地下工程施工中對既有管線加設保護的分析

張 弓

(太原市高速鐵路投資有限公司，山西 太原 030000)

1 工程概況

太原南站東西廣場地下連通道銜接段工程是太原南站東廣場及配套路網工程的后續補充項目，總長184 m，結構形式為地下單層鋼筋混凝土結構，主要采用明挖順作法施工，基坑深度約10 m～12 m，通道南北向長約159.6 m，寬11.15 m，東西向通道長約24.4 m，寬18 m。橫跨架空熱力管線規格為φ219×10，材質Q235B，架空段跨度20 m。本文通過分析管道架空后的具體工況，構件力學模型，通過計算，找出最不利工況，采取有效的加固措施，并對此加固方案進行了驗算。

2 難點分析

太原南站東西廣場地下連通道銜接段工程，施工時間段正值冬季供暖期，既有熱力管道已打壓通水，處于工作狀態。故本施工內容須在保證管道正常運行的前提下，開展各項施工作業。銜接段地下通道分東西段和南北段兩部分，管道加固區域位于東西段結構上方，東西段結構寬18 m，加之兩側1 m的支護樁，管道跨越凈距20 m，其余管道均埋在土中，管道架空后，由于跨度大，無中間支撐，會導致管道下撓過大，局部應力加大，再加上管道內部壓力，會對管道運行安全及下方施工安全帶來隱患。

由此我們模擬管道兩端為固定約束，管道跨中彎矩值：

M=qL2/24=515.42×202/24=8 590.3 N·m。

跨中彎曲最大應力：

δmax=M·rgb/I=8 590.3×0.219/0.000 035 93=

52 359 000 Pa=52.36 MPa(rgb為管外徑)<215 MPa。

管道跨中最大變形:

Wmax=1/384(qL4/EI)=1/384×515.42×204/2.1×1011×0.000 035 93=0.028 m=28 mm>15 mm。管道允許最大撓度已大于《工業金屬管道設計要求規范》[1]要求的數值，此規范10.2.7規定：管道的剛度條件是限制管道自重產生的彎曲撓度，一般管道設計撓度不應超過15 mm，故對管道進行加固處理。

3 模擬驗算

經踏勘現場，下方凈空高度約10 m，且需要挖方作業及施工新結構，在管道下方采取加固措施的方案，實施難度大，材料耗費量大，且影響正常施工作業，所以，只有考慮在管道上方采取加固措施。加固措施兩端分別架設在兩側的支護樁冠梁上，約束條件按照簡支梁考慮，等間距分布三個加固點。

按照以上加固思路，首先，我們通過軟件驗算管道撓度及最大彎曲應力。針對東西段結構上方橫跨基坑的既有熱力管線，管道在兩端固定的約束條件下，按照管道僅計算自重荷載，中間20 m管道完全架空的情況下，采用ansys有限元軟件[2]，對既有管線進行模擬驗算，選用Pipe16單元，泊松比取0.3，鋼材彈性模量取2.1e5MPa，計算統一單位MPa，實常數為管道外徑219 mm，管道壁厚10 mm，管道跨度為20 m，管道密度為7.85e-9 kg/m3，重力加速度取9 800 mm/s2，建立模型，劃分單元，施加邊界約束條件后，計算求得跨中最大撓度值為28 mm，最大彎曲應力52 MPa,與理論計算值一致，如圖1，圖2所示。

第二，鑒于以上情況，施工中我們采用方鋼管作為加固受力臨時結構，在方鋼管下方加設3個受力點，拉住下撓管道，3個受力點分別布置在管道中間5 m,10 m,15 m三個位置，利用ansys有限元軟件，在熱力管道架空段5 m,10 m,15 m位置分別加設3個豎向位移約束，模擬驗算后，得到三個豎向約束點每個點的反力為2 525.6 N，管道兩側固定端反力為1 262.8 N，至此，我們得出了施加在加固方鋼管上的3個集中力，方鋼管的規格為500 mm×500 mm×12 mm，材質Q235B,長度為20 m，按照簡支梁的約束條件考慮，選用Beam189單元模擬驗算加固方案的可行性和安全性，同樣，泊松比取0.3，鋼材彈性模量取2.1e5MPa，密度為7.85e-9 kg/m3，重力加速度取9 800 mm/s2。

