城市明挖隧道復雜管線保護設計

王剛 閆一川 李航

摘 要：管線保護與改遷一直是市政工程施工中的重點與難點，特別是在老城區段施工時。本文結合某城市隧道施工的工程實例，對其施工中遇到的管線保護及遷改問題進行了總結，由于管線數量較多，改遷難度大，改遷周期長，現場改遷進度無法滿足施工需要，故需對橫穿隧道的暫時無法改遷的及不改遷的管線進行專項保護設計。結合現場并對管線進行分析，最終確立采用懸吊保護管道的方案。本文對懸吊保護體系的設計和計算進行了闡述，證明了該方法的合理性，同時介紹了管線保護過程中的監測控制方法，該方案經檢驗在實際施工中取得了良好的效果。

關鍵詞：地下管線;基坑;懸吊保護;市政工程;安全性

1 概述

在市政工程施工中，施工區域地下一般均布有大量的既有管線。該隧道穿越范圍內地下管線較多，管線種類十余種，涉及產權單位十余家，大部分管線需要臨時改移或永久改移，個別管線就地保護。該工程范圍內管線與隧道相交的較多，給現場施工造成了很大困難，為了解決施工進度和改遷進度不匹配的問題，針對不同管線采取架空或懸吊保護等措施，保證了現場施工的順利推進。

2 工程概況

工程實例為城市隧道施工項目，隧道下穿一既有道路，施工采用明挖法進行施工。隧道基坑寬19.7m，基坑開挖最大深度14.7m，隧道主體寬度19.5m，基坑安全等級一級，閉合框架段頂板覆土厚度0.7～4.8m。基坑采用明挖順作法施工，圍護結構采用鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁止水帷幕，基坑內設混凝土支撐及鋼支撐。

3 管線保護方案

針對管道自重大、對沉降變形要求高的特點，利用基坑自身圍護結構結合現有資源，進行懸吊保護體系設計。現場以圍護樁樁頂冠梁作為支點，采用“321型”貝雷梁做主桁架，工字鋼做分配梁的組合體系，對跨隧道需要保護的管道進行懸吊保護。該工程所有涉及管線中，重力最大、要求最高的就是直徑1m的自來水管，故本文就該管道的懸吊保護進行計算分析。

4 管線懸吊設計

4.1 設計參數

自來水管道為鑄鐵管，直徑為1000mm。通過查表直徑1m管道單位重量為336.17kg/m，即為3.4kN/m。滿水時管道內水的單位重為785kg/m，即為7.85kN/m。

主桁架體系選擇321型貝雷梁，桁架由兩組貝雷梁構成，兩組之間凈距2.5m，每組之間采用花架進行連接;貝雷梁單片重量為270kg/片，長度為3m，單位重為90kg/m，即為0.9kN/m。分配梁為I10工字鋼，間距為1.5m，單位重為0112kN/m。管道跨徑按照21m考慮。

4.2 設計計算

根據隧道施工工藝要求，在支撐設置位置設置懸吊保護支架，以保證不影響隧道施工。現對貝雷梁及懸吊系統的受力進行驗算。

（1）工字鋼驗算。滿水時，管道荷載為11.25kN/m，工字鋼單位重為0112kN/m。

管道按照1.5m長進行計算，換算成集中力為16.875kN。通過結構力學求解器計算[1]，計算結果如下：

查型鋼材料表得I10的各力學參數為[2]：

I=245cm4;A=14.3cm2;δ=0.45cm;W=49cm3;I/S=8.59cm。

Mmax=8.49kN·m

σmax=MmaxW=8.4949×10-6×103=173.3MPa<215MPa，滿足要求。

Qmax=8.44kN·m

τmax=QmaxSIb=8.448.59×0.45×104×103=21.8MPa<125MPa，滿足要求。

（2）貝雷梁驗算。滿水時，管道荷載為11.25kN/m，工字鋼單位重為0112kN/m。

每片貝雷梁上有4.5m工字鋼2根，換算成均布力為（0112×2×4.5）/3=0.336kN/m。貝雷梁單位重為09kN/m。

均布力為：q=0.9×4+0.336+11.25=15.186kN/m。計算結果如下：

[2]

M=18ql2=1/8×15.186×212=837.1kN·m

Q=15.186×21/2=159.5kN

單排貝雷片容許彎矩和剪力分別為，容許內力M=788kN·m，Q=245kN，考慮到貝雷銷間隙和偏載影響，貝雷片折減系數采用0.8。[3]

