周書東，張彤煒，劉 亮，麥鎮(zhèn)東 ，陽鳳萍

（1、東莞市建筑科學(xué)研究所廣東東莞523820；2、東莞市莞城建筑工程有限公司廣東東莞523073）

既有地下管線穿越基坑時，需要對穿越地下通道的未知管線進行處理，當(dāng)某些管道難以遷移或重要性較高的管道無法遷移時，需進行懸吊保護。由于管井通常連接多條管道，如采用管線遷改施工則產(chǎn)生施工周期長、工程成本高等問題。與傳統(tǒng)管井遷移方法相比，管井懸吊保護技術(shù)具有工期短、避免回遷作業(yè)、降低工程成本等優(yōu)點，社會效益和經(jīng)濟效益顯著。

砌體管井作為受壓不受拉結(jié)構(gòu)，需依據(jù)砌體結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和工程特點，采取合理的懸吊保護方案，防止砌體管井開裂甚至破壞。本文以東莞某工程地下空間通道為例，總結(jié)分析砌體管井保護技術(shù)，為類似工程提供借鑒。

1 工程背景

本文的管井保護技術(shù)研究以東莞市某地下空間通道的砌體管井懸吊保護工程為例，基坑工程為明挖基坑，支護形式為支護樁+內(nèi)支撐支護，基坑開挖深度為11.82 m，寬度為7.2 m。需懸吊保護對象為一雨水管及相連管井（砌體），管道斜橫穿基坑內(nèi)部，跨度約11.60 m，其平面位置如圖1所示。雨水管直徑為1.6 m，地面算起埋深為3.1 m，砌體管井直徑2.7 m，埋深約為3.6 m。

圖1 管井管道平面分布Fig.1 Plane Distribution of Pipe Well

由于保護對象為重要雨水管及砌體管井，同時地下通道基坑直接與地鐵通道銜接，導(dǎo)致大直徑給水管無管線改遷空間，只能進行懸吊保護，其中砌體管井為本次懸吊保護的重點。

2 砌體管井懸吊保護技術(shù)的設(shè)計思路

2.1 砌體管井懸吊方案的整體設(shè)計思路

根據(jù)管線物探結(jié)果，管井的側(cè)壁為115 mm 厚的磚砌體，底板為120 mm 厚的鋼筋混凝土底板。方案設(shè)計需要考慮砌體管井的強度及變形問題。為解決該技術(shù)性難題，本懸吊保護方案決定采用內(nèi)外吊板+承重梁柱方案（見圖2、圖3），該技術(shù)通過設(shè)置內(nèi)外吊板，將砌體管井進行加強及保護，懸吊過程中保持砌體管井處于受壓狀態(tài)，將主要受力傳遞給內(nèi)外吊板，保證砌體管井整體結(jié)構(gòu)的安全。同時設(shè)置承重梁柱對砌體管井進行支撐保護，增加結(jié)構(gòu)安全的富余度，保證結(jié)構(gòu)的安全，克服常規(guī)砌體結(jié)構(gòu)懸吊保護過程中帶來的結(jié)構(gòu)破壞、變形過大等問題。

圖2 管井懸吊保護方案Fig.2 Pipe Well Suspension Protection Scheme

圖3 砌體管井懸吊保護Fig.3 Masonry Pipe Well Suspension Protection

2.2 砌體管井懸吊保護結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成［1］

管井懸吊保護結(jié)構(gòu)由內(nèi)吊板、外吊板、鋼繩索、承重梁柱、承重鋼管梁組成，如表1所示。

表1 砌體管井懸吊保護結(jié)構(gòu)的構(gòu)件類型Tab.1 Component Types for Masonry Pipe well Suspension Protection Structures

內(nèi)吊板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土板（圓板），設(shè)置于管井內(nèi)底部，緊貼砌體管井底板上方。鋼筋擺放為雙層雙向鋼筋，雙層雙向鋼筋穿透砌體管井側(cè)壁以便與外吊板現(xiàn)澆混凝土形成整體，通過內(nèi)吊板提供內(nèi)吊拉力的作用位置，避免砌體管井底板受力，實現(xiàn)保護砌體管井底板的目標(biāo)。

