徐澤，陳朝陽(yáng)，趙鵬程，汪志強(qiáng)，卜旭東

（1.中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215131；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 引言

近年來，由于城市不斷開發(fā)地下空間，高層建筑及地下交通大量興建，城市基坑開挖數(shù)量與深度不斷增加，這對(duì)基坑工程技術(shù)提出更高的要求。在城市基坑施工中，將會(huì)不可避免要碰到雨污水、電力、通信、給水、燃?xì)獾雀黝愂姓芫€?；邮┕み^程中對(duì)管線的保護(hù)不當(dāng)經(jīng)常會(huì)造成管線開裂破壞，甚至?xí)斐傻孛嫠?、交通中斷、人員傷亡等災(zāi)難性后果，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響。管線遷改和如何對(duì)現(xiàn)有管線保護(hù)的問題已成為基坑施工中的難題之一。因此，深入研究基坑工程施工范圍內(nèi)管線的保護(hù)方法，保證其正常運(yùn)行的情況下開展基坑工程施工，是基坑施工中急需解決的重要課題。

經(jīng)常多年的總結(jié)和積累，地下管線的保護(hù)的常用方法有隔離法、懸吊法、支撐法、土體加固法、對(duì)管線進(jìn)行搬遷與加固處理、卸載保護(hù)等。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)城市施工過程中的管道保護(hù)進(jìn)行了大量研究。孫傳勝以地鐵國(guó)貿(mào)站施工為工程依托，根據(jù)研究成果，制定了打設(shè)超前地質(zhì)探管探測(cè)地質(zhì)情況、縮短開挖進(jìn)尺、全斷面注漿、及時(shí)進(jìn)行初支背后回填注漿、徑向補(bǔ)償注漿等綜合管線保護(hù)措施，成功地保護(hù)了地下管線的安全。David.J.Queen探討了液化天然氣管道懸吊橋的設(shè)計(jì)技術(shù)，通過優(yōu)化，簡(jiǎn)化了懸吊橋的制造，妥善解決了交通運(yùn)輸。改善了施工工序，極大地減少了對(duì)周圍環(huán)境的影響。牛瑞對(duì)廣州市某地鐵車站直徑1800mm進(jìn)行水管懸吊保護(hù)方案設(shè)計(jì)，并給出了相應(yīng)的安全保護(hù)措施，為今后大直徑水管及其他類型的管線懸吊保護(hù)積累了經(jīng)驗(yàn)。褚曉暉對(duì)暗挖、明挖、蓋挖、蓋挖加懸吊保護(hù)四種施工方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)及可行性對(duì)比分析，確定了采用蓋挖加懸吊保護(hù)施工技術(shù)。吳波采用ANSYS有限元軟件建立了三維地下管線模型，考慮隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)、土體與地下管線三者的相互耦合作用分析了施工過程中埋管的安全狀態(tài)，提出了管線安全性評(píng)估的具體標(biāo)準(zhǔn)。向衛(wèi)國(guó)采用FLAC3D有限差分軟件建模分析了隧道開挖過程中不同材質(zhì)和埋深時(shí)的管線形變。

本文依托蘇州春申湖路快速化改造工程基坑下穿既有供水管線施工工程，給出了既有管線的懸吊保護(hù)體系方法具體施工方案，根據(jù)實(shí)際施工過程進(jìn)行了理論計(jì)算以及Midas軟件三維數(shù)值模擬，得到了懸吊保護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析管道保護(hù)效果。

2 概況

2.1 工程概況

隧道在永方路與春申湖路交叉口下穿蘇州水務(wù)集團(tuán)DN1800和DN1400水管，水管呈南北走向，與隧道中心線夾角為80.6，隧道材質(zhì)均為鋼管。根據(jù)物探成果，DN1800水管頂標(biāo)高 2.2m，DN1400水管頂標(biāo)高2.16m。結(jié)合交通、其他管線遷改設(shè)計(jì)方案，將管線所在的永方路與春申湖路交叉口作為一個(gè)獨(dú)立基坑施工，基坑設(shè)計(jì)長(zhǎng)度約38m，基坑寬度30.8m，開挖深度約12.5m。普通段采用600mm厚地下連續(xù)墻作為圍護(hù)墻；對(duì)管道附近無法實(shí)施地下連續(xù)墻的范圍，采用MJS工法重力式擋墻加固，加固范圍自基坑邊至基坑外8.5m，施工結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示。

圖1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置圖

2.2 懸吊保護(hù)施工方案

2.2.1 懸吊保護(hù)體系

水管采用懸吊法進(jìn)行原位保護(hù)。利用基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為承重體系，通過吊桿和給水管下鋼橫梁對(duì)給水管進(jìn)行懸吊。