[M]=788×4×0.8=2521.6kN·m>Mmax=837.1kN·m，滿足要求。

[Q]=245×4×0.8=784kN>Qmax=159.5kN，滿足要求。

貝雷梁撓度由彈性撓度和非彈性撓度組成，即fmax=f彈+f非[3]

f彈=5ql4/384EI=5×15.186×1000×214/（384×2.1×1011×2505×10-5）/4=1.83×10-2m

f非=0.05（n2-1）=0.05×（212/32-1）=2.4×10-2m

fmax=f彈+f非=42.3mm<21/400=52.5×10-3m，滿足要求。

5 懸吊保護施工

施工方法：（1）測量放樣。在施工前，先由測量人員用全站儀按物探圖紙對管道位置進行精確的測量定位放樣，定出管道的位置和開挖范圍，用醒目的標志桿做標記并固定好。土方開挖前，采用人工挖探溝的方法確定管線的具體位置，以防隧道基坑開挖時導致管線被破壞。（2）管道開挖。根據前期標記的管線實際位置，采用人工開挖的形式，先使隧道施工范圍內的管道頂部完全裸露，以管道中心為開挖溝槽中心，人工開挖一道溝槽底部寬為6m，坡度為0.75，管道底部寬2.5m的土方不得松動，其他部位土方挖至與隧道冠梁頂。（3）貝雷梁組拼與安裝。提前采用花架組拼好321型貝雷梁，待管道開挖完成后，用吊車將貝雷梁吊運至管道兩側的溝槽內，吊運過程中應有配備專人指揮，避免碰撞到管道。桁架由兩組貝雷梁構成，兩組之間凈距2.5m。在冠梁內預留槽鋼，待貝雷梁安裝到位后，再用槽鋼焊接預留的槽鋼，固定貝雷梁。（4）橫向分配梁安裝。利用洛陽鏟在管道底部進行掏洞，洞的大小為高15cm，寬30cm，洞間距為1.5m。然后將4.5m長的I10工字鋼，穿入管道底部，架設在貝雷梁底的桿件上。（5）管底鋼板敷設。采用寬25cm，厚1cm的鋼板，敷設在管道底與I10工字鋼頂之間，加大管道底部的承重面積。（6）調整分配梁標高。鋼板敷設完成后，根據管道標高調及計算的撓度曲線整分配梁標高，使其承受管道重量。調整標高后，將分配梁用特制的騎馬“U”型螺栓與貝雷梁下弦桿鎖緊，確保連接穩固。（7）管道底部開挖。采用人工對管道底部土方開挖，在開挖過程中，觀察管道整體的情況，如有異常情況停止土方開挖，加固貝雷梁支撐體系。（8）懸吊保護完成。待管道底部土方開挖完后，管道重量由貝雷梁支撐體系承擔。在管道及貝雷梁上布設位移、沉降監測點，定期進行監測，保證管道安全。

6 懸吊監控量測

為保證管道在隧道基坑開挖及主體結構施工過程中穩定和安全，根據現場實際情況和相關規范要求，對架空管線變形、隧道圍護結構沉降及水平位移等項目進行監測。

測點布設：在管道和懸吊型鋼梁中部各布設1個位移、沉降監測點;在懸吊型鋼支撐點兩側冠梁處各布設1個位移、沉降監測點;在支撐點冠梁兩側離冠梁外邊1m處布設1個沉降監測點。

監測：在隧道基坑開挖過程中每天觀測3次，和主體結構施工過程中每天觀測2次，如數據發生突變時，每天觀測次數加倍;發生較大變形時停止施工，并采取相應措施，保證施工安全和管道的正常使用。

根據基坑監測結果，隧道施工周期長達7個月，經過現場監測，該管線的最大沉降量僅為14mm。根據相關規范要求，管道的豎向變形不得超過0.03～0.04D（管道直徑），即30～40mm，現場管線變形值滿足相關規范及管道安全要求，管線得到了良好的保護，達到了預期的目的。

7 管線懸吊施工技術保證措施

（1）與通管道的產權單位建立逐點對接工作機制，確定聯系人，保障雙方之間溝通順暢、聯系及時、配合密切。（2）施工準備期間對施工范圍內的地下管道進行認真的復查和確認，確切掌握施工范圍內管道的準確要素（埋深、走向、管徑、管材）。（3）開挖管道底部土方時，應分段跳槽開挖管道下部的土方，逐漸把管線的重量轉移到懸吊桿上，避免承重結構的突然加載。（4）管道懸吊完成后，加強保護，避免機具等對管道的碰撞。加強施工監測，管線和基坑的變形狀況，根據監測數據，及時采取有效的措施，保證管道安全。（5）對做好懸吊保護的管道進行覆蓋，避免直接暴露在日曬雨淋下。

8 結語

由于在該工程施工過程中提前通過科學的力學計算，制定了專項的保護管線方案，在施工過程中采取了正確合理的施工措施，保證了橫穿基坑管道線的安全和有效運轉，達到了保護管線的目的，解決了影響現場施工的難題。該實例可以為類似工程提供借鑒。

參考文獻：

[1]龍馭球，包世華，等.結構力學（Ⅰ）[M].武漢：高等教育出版社，2001.

[2]江正榮.建筑施工計算手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2001.

[3]黃紹金，劉陌生.裝配式公路鋼橋多用途使作手冊[M].北京：人民交通出版社，2001.

[4]《給水排水工程管道結構設計規范》（GB 50332-2002）[S].北京：中國建筑工業出版社，2003.

作者簡介：王剛（1988—），男，漢族，山東濰坊人，本科，工程師，研究方向：道橋。