外吊板為采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土板（環(huán)形），設(shè)置于管井外底部，緊貼砌體管井外底部。外吊板主要由底板及護角組成，環(huán)形板寬度約為0.4～0.6 m，設(shè)置單層雙向底托鋼筋，厚度為200 mm，底板的底托鋼筋主要由部分內(nèi)吊板鋼筋伸出，保證內(nèi)外吊板的整體性；護角由底板從豎向伸出，高度約為1 m，厚度為200 mm，緊貼管井側(cè)壁，內(nèi)吊板底部鋼筋穿插側(cè)墻作為外吊板底板的鋼筋，豎向受力鋼筋外露外吊板以便與懸吊鋼筋進行連接。施工時需對砌體管井進行局部開挖，按吊板的尺寸進行開挖再進行支模、鋼筋布置及澆筑混凝土。

內(nèi)吊板及外吊板示意如圖4所示。

承重梁柱作為增加砌體管井懸吊保護結(jié)構(gòu)安全富余度的構(gòu)件，主要由承重梁、承重柱及墊塊組成，承重梁為雙拼工字鋼，承重柱為鋼管柱，鋼墊塊為鋼板。后續(xù)可根據(jù)管井沉降的大小進行動態(tài)化施工，提供相應(yīng)的支撐力。開挖土體前對進行鋼管樁施工后方可進行開挖，懸吊保護結(jié)構(gòu)完成后，繼續(xù)開挖并設(shè)置承重梁，設(shè)置墊塊至底板底，繼續(xù)開挖。

鋼繩索由于具有包裹能力強、易穿過管道底部土體且施加預(yù)應(yīng)力方便等優(yōu)點，故對管道進行保護時使用鋼繩索懸吊保護［2］。

承重鋼管梁通過兩側(cè)支護樁的冠梁作為承載支點，采用大直徑鋼管梁為受力構(gòu)件，提供鋼繩索作用支點。

3 懸吊保護結(jié)構(gòu)計算要點

按照工程實際情況，對砌體管井懸吊保護結(jié)構(gòu)進行模擬分析，本次采用手算及電算進行不同部位的計算，電算使用有限元軟件ABAQUS6.12-1 對管井進行三維模擬，以最不利工況進行考慮，假定鋼管梁為滑動支座，承重鋼管梁兩側(cè)鉸接不動支座，如圖5所示。

3.1 荷載取值（標(biāo)準(zhǔn)值）

管線重量1.226 kN/m；承重鋼管梁自重5.98 kN/m；管內(nèi)水荷載11.31 kN/m；管井集中力148.72 kN；管內(nèi)水集中荷載114.511 kN；懸吊裝置綜合荷載（吊繩掛板等）1 kN/m；施工荷載1 kN。

最不利情況（滿水情況）［3］，按11.6 m 長均布荷載計算，管井距離支座處1.5 m。恒載分項系數(shù)取1.3，活載分項系數(shù)取1.5。

圖5 砌體管井及管道懸吊結(jié)構(gòu)三維模型Fig.5 3D Model of Masonry Pipe Well and Pipe Suspension Structure

3.2 承重鋼管梁驗算

對承重鋼管梁進行跨中彎矩、支座剪力、最大變形的計算，考慮的荷載有承重鋼管梁自重、管線自重及水荷載、管井集中力及水荷載，其計算簡圖及結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 承重鋼管梁荷載Fig.6 Load-bearing Steel Tube Beam

圖7 承重鋼管梁內(nèi)力Fig.7 Internal Force of Load-bearing Steel Tube Beam

3.2.1 跨中彎矩最大處

最大正應(yīng)力σ=-28.920 MPa≤f=215 MPa；平均剪應(yīng)力τ=0.725 MPa≤fv=125 MPa；強度驗算均滿足要求。

3.2.2 支座剪力最大處

最大正應(yīng)力σ =0.000 MPa≤f=215 MPa；平均剪應(yīng)力τ=14.300 MPa≤fv=125 MPa；強度驗算均滿足要求。

3.2.3 支座剪力最大處

最大撓度15.747 mm＜23.200 mm（11 600/500）；所有驗算項目均滿足要求。

3.3 內(nèi)外吊板混凝土結(jié)構(gòu)驗算

3.3.1 內(nèi)吊板計算

為簡化計算，將圓形混凝土簡化為簡支條形板，跨度為吊板直徑，板厚為400 mm，兩邊支承情況為簡支，承受荷載為管井自重、水荷載，最不利工況為滿水荷載情況（2.7 m水頭），對其進行受彎計算，根據(jù)受彎結(jié)果進行配筋，使其結(jié)果滿足要求（計算結(jié)果不細(xì)述）。