沿縱向設(shè)置3道800×800mm混凝土支撐，混凝土支撐下設(shè)置4排共12根格構(gòu)柱，格構(gòu)柱縱向間距6.0m，以保證混凝土支撐梁的剛度，減少支撐變形。水管管底采用][32a槽鋼作鋼橫梁，縱向間距2.0m。鋼橫梁與混凝土支撐通過Φ25精軋螺紋鋼連接，形成懸吊受力體系。鋼橫梁上方設(shè)置半圓保護(hù)鋼殼對(duì)水管進(jìn)行包裹，保護(hù)鋼殼與水管間鋪設(shè)1.0cm厚橡膠墊作為減震、抗滑措施。保護(hù)鋼殼與鋼橫梁間設(shè)置限位木楔，限制水管橫向位移。

2.2.2 懸吊體系施工流程如下

①開挖管道兩側(cè)土方至管道中部；②跳倉(cāng)掏槽至管底0.5m；③吊裝鋼橫梁至槽底，鋼橫梁就位；④安裝吊桿、螺帽、保護(hù)鋼殼、橡膠墊；⑤千斤頂將鋼橫梁頂起，使橡膠墊與鋼橫梁密貼；⑥擰緊混凝土支撐上螺帽，調(diào)整鋼橫梁至水平狀態(tài)；⑦依次掏槽安裝懸吊體系；⑧吊桿全部完成，向下開挖基坑。

在施工過程中若水管位移變形達(dá)到預(yù)警值，立即停止施工，查明原因確認(rèn)水管安全后方可繼續(xù)施工。在確認(rèn)橡膠墊與鋼橫梁密貼后，調(diào)整鋼橫梁至水平狀態(tài)，擰緊鋼橫梁下方螺帽，然后兩邊對(duì)稱緩慢卸下手拉葫蘆提供的拉力。懸吊體系施工期間不僅僅對(duì)正在施工的部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)要對(duì)已施工的部位進(jìn)行復(fù)核監(jiān)測(cè)，確保水管整體線型不發(fā)生變化。

3 理論驗(yàn)算

圖2為混凝土支撐鋼橫梁吊桿懸吊計(jì)算簡(jiǎn)圖，3道C30混凝土支撐梁截面尺寸為800×800mm，縱向長(zhǎng)31.22m，水管管底采用][32a槽鋼作鋼橫梁，縱向間距2.027m。吊桿選用Φ25精軋螺紋鋼。

圖2 懸吊保護(hù)體系示意圖

3.1 混凝土支撐梁分析

3.1.1 荷載分析

作用在懸吊結(jié)構(gòu)上的荷載有混凝土支撐梁的自重荷載P1和施工荷載P2，以及主要的水管自重荷載P3。

①混凝土支撐梁自重荷載16kN/m，施工荷載標(biāo)準(zhǔn)值取1.4kN/m。

②自來水水管自重荷載標(biāo)準(zhǔn)值：

DN1800上的自重荷載：29.8kN/m

DN1400上的自重荷載：18.8kN/m

中間混凝土支撐梁承受著DN1800以及DN1400傳來的荷載，故中間混凝土支撐梁上吊桿傳來的集中力荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：

3.1.2 混凝土梁截面強(qiáng)度驗(yàn)算

該懸吊結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，經(jīng)計(jì)算混凝土梁上部受拉，其值為M=687.12 kN·m，峰值剪力為V=328.91 kN。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）進(jìn)行混凝土梁截面驗(yàn)算：

①抗彎強(qiáng)度：按雙筋截面對(duì)稱配筋驗(yàn)算正截面抗彎強(qiáng)度，梁截面的極限彎矩Mu為：

梁上峰值彎矩小于極限彎矩，抗彎強(qiáng)度滿足要求。

②抗剪強(qiáng)度：斜截面抗剪承載力按以下公式計(jì)算，極限剪力：

峰值剪力小于極限剪力，故混凝土支撐梁斜截面抗剪強(qiáng)度滿足要求。

3.1.3 剛度驗(yàn)算

給水管差異沉降量應(yīng)小于0.2%Li～0.3%Li（Li為管節(jié)長(zhǎng)度），且小于10mm；絕對(duì)位移量按照沉降和水平位移均不得超過20mm控制，報(bào)警值取為控制值的80%?；炷林瘟旱姆逯底冃危ǚ较蛳蛏希┏霈F(xiàn)在混凝土梁和格構(gòu)柱處交點(diǎn)，即近基坑的混凝土支撐梁段跨中，其數(shù)值為格構(gòu)柱隆起位移1.84mm，滿足要求。

