横跨地铁深基坑的超大直径排水管悬吊保护技术

张伯夷

（中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，成都611130）

1 工程概况

成都轨道交通18 号线火车南站车站结构形式为地下二层岛式站台车站，车站总长约565m，有效站台长186m，标准段宽22.6m。本站基坑深度约17～21m，车站有效站台中心里程为YDK10+133.000。根据管线综合图及现场调查，在车站里程YDK10+328.06 处存在一根中水管，中水管为DN1800mm（内径，壁厚160mm）无缝钢管，外包混凝土方管（C20 混凝土），边长约2.13m（见图1），呈东西走向，需在基坑开挖前对其进行悬吊保护，悬保的长度约为21m，管顶高程492.715m。

图1 中水管悬吊保护剖面示意图

2 主要施工技术

2.1 悬吊梁设计

超大直径的中水管悬吊保护所用的贝雷梁采用3 组3 排单层加强型贝雷梁作为主梁，贝雷梁两端固定于该处基坑冠梁上（贝雷梁与冠梁接触面铺设钢板），分段掏槽悬吊，采用20 组6×37 型 φ24mm 钢丝绳拉杆，间距为1m，一侧设有紧绳器，与钢丝绳钢丝破断拉力总和324kN 匹配。为了使钢丝绳与中水管包封受力均匀，在两下边角设置有U 形钢板，采用竹夹片进行填塞或垫橡胶。贝雷架下弦杆上横向铺设20A 工字钢，用于吊设钢丝绳，工字钢上设圆形钢垫板固定槽，后加橡胶层。

2.2 悬吊梁受力分析

悬吊梁荷载=梁自重+管线重量（中水管重量=管中水重+管线自重），管中水量按满管流考虑。

基坑宽度l（即梁跨度），悬吊梁按均布荷载的简支梁计算，仅计算主梁受力状况。管线自重为M1，管中水重量为M2。贝雷梁自重为M，安全系数为∂。则悬吊梁所受荷载为q=∂（M1+M1+M）g，最大弯矩Mmax=ql2/8,应力 σ=M/W，挠度计算：f允=L/400。

通过采用有限元软件MIDAS/CIVIL 进行建模分析，假设中水钢管荷载全部传至九榀贝雷梁，采用有限元软件MIDAS/CIVIL 进行建模分析；九榀贝雷梁采用连接杆连接。计算模型包含：节点963 个，梁单元1944 个。

2.2.1 基本假定与边界条件

计算基于以下基本假定：（1）所有材料均在弹性范围，不考虑材料塑性性能；（2）结构在荷载作用下为弹性小变形；（3）计算分析重点为九榀贝雷梁承载力分析；（4）不考虑非结构材料对结构抗力的贡献；（5）两端通过施工措施，约束良好；（6）计算的可靠性建立在设计、施工均遵守相关规范、技术规程的基础上。

边界条件如下：（1）按照简支梁模型，贝雷梁梁一端三向约束和另一端三向竖向约束；（2）九榀贝雷梁顶部节点自由。

2.2.2 有限元模型

九榀贝雷梁片与片之间采用连接杆连接，采用钢绞线对中水管进行悬吊保护，钢绞线放置在贝雷梁横断连接杆上。纵向设置7 片贝雷梁，总长约21m，横向设置剪刀撑和水平撑，每道剪刀撑和水平撑纵向间距小于6m。

2.2.3 计算模型

通过计算模型设置中水荷载于最外侧贝雷梁片上，贝雷梁受力为34.35kN/m，两侧固接处反力最大为125.7kN（见图2），最大位移为47mm，挠度控制为1/450，最大拉应力为208MPa，最大压应力为198MPa，小于16M 钢材应力允许值。

从九榀贝雷梁计算模型结果可以看出，中水钢管在借助九榀贝雷梁悬吊作用下，贝雷梁可以满足悬吊荷载作用要求，结构安全。

图2 最不利荷载组合作用反力图

2.3 掏挖管线顶部及两侧覆土

在进行悬吊保护前，清除管线上方覆土，采用机械、人工相结合的方式进行。管线上方既有路面采用机械破除开挖，为防止管线在开挖过程中遭到扰动、破坏，机械破除路面后采用人工进行开挖。首先从端头人工开挖找出管线，然后沿管线方向进行开挖，人工开挖至露出管线顶面即可，管线两侧覆土采用机械掏挖，掏挖至管线底部高程以下即可。

2.4 架设贝雷梁

超大直径中水管悬吊从一端向另一端跳槽进行，首先从一端距基坑侧墙150mm 处开始1m 一段分段掏槽，掏一段悬吊一段，并通过钢丝绳上面的紧线器调节松紧度，保证管线底部高程不变。分段依次进行下道吊绳的安装，所有吊绳安装完成后进行复检，查看钢丝绳是否有松动的，如果有个别松动需重新进行调整，同时保证所有吊绳松紧度一致，管线悬吊高程顺延原中水管内包钢管底部高程。贝雷梁固定前需进行定位，贝雷梁必须与管线垂直对中，即线中心在同一垂线上且要保证悬吊后基本不改变管线高程和位置。