3.3.2 外吊板

外吊板部分為承受管井底板自重部分，簡化為懸挑板計算，懸挑部分承擔(dān)砌體管井底板的自重部分，對其進行受彎計算，根據(jù)受彎結(jié)果進行配筋，使其結(jié)果滿足要求（計算結(jié)果不細(xì)述）。

3.4 承重梁柱結(jié)構(gòu)驗算

承重梁柱作為增加富余度角度考慮，支撐梁為兩端鉸接考慮，支撐柱按軸心受壓構(gòu)件計算。

⑴ 承重梁驗算同承重鋼管梁相同，進行彎矩、剪力、撓度計算，設(shè)計過程中可根據(jù)安全度增加多少確定荷載大小，如考慮增加的安全度為50%荷載，則考慮50%的荷載，設(shè)計過程中考慮荷載管線自重及水荷載、管井的自重及水荷載。

⑵ 承重柱的驗算主要為軸心受壓強度驗算及受壓穩(wěn)定驗算，受壓構(gòu)件約束為鉸接，設(shè)計過程中考慮的荷載為承重梁傳遞的荷載。

3.5 砌體管井的鋼繩索驗算

通過ABAQUS6.12-1 對管井進行三維模擬，在最不利情況（滿水情況）下，對管井的鋼筋、管道的鋼繩索進行強度及位移驗算，同時對手算結(jié)果進行復(fù)核。其計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 砌體管道及管井應(yīng)力、位移分布Fig.8 Stress and Displacement Distribution of Masonry Pipes and Wells

鋼繩索最大應(yīng)力σ=4.517 MPa≤360 MPa，最大位移S=21.33 mm＜23 mm，鋼繩索及管井應(yīng)力應(yīng)變符合要求。

4 砌體管井懸吊施工要點

4.1 砌體管井懸吊保護施工要點［4］

砌體管井施工流程如下：①物探方式對管道及管井進行定位，確定位置→②施工基坑兩側(cè)支護，設(shè)置承重鋼管梁，后開挖至管道底部，設(shè)置鋼繩索將管道與承重鋼管梁連接→③設(shè)置內(nèi)外吊板并與承重鋼管梁進行連接→④施工承重梁柱及墊片，繼續(xù)開挖土體→⑤施工地下構(gòu)筑物，對承重梁柱進行預(yù)留洞后澆筑→⑥回填土體至外吊板底并壓實土體，移除承重梁柱及吊板鋼繩索→⑦回填土體至連接管井并壓實土體，移除管道鋼繩索及承重鋼管梁→⑧回填土體至地面高程，工程完畢。開挖過程中，其懸吊保護結(jié)構(gòu)的主要流程如圖9所示。

各施工要點如下：

⑴ 物探方式對管道及管井進行定位，確定位置：人工進行清除臨時障礙物，進一步確定管線位置、高程，確定懸吊保護管線的空間是否足夠，是否有其他管線影響。

⑵ 施工基坑兩側(cè)支護［5］，設(shè)置承重鋼管梁，后開挖至管道底部，設(shè)置鋼繩索將管道與承重鋼管梁連接：施工基坑兩側(cè)支護樁，根據(jù)設(shè)計要求，利用吊裝設(shè)備將承重鋼管梁吊運至指定位置，承重鋼管梁走向與管井與管道的走向?qū)?yīng)，保持正中心位置，拼裝時，用汽車吊和人工輔助進行拼裝，并進行支座固定措施保證承重鋼管梁不發(fā)生滑移。開挖過程中注意分層0.5 m進行開挖［6］，開挖至管井底部。利用鋼繩索將承重鋼管梁與管道連接。最后設(shè)置管線沉降觀測點。

鋼繩索預(yù)拉，通過鋼繩索預(yù)拉完成內(nèi)外吊板與承重鋼管梁的連接［7］。對于鋼繩索的預(yù)拉應(yīng)滿足如下規(guī)定：①鋼繩索的預(yù)拉力可根據(jù)計算結(jié)果進行確定，需滿足強度及位移要求；②鋼絞線束采用整體張拉鎖定的方式；③鋼繩索使用前應(yīng)進行試張拉檢驗，滿足要求后方可使用；④張拉的加載速率應(yīng)控制在0.1 Nk/min，同時保持鋼繩索位移與壓力表壓力保持穩(wěn)定；⑤考慮鎖定過程中的預(yù)應(yīng)力損失，可通過鎖定前、后鋼繩索拉力的測試確定，缺少測試的，鋼繩索拉力可取鎖定值的1.05～1.15倍。