3.2 鋼橫梁分析

鋼橫梁采用雙拼32a槽鋼，上下兩面拼設(shè)10mm厚通面鋼板，采用Q235等級(jí)鋼材。鋼橫梁沿水管按縱間距2.027m布置，為簡(jiǎn)支梁受力形式。

3.2.1 荷載計(jì)算

鋼橫梁承受的荷載主要有自重荷載和水管的集中荷載，按最不利荷載分布形式計(jì)算，即按集中荷載分布形式計(jì)算，考慮按可變荷載控制的荷載效應(yīng)組合。自重荷載等效集中荷載：3.97kN，集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值分別為67.74kN和40.99kN?？偤奢d組合值： 。

3.2.2 截面強(qiáng)度驗(yàn)算

①鋼橫梁截面受彎強(qiáng)度

最大正應(yīng)力：（塑性發(fā)展指數(shù)γ取1.05，Q235鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取205N/mm）

②鋼橫梁截面受剪強(qiáng)度

鋼橫梁上的峰值剪力：49.8kN

最大剪應(yīng)力：（抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取f=125 N/mm2）

③剛度驗(yàn)算

鋼橫梁峰值撓度出現(xiàn)在鋼橫梁中點(diǎn)，約為3mm。混凝土支撐梁向上峰值撓度為1.84mm。在懸吊結(jié)構(gòu)中最大差異變形不超過3mm，滿足水管位移控制標(biāo)準(zhǔn)。

4 數(shù)值分析

4.1 三維模型建立

采用巖土工程專用有限元分析軟件Midas/GTS建立三維數(shù)值模型，重點(diǎn)分析懸吊保護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土支撐受力情況，為簡(jiǎn)化計(jì)算，在數(shù)值計(jì)算時(shí)作如下假設(shè)：

①各層土體材料均為各向同性均質(zhì)的理想彈塑性體，符合Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，各土層間均勻、水平層狀分布，場(chǎng)地?zé)o起伏；

②由于工程實(shí)際情況中，施工時(shí)在基坑雙側(cè)需要先進(jìn)行降水處理，使得施工區(qū)域內(nèi)地下水位一直維持在坑底設(shè)計(jì)標(biāo)高之下，所以假定模擬時(shí)忽略地下水位的影響；

③土體符合摩爾庫(kù)倫模型，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及內(nèi)支撐體系等均為彈性體。

圖3 懸吊保護(hù)體系模型

三維有限元模型尺寸為150m×130m×50m，基坑尺寸為 30.8m×38m，采用板殼單元模擬基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及供水管道，采用梁?jiǎn)卧M混凝土支撐及鋼支撐，土體單元采用混合網(wǎng)格生成器生成，模型中土體采用摩爾庫(kù)倫模型，圍護(hù)結(jié)構(gòu)及內(nèi)支撐體系、懸吊體系等均采用彈性模型。懸吊保護(hù)體系模型如圖3所示。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

4.2.1 混凝土支撐分析

混凝土支撐剪力云圖和彎矩云圖如圖4、圖5所示。

圖4 混凝土支撐Y方向剪切力

圖5 混凝土支撐Z方向彎矩

由圖4，基坑開挖至坑底時(shí)混凝土支撐最大剪切力為Y方向397kN，剪應(yīng)力沿內(nèi)支撐呈線性分布；由圖5可知，最大彎矩為Z方向896kN·m，彎矩以中間混凝土梁呈對(duì)稱分布。

由于理論計(jì)算簡(jiǎn)化了混凝土支撐接頭以及兩端支座的影響，對(duì)比數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以得知，剪切力誤差為17.1%，彎矩誤差33.4%，均在允許值內(nèi)，計(jì)算結(jié)果正確，懸吊保護(hù)結(jié)構(gòu)體系安全。

5 結(jié)論

城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)不斷擴(kuò)大，今后的城市新建、擴(kuò)建及地鐵施工過程中，此類橫穿深基坑管道情況難以避免。如何在保證工程順利進(jìn)展的前提下，確保既有管線的安全運(yùn)營(yíng)，是工程施工必須解決的問題。本文通過理論計(jì)算，數(shù)值模擬驗(yàn)證懸吊保護(hù)施工方案的可行性，得出以下結(jié)論：

①M(fèi)JS工法樁+懸吊保護(hù)方案，效果良好，管線沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移都在安全容許范圍內(nèi)；

②混凝土梁抗彎強(qiáng)度、斜截面抗剪強(qiáng)度、峰值驗(yàn)算剛度變形滿足要求。剛支撐截面強(qiáng)度驗(yàn)算、剛度驗(yàn)算滿足要求；

③通過Midas/GTS建立三維數(shù)值模型，重點(diǎn)分析懸吊保護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土支撐受力情況，實(shí)踐證明了整套方案的可行性，為類似工程提供了借鑒意義。