2.5 基坑围护结构受力计算

基坑模型是结合悬吊梁模型计算相关荷载对基坑受力进行复核。模型采用理正深基坑软件进行计算。根据现场实际情况，在中水管处设置了桩间距为3.75m 围护桩，东侧其余桩间距为2m（A3型桩），西侧其余桩间距为1.5m（A1型桩），围护桩持力层均为中风化泥岩。桩顶设置了1.6m×1.2m 冠梁，支护形式为0.7m×1.2m 混凝土内支撑，第2 道和第3 道支撑设置有双拼45C 工字腰梁和609 钢管支撑，预加200kN 水平力。由于现状基坑一侧已经施工处理封顶状态，另一侧为开挖坡道，计算时可按一侧封堵和另一侧边坡考虑。

2.5.1 基本假定与边界条件

1）本计算基于以下基本假定：（1）不考虑中水管自身承担纵向荷载；（2）九榀贝雷梁整体受力；（3）9 榀贝雷梁支座设置在维护桩中轴线上；（4）不考虑其他悬吊管线影响；（5）本分析的可靠性建立在设计、施工均遵守相关规范、技术规程的基础上。

2）边界条件如下：（1）维护桩进入中风化泥岩3.5m，嵌岩状态；（2）基坑上冠梁贯通连接，一侧端堵和另一侧边坡。

2.5.2 计算模型

各围护桩受力情况如图3 所示，根据主动土压力进行导入，同时，加入了9 榀贝雷梁作用于冠梁上荷载。

图3 基坑计算模型水平受力图

从基坑围护结构计算模型结果可以看出，悬吊中水钢管的九榀贝雷梁的荷载全部作用在基坑围护结构时，基坑围护结构可以满足悬吊荷载作用要求，施工时结构安全。

3 质量控制措施

3.1 施工监测

为了确保施工期间周围环境及结构自身的施工安全，在施工过程中需进行测点的设置、日常量测工作和数据处理、信息反馈工作，进行信息化施工，确保工程施工的安全。通过监控量测达到以下目的：

1）将监测数据与预测值相比较，判断前一步施工工艺和支护参数是否符合预期要求，以确定和调整下一步施工，确保施工安全；

2）将现场监测的数据、信息及时反馈，已修改和完善设计，使设计达到优质安全、经济合理；

3）将现场测量的数据与理论预测值比较，用反分析法进行分析计算，使设计更符合实际，便用以指导今后的工程建设；

4）监视围护结构应力和变形情况，验证围护结构的设计效果，保证围护结构稳定、地表建筑和地下管线的安全；

5）监测项目及控制值如表1 所示。

表1 监测项目控制值及预警值表

3.2 管线悬吊保护期间的质量控制措施

管线悬吊保护期间的质量控制措施包括：（1）所有进场材料均在现场按指定地点存放，由现场统一管理，保证使用的原材质量，如悬吊所用的钢丝绳、贝雷架存放时需注意防潮，避免生锈；（2）在管线悬吊后，需对基坑围护结构进行密切监测，以防止基坑围护结构因受力过大而产生倾斜、失稳，从而危及基坑安全；（3）管线悬吊保护过程中，需定期对钢丝绳松紧度进行检查，如发现松动，需及时调整，以保证被悬吊保护的管线各部位受力均匀。

4 安全保证措施

安全保证措施包括以下几方面：

1）成立现场应急响应领导小组，负责安排、落实管理、检查施工作业期间管线的保护。加强组织，有针对性地进行安全教育，提高广大职工的紧急情况处理能力和警觉性，并在施工时加强与相邻工点的联系，互相配合，确保安全施工。

2）工地预备足够的防洪物资及设备，如草袋、篷布、大功率抽水机械等，并严禁挪用防洪物资和设备。在大量水浸泡基坑引起土体膨胀，从而造成支撑轴力突变、基坑垮塌等问题时，人员必须撤离，机械、设备均需从基坑内转移到地面，以免被淹，在盾构隧道洞口处，组织人员堆砌沙袋并安放抽排水泵对积水进行有效抽排，防止水流倒灌至盾构隧洞。

3）配备一定的自发电能力，以确保突然停电情况下的排水需要。

4）定期检查排水管网及抽水设备的可靠性，提高快速反应能力。

5 结语

综上所述，横跨地铁深基坑的管线悬吊保护是一项科学而系统的工作，施工前需对管线进行针对性的方案编制，并对受保护的管线及基坑围护结构进行受力分析，以确保基坑开挖过程中的施工安全。本文结合成都轨道交通18 号线土建1标横跨地铁深基坑的超大直径排水管悬吊保护的施工实例，针对施工过程中的管线、深基坑围护结构的受力分析及材料选型进行深入的研究分析，提出了相应的安全质量控制措施，具有一定的借鉴与参考价值。