⑶ 設(shè)置內(nèi)外吊板并與承重鋼管梁進行連接：開挖過程中注意分層0.5 m 進行開挖，開挖至砌體管井底部［8］。施工內(nèi)吊板時，對管道進行短時間封堵，并進行排氣處理。工作人員掏挖管井底部土體，掏土范圍為外吊板覆蓋范圍，開挖過程中保持管井底部土體的承載力及沉降在控制范圍內(nèi)，并設(shè)置臨時支點支撐。按圖紙布置鋼筋并架設(shè)模板，施工前清除底部的沉泥、沉積物等并澆筑混凝土。待鋼筋混凝土齡期強度滿足規(guī)范要求方可進行拆模。

⑷ 施工承重梁柱及墊片，繼續(xù)開挖土體：架設(shè)管井兩側(cè)鋼管樁，裝配雙拼槽鋼，根據(jù)管井沉降情況采用頂升裝置增設(shè)墊片。挖過程中注意分層0.5 m 進行開挖，開挖至地下結(jié)構(gòu)底部。土體松動或出現(xiàn)嚴(yán)重滲水時，應(yīng)進行檢查，各項檢查無誤后進行下一步工作。

⑸ 施工地下構(gòu)筑物，對承重梁柱進行預(yù)留洞口后澆筑：根據(jù)結(jié)構(gòu)施工圖進行結(jié)構(gòu)施工，承重柱與地下結(jié)構(gòu)相交位置處采用預(yù)留洞口后澆方式進行作業(yè)。

⑹ 回填土體至外吊底板底并壓實土體，移除承重梁柱及吊板鋼繩索?；靥钔馏w至管井底部并壓實，必要時管井底部可采取注漿加固，拆卸承重梁，再拆卸承重柱，卸載內(nèi)外吊板鋼繩索。

⑺ 回填土體至連接管井并壓實土體，移除管道鋼繩索及承重鋼管梁：回填土體至連接管道并壓實，必要時管道底部可采取注漿加固，拆卸鋼繩索，解除承重鋼管梁固定措施，并利用25 t 汽車吊和人工輔助進行拆卸。

圖9 開挖過程中砌體管井懸吊保護流程Fig.9 Flow Chart of Masonry Pipe Well Suspension Protection during Excavation

⑻ 回填土體至地面高程，工程完畢?；靥钔馏w至地面高程并壓實，按規(guī)范規(guī)定進行分層壓實，在回填過程中注意管線管道是否發(fā)生較大沉降，必要時進行注漿加固。施工現(xiàn)場如圖10所示。

圖10 砌體管井懸吊保護實物Fig.10 Physical of Masonry Pipe Well Suspension Protection

4.2 施工準(zhǔn)備要點

⑴ 制定詳細(xì)的管線保護方案，并切實予以執(zhí)行，保證施工期間管線的加固和懸吊的安全和正常使用。

⑵ 開挖施工前，使用管線探測儀仔細(xì)對施工位置進行探測。

⑶ 做好基坑周邊管線的保護和安全監(jiān)測工作，遇到問題及時處理。

⑷ 做好原材料的檢測工作。

4.3 施工過程中監(jiān)測要點

加強施工監(jiān)測措施。施工過程中，及時布設(shè)位移和沉降監(jiān)測點，按規(guī)范要求進行布點，同時按規(guī)范的頻率進行監(jiān)測，超出預(yù)警值應(yīng)及時進行處理。

監(jiān)測過程中主要監(jiān)測項目如表2所示。

施工開始后，在管線上方布設(shè)沉降監(jiān)測點，并在整個管線保護期間內(nèi)定期進行監(jiān)測。施工過程中對保護管線的監(jiān)測頻率為開挖期間1 d/次，其余時間2 d/次，至回填到頂結(jié)束，如施工現(xiàn)場發(fā)生特殊情況，則要加強監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)及時通報相關(guān)單位。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，與設(shè)計施工單位共同分析，如管線沉降超過允許值，則通過可調(diào)節(jié)預(yù)應(yīng)力大小調(diào)整管線標(biāo)高，實現(xiàn)動態(tài)化的設(shè)計及施工［9］，本項目管道的變形位置最大處的位移變化如圖11所示，16 mm 小于規(guī)范值23 mm，滿足規(guī)范要求，不需要調(diào)整預(yù)應(yīng)力。

