深基坑下穿管涵懸吊保護結構分析

徐澤，陳朝陽，趙鵬程，汪志強，卜旭東

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

1 引言

近年來，由于城市不斷開發地下空間，高層建筑及地下交通大量興建，城市基坑開挖數量與深度不斷增加，這對基坑工程技術提出更高的要求。在城市基坑施工中，將會不可避免要碰到雨污水、電力、通信、給水、燃氣等各類市政管線。基坑施工過程中對管線的保護不當經常會造成管線開裂破壞，甚至會造成地面塌陷、交通中斷、人員傷亡等災難性后果，造成巨大的經濟損失和嚴重的社會影響。管線遷改和如何對現有管線保護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管線的保護方法，保證其正常運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。

經常多年的總結和積累，地下管線的保護的常用方法有隔離法、懸吊法、支撐法、土體加固法、對管線進行搬遷與加固處理、卸載保護等。目前國內外針對城市施工過程中的管道保護進行了大量研究。孫傳勝以地鐵國貿站施工為工程依托，根據研究成果，制定了打設超前地質探管探測地質情況、縮短開挖進尺、全斷面注漿、及時進行初支背后回填注漿、徑向補償注漿等綜合管線保護措施，成功地保護了地下管線的安全。David.J.Queen探討了液化天然氣管道懸吊橋的設計技術，通過優化，簡化了懸吊橋的制造，妥善解決了交通運輸。改善了施工工序，極大地減少了對周圍環境的影響。牛瑞對廣州市某地鐵車站直徑1800mm進行水管懸吊保護方案設計，并給出了相應的安全保護措施，為今后大直徑水管及其他類型的管線懸吊保護積累了經驗。褚曉暉對暗挖、明挖、蓋挖、蓋挖加懸吊保護四種施工方案進行經濟技術及可行性對比分析，確定了采用蓋挖加懸吊保護施工技術。吳波采用ANSYS有限元軟件建立了三維地下管線模型，考慮隧道支護結構、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，提出了管線安全性評估的具體標準。向衛國采用FLAC3D有限差分軟件建模分析了隧道開挖過程中不同材質和埋深時的管線形變。

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體系方法具體施工方案，根據實際施工過程進行了理論計算以及Midas軟件三維數值模擬，得到了懸吊保護結構的受力情況，并根據計算結果分析管道保護效果。

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集團DN1800和DN1400水管，水管呈南北走向，與隧道中心線夾角為80.6，隧道材質均為鋼管。根據物探成果，DN1800水管頂標高 2.2m，DN1400水管頂標高2.16m。結合交通、其他管線遷改設計方案，將管線所在的永方路與春申湖路交叉口作為一個獨立基坑施工，基坑設計長度約38m，基坑寬度30.8m，開挖深度約12.5m。普通段采用600mm厚地下連續墻作為圍護墻；對管道附近無法實施地下連續墻的范圍，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，施工結構平面圖如圖1所示。

圖1 圍護結構平面布置圖

2.2 懸吊保護施工方案

2.2.1 懸吊保護體系

水管采用懸吊法進行原位保護。利用基坑圍護結構作為承重體系，通過吊桿和給水管下鋼橫梁對給水管進行懸吊。

沿縱向設置3道800×800mm混凝土支撐，混凝土支撐下設置4排共12根格構柱，格構柱縱向間距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。鋼橫梁上方設置半圓保護鋼殼對水管進行包裹，保護鋼殼與水管間鋪設1.0cm厚橡膠墊作為減震、抗滑措施。保護鋼殼與鋼橫梁間設置限位木楔，限制水管橫向位移。

2.2.2 懸吊體系施工流程如下

①開挖管道兩側土方至管道中部；②跳倉掏槽至管底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，調整鋼橫梁至水平狀態；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到預警值，立即停止施工，查明原因確認水管安全后方可繼續施工。在確認橡膠墊與鋼橫梁密貼后，調整鋼橫梁至水平狀態，擰緊鋼橫梁下方螺帽，然后兩邊對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正在施工的部位進行監測，同時要對已施工的部位進行復核監測，確保水管整體線型不發生變化。

3 理論驗算

圖2為混凝土支撐鋼橫梁吊桿懸吊計算簡圖，3道C30混凝土支撐梁截面尺寸為800×800mm，縱向長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