第三，為了與理論組合法進行有效的對比，我們分兩步模擬驗算加固方鋼管，把方鋼管視為簡支梁，自重荷載(均布荷載)為一種計算工況，計算正截面應力及撓度，跨中加設三個集中荷載為第二種計算工況，再計算正截面應力及撓度，計算結果如圖3～圖6所示。

最后，計算得到在第一種工況下跨中最大撓度19.3 mm，彎曲正應力24.1 N/mm2，計算得到在第二種工況下跨中最大撓度為5.15 mm，彎曲正應力6.79 N/mm2。

4 理論計算

對以上計算結果給予理論手算驗證，加固方鋼管按照簡支梁考慮，分兩種工況給予驗算，計算過程如下。

4.1 加固措施自重(均布荷載)工況下力學驗算

梁的計算基本情況，單跨簡支梁，梁長為L=20 m，均布荷載為1.84 kN，方鋼管的規格為500 mm×500 mm×12 mm，材料材質Q235B，涉及計算參數如下：Ix=93 027.64 cm4,Wx=3 721.11 cm3，Sx=2 143.73 cm3，G=183.88 kg/m，E=2.06×105MPa，γx=1.0。首先計算該結構的內力：兩側支座反力FB=FA=18.4 kN，對應跨中最大彎矩為Mmax=G·L·L/8=92 kN·m，則強度及剛度驗算結果如下：

1)彎曲正應力σmax=Mmax/(γx·Wx)=24.72 N/mm2<抗彎設計值f:215 N/mm2。2)A處剪應力τA=FA·Sx/(Ix·tw)=1.77 N/mm2<抗剪設計值fv:120 N/mm2。3)B處剪應力τB=FB·Sx/(Ix·tw)=1.77 N/mm2<抗剪設計值fv:120 N/mm2。4)最大撓度fmax=5·G·L4/384·1/(E·I)=20 mm。5)相對撓度v=fmax/L=1/999.8<撓度控制值[v]:L/250。

4.2 加固措施在3個等間距集中力的作用工況下力學驗算

等間距3個集中力工況:梁的計算基本情況,單跨簡支梁，梁長為L=20 m，集中力作用點分別為5 m，10 m，15 m,集中力F的大小為2.53 kN，同樣選用方鋼管，方鋼管的規格為500 mm×500 mm×12 mm，材料材質Q235B，支反力FA=FB=3/2·F=3.8 kN，跨中最大彎矩Mmax=1/2·F·L=25.3 kN·m，最大撓度計算fmax=0.049 5·F·L3/E·I=5.23 mm，涉及計算參數及計算公式同4.1工況，經計算得到：彎曲正應力σmax=6.48 N/mm2，兩側支座剪應力均為0.36 N/mm2,依據以上計算結果，彎曲正應力、支座最大剪應力以及跨中撓度均小于抗彎、抗剪設計值以及撓度控制值。

4.3 計算結論

通過以上理論驗算可以看出，首先兩種工況均滿足抗彎、抗剪設計值及撓度控制值的要求，兩種工況在組合后，彎曲正應力31 N/mm2,最大撓度25 mm，均小于抗彎設計值及撓度控制值。第二，驗證了軟件計算結果的正確性。

5 工程效果

加固后，經計算原來管道的下撓變形最大為0.11 mm，最大彎曲應力3.2 MPa，如圖7，圖8所示，加固方案安全可靠。此措施已應用于本工程中，達到了在不影響地下結構施工的同時，熱力管線正常運行的效果。

6 結語

本文以太原南站東西廣場地下連通道銜接段工程與既有管線空間相互影響為例，闡述了解決此問題的方法，我們今后會吸取此方法的經驗，在確保施工安全的前提下，更好的服務于類似工程的項目建設。