表2 監(jiān)測項目、監(jiān)測頻率及要求Tab.2 Monitoring Items，monitoring frequency and Requirements

圖11 管道最大變形處位移監(jiān)測變化Fig.11 Change of Displacement Monitoring at the Maximum Deformation of the Pipeline

整個懸吊過程中應(yīng)對管線沉降進行監(jiān)測，管線接頭處及位移變化敏感部位均須布點。除此之外，對周邊環(huán)境的地下水、樁頂水平位移及沉降、樁體變形等項目的監(jiān)測，結(jié)合支護結(jié)構(gòu)的受力和變形狀態(tài)，評估懸吊保護結(jié)構(gòu)及管線是否受到影響，以便及時應(yīng)對。

4.4 通風(fēng)及照明安全防護要點［10］

井位開挖施工深度超過4 m 時，必須采取通風(fēng)措施，要用鼓風(fēng)機連續(xù)向井內(nèi)送風(fēng)，風(fēng)管口要求距井底2 m左右，井內(nèi)照明采用防爆燈泡，燈泡離井底2 m。

當(dāng)井位開挖較深而井內(nèi)光線較暗時，井內(nèi)作業(yè)應(yīng)采用12 V 安全電壓、100 W 防水帶罩燈泡，由防水絕緣電纜線引下進行照明。同時現(xiàn)場應(yīng)設(shè)置發(fā)電機，井內(nèi)設(shè)置安全礦燈或應(yīng)急燈以備臨時停電的應(yīng)急照明，以便井底人員及時安全地撤回地面。

4.5 有限空間作業(yè)施工要點

實施有限空間作業(yè)前應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行“先檢測，后作業(yè)”的原則，根據(jù)施工現(xiàn)場有限空間作業(yè)實際情況，對有限空間內(nèi)部可能存在的危害因素進行檢測。在作業(yè)環(huán)境條件可能發(fā)生變化時，對作業(yè)場所中的危害因素進行持續(xù)或定時檢測。并根據(jù)檢測結(jié)果對作業(yè)環(huán)境危害狀況進行評估，控制、消除危害，保證整個作業(yè)期間處于安全受控狀態(tài)。

5 小結(jié)

砌體管井的懸吊保護是施工過程中的重點難點，由于砌體宜受壓不宜受拉，懸吊方法處理不當(dāng)容易導(dǎo)致管井發(fā)生破壞，影響較大。通過本工程案例對雨水砌體管井的懸吊保護施工方法進行分析，為類似的工程提供借鑒，值得推廣，其結(jié)論如下：

⑴ 與常規(guī)的懸吊保護方式相比，本砌體管井懸吊保護結(jié)構(gòu)施工，無需現(xiàn)場對既有管井進行拆除（常規(guī)做法為拆除）及遷改，受力明確，安全程度高，縮短整個施工作業(yè)時間，減少繁重、復(fù)雜的遷改作業(yè)，經(jīng)濟效益良好。

⑵ 本技術(shù)采用內(nèi)吊底板及外吊底板對砌體管井進行保護，直接在現(xiàn)場通過鋼繩索將承重鋼管梁與管道及管井連接，保持管井砌體始終處于受壓狀態(tài)，避免砌體管井受拉而產(chǎn)生裂縫，提高安全富余度。

⑶ 本技術(shù)通過設(shè)置承重梁柱，對懸吊結(jié)構(gòu)保護進一步保護，增大懸吊保護的安全度，后續(xù)可根據(jù)管井沉降的大小進行動態(tài)化施工，提供相應(yīng)的支撐力。

⑷ 施工過程中加強管道及管井的監(jiān)測，在加強周邊環(huán)境監(jiān)測的基礎(chǔ)上，重點監(jiān)測懸吊保護結(jié)構(gòu)中鋼繩索的應(yīng)力及管井管道的位移。

⑸ 施工過程中需滿足管井的通風(fēng)、照明要求，同時在有限空間作業(yè)中遵循“先檢測后作業(yè)”的原則，安全作業(yè)。