腰梁和609 鋼管支撐，預加200kN 水平力。由于現狀基坑一側已經施工處理封頂狀態，另一側為開挖坡道，計算時可按一側封堵和另一側邊坡考慮。

2.5.1 基本假定與邊界條件

1）本計算基于以下基本假定：（1）不考慮中水管自身承擔縱向荷載；（2）九榀貝雷梁整體受力；（3）9 榀貝雷梁支座設置在維護樁中軸線上；（4）不考慮其他懸吊管線影響；（5）本分析的可靠性建立在設計、施工均遵守相關規范、技術規程的基礎上。

2）邊界條件如下：（1）維護樁進入中風化泥巖3.5m，嵌巖狀態；（2）基坑上冠梁貫通連接，一側端堵和另一側邊坡。

2.5.2 計算模型

各圍護樁受力情況如圖3 所示，根據主動土壓力進行導入，同時，加入了9 榀貝雷梁作用于冠梁上荷載。

圖3 基坑計算模型水平受力圖

從基坑圍護結構計算模型結果可以看出，懸吊中水鋼管的九榀貝雷梁的荷載全部作用在基坑圍護結構時，基坑圍護結構可以滿足懸吊荷載作用要求，施工時結構安全。

3 質量控制措施

3.1 施工監測

為了確保施工期間周圍環境及結構自身的施工安全，在施工過程中需進行測點的設置、日常量測工作和數據處理、信息反饋工作，進行信息化施工，確保工程施工的安全。通過監控量測達到以下目的：

1）將監測數據與預測值相比較，判斷前一步施工工藝和支護參數是否符合預期要求，以確定和調整下一步施工，確保施工安全；

2）將現場監測的數據、信息及時反饋，已修改和完善設計，使設計達到優質安全、經濟合理；

3）將現場測量的數據與理論預測值比較，用反分析法進行分析計算，使設計更符合實際，便用以指導今后的工程建設；

4）監視圍護結構應力和變形情況，驗證圍護結構的設計效果，保證圍護結構穩定、地表建筑和地下管線的安全；

5）監測項目及控制值如表1 所示。

表1 監測項目控制值及預警值表

3.2 管線懸吊保護期間的質量控制措施

管線懸吊保護期間的質量控制措施包括：（1）所有進場材料均在現場按指定地點存放，由現場統一管理，保證使用的原材質量，如懸吊所用的鋼絲繩、貝雷架存放時需注意防潮，避免生銹；（2）在管線懸吊后，需對基坑圍護結構進行密切監測，以防止基坑圍護結構因受力過大而產生傾斜、失穩，從而危及基坑安全；（3）管線懸吊保護過程中，需定期對鋼絲繩松緊度進行檢查，如發現松動，需及時調整，以保證被懸吊保護的管線各部位受力均勻。

4 安全保證措施

安全保證措施包括以下幾方面：

1）成立現場應急響應領導小組，負責安排、落實管理、檢查施工作業期間管線的保護。加強組織，有針對性地進行安全教育，提高廣大職工的緊急情況處理能力和警覺性，并在施工時加強與相鄰工點的聯系，互相配合，確保安全施工。

2）工地預備足夠的防洪物資及設備，如草袋、篷布、大功率抽水機械等，并嚴禁挪用防洪物資和設備。在大量水浸泡基坑引起土體膨脹，從而造成支撐軸力突變、基坑垮塌等問題時，人員必須撤離，機械、設備均需從基坑內轉移到地面，以免被淹，在盾構隧道洞口處，組織人員堆砌沙袋并安放抽排水泵對積水進行有效抽排，防止水流倒灌至盾構隧洞。

3）配備一定的自發電能力，以確保突然停電情況下的排水需要。

4）定期檢查排水管網及抽水設備的可靠性，提高快速反應能力。

5 結語

綜上所述，橫跨地鐵深基坑的管線懸吊保護是一項科學而系統的工作，施工前需對管線進行針對性的方案編制，并對受保護的管線及基坑圍護結構進行受力分析，以確保基坑開挖過程中的施工安全。本文結合成都軌道交通18 號線土建1標橫跨地鐵深基坑的超大直徑排水管懸吊保護的施工實例，針對施工過程中的管線、深基坑圍護結構的受力分析及材料選型進行深入的研究分析，提出了相應的安全質量控制措施，具有一定的借鑒與參考價值。