作用在懸吊結構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，施工荷載標準值取1.4kN/m。

②自來水水管自重荷載標準值：

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準值為：

3.1.2 混凝土梁截面強度驗算

該懸吊結構為超靜定結構，采用結構力學求解器進行內力計算，經計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《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）進行混凝土梁截面驗算：

①抗彎強度：按雙筋截面對稱配筋驗算正截面抗彎強度，梁截面的極限彎矩Mu為：

梁上峰值彎矩小于極限彎矩，抗彎強度滿足要求。

②抗剪強度：斜截面抗剪承載力按以下公式計算，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度滿足要求。

3.1.3 剛度驗算

給水管差異沉降量應小于0.2%Li～0.3%Li（Li為管節長度），且小于10mm；絕對位移量按照沉降和水平位移均不得超過20mm控制，報警值取為控制值的80%。混凝土支撐梁的峰值變形（方向向上）出現在混凝土梁和格構柱處交點，即近基坑的混凝土支撐梁段跨中，其數值為格構柱隆起位移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10mm厚通面鋼板，采用Q235等級鋼材。鋼橫梁沿水管按縱間距2.027m布置，為簡支梁受力形式。

3.2.1 荷載計算

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算，即按集中荷載分布形式計算，考慮按可變荷載控制的荷載效應組合。自重荷載等效集中荷載：3.97kN，集中荷載標準值分別為67.74kN和40.99kN。總荷載組合值： 。

3.2.2 截面強度驗算

①鋼橫梁截面受彎強度

最大正應力：（塑性發展指數γ取1.05，Q235鋼材的抗彎強度設計值取205N/mm）

②鋼橫梁截面受剪強度

鋼橫梁上的峰值剪力：49.8kN

最大剪應力：（抗剪強度設計值取f=125 N/mm2）

③剛度驗算

鋼橫梁峰值撓度出現在鋼橫梁中點，約為3mm。混凝土支撐梁向上峰值撓度為1.84mm。在懸吊結構中最大差異變形不超過3mm，滿足水管位移控制標準。

4 數值分析

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建立三維數值模型，重點分析懸吊保護結構混凝土支撐受力情況，為簡化計算，在數值計算時作如下假設：

①各層土體材料均為各向同性均質的理想彈塑性體，符合Mohr-Coulomb屈服準則，各土層間均勻、水平層狀分布，場地無起伏；

②由于工程實際情況中，施工時在基坑雙側需要先進行降水處理，使得施工區域內地下水位一直維持在坑底設計標高之下，所以假定模擬時忽略地下水位的影響；

③土體符合摩爾庫倫模型，基坑圍護結構及內支撐體系等均為彈性體。

圖3 懸吊保護體系模型

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結構及供水管道，采用梁單元模擬混凝土支撐及鋼支撐，土體單元采用混合網格生成器生成，模型中土體采用摩爾庫倫模型，圍護結構及內支撐體系、懸吊體系等均采用彈性模型。懸吊保護體系模型如圖3所示。

4.2 計算結果分析

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，基坑開挖至坑底時混凝土支撐最大剪切力為Y方向397kN，剪應力沿內支撐呈線性分布；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稱分布。

由于理論計算簡化了混凝土支撐接頭以及兩端支座的影響，對比數值計算結果可以得知，剪切力誤差為17.1%，彎矩誤差33.4%，均在允許值內，計算結果正確，懸吊保護結構體系安全。

5 結論

城市經濟建設不斷擴大，今后的城市新建、擴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展的前提下，確保既有管線的安全運營，是工程施工必須解決的問題。本文通過理論計算，數值模擬驗證懸吊保護施工方案的可行性，得出以下結論：

①MJS工法樁+懸吊保護方案，效果良好，管線沉降和圍護結構位移都在安全容許范圍內；

②混凝土梁抗彎強度、斜截面抗剪強度、峰值驗算剛度變形滿足要求。剛支撐截面強度驗算、剛度驗算滿足要求；

③通過Midas/GTS建立三維數值模型，重點分析懸吊保護結構混凝土支撐受力情況，實踐證明了整套方案的可行性，為類似工程提供了借鑒意義。