深基坑下穿管涵悬吊保护结构分析

徐泽，陈朝阳，赵鹏程，汪志强，卜旭东

（1.中铁四局集团第二工程有限公司，江苏 苏州 215131；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

1 引言

近年来，由于城市不断开发地下空间，高层建筑及地下交通大量兴建，城市基坑开挖数量与深度不断增加，这对基坑工程技术提出更高的要求。在城市基坑施工中，将会不可避免要碰到雨污水、电力、通信、给水、燃气等各类市政管线。基坑施工过程中对管线的保护不当经常会造成管线开裂破坏，甚至会造成地面塌陷、交通中断、人员伤亡等灾难性后果，造成巨大的经济损失和严重的社会影响。管线迁改和如何对现有管线保护的问题已成为基坑施工中的难题之一。因此，深入研究基坑工程施工范围内管线的保护方法，保证其正常运行的情况下开展基坑工程施工，是基坑施工中急需解决的重要课题。

经常多年的总结和积累，地下管线的保护的常用方法有隔离法、悬吊法、支撑法、土体加固法、对管线进行搬迁与加固处理、卸载保护等。目前国内外针对城市施工过程中的管道保护进行了大量研究。孙传胜以地铁国贸站施工为工程依托，根据研究成果，制定了打设超前地质探管探测地质情况、缩短开挖进尺、全断面注浆、及时进行初支背后回填注浆、径向补偿注浆等综合管线保护措施，成功地保护了地下管线的安全。David.J.Queen探讨了液化天然气管道悬吊桥的设计技术，通过优化，简化了悬吊桥的制造，妥善解决了交通运输。改善了施工工序，极大地减少了对周围环境的影响。牛瑞对广州市某地铁车站直径1800mm进行水管悬吊保护方案设计，并给出了相应的安全保护措施，为今后大直径水管及其他类型的管线悬吊保护积累了经验。褚晓晖对暗挖、明挖、盖挖、盖挖加悬吊保护四种施工方案进行经济技术及可行性对比分析，确定了采用盖挖加悬吊保护施工技术。吴波采用ANSYS有限元软件建立了三维地下管线模型，考虑隧道支护结构、土体与地下管线三者的相互耦合作用分析了施工过程中埋管的安全状态，提出了管线安全性评估的具体标准。向卫国采用FLAC3D有限差分软件建模分析了隧道开挖过程中不同材质和埋深时的管线形变。

本文依托苏州春申湖路快速化改造工程基坑下穿既有供水管线施工工程，给出了既有管线的悬吊保护体系方法具体施工方案，根据实际施工过程进行了理论计算以及Midas软件三维数值模拟，得到了悬吊保护结构的受力情况，并根据计算结果分析管道保护效果。

2 概况

2.1 工程概况

隧道在永方路与春申湖路交叉口下穿苏州水务集团DN1800和DN1400水管，水管呈南北走向，与隧道中心线夹角为80.6，隧道材质均为钢管。根据物探成果，DN1800水管顶标高 2.2m，DN1400水管顶标高2.16m。结合交通、其他管线迁改设计方案，将管线所在的永方路与春申湖路交叉口作为一个独立基坑施工，基坑设计长度约38m，基坑宽度30.8m，开挖深度约12.5m。普通段采用600mm厚地下连续墙作为围护墙；对管道附近无法实施地下连续墙的范围，采用MJS工法重力式挡墙加固，加固范围自基坑边至基坑外8.5m，施工结构平面图如图1所示。

图1 围护结构平面布置图

2.2 悬吊保护施工方案

2.2.1 悬吊保护体系

水管采用悬吊法进行原位保护。利用基坑围护结构作为承重体系，通过吊杆和给水管下钢横梁对给水管进行悬吊。

沿纵向设置3道800×800mm混凝土支撑，混凝土支撑下设置4排共12根格构柱，格构柱纵向间距6.0m，以保证混凝土支撑梁的刚度，减少支撑变形。水管管底采用][32a槽钢作钢横梁，纵向间距2.0m。钢横梁与混凝土支撑通过Φ25精轧螺纹钢连接，形成悬吊受力体系。钢横梁上方设置半圆保护钢壳对水管进行包裹，保护钢壳与水管间铺设1.0cm厚橡胶垫作为减震、抗滑措施。保护钢壳与钢横梁间设置限位木楔，限制水管横向位移。

2.2.2 悬吊体系施工流程如下

①开挖管道两侧土方至管道中部；②跳仓掏槽至管底0.5m；③吊装钢横梁至槽底，钢横梁就位；④安装吊杆、螺帽、保护钢壳、橡胶垫；⑤千斤顶将钢横梁顶起，使橡胶垫与钢横梁密贴；⑥拧紧混凝土支撑上螺帽，调整钢横梁至水平状态；⑦依次掏槽安装悬吊体系；⑧吊杆全部完成，向下开挖基坑。

在施工过程中若水管位移变形达到预警值，立即停止施工，查明原因确认水管安全后方可继续施工。在确认橡胶垫与钢横梁密贴后，调整钢横梁至水平状态，拧紧钢横梁下方螺帽，然后两边对称缓慢卸下手拉葫芦提供的拉力。悬吊体系施工期间不仅仅对正在施工的部位进行监测，同时要对已施工的部位进行复核监测，确保水管整体线型不发生变化。

3 理论验算

图2为混凝土支撑钢横梁吊杆悬吊计算简图，3道C30混凝土支撑梁截面尺寸为800×800mm，纵向长31.22m，水管管底采用][32a槽钢作钢横梁，纵向间距2.027m。吊杆选用Φ25精轧螺纹钢。

图2 悬吊保护体系示意图

3.1 混凝土支撑梁分析

3.1.1 荷载分析

作用在悬吊结构上的荷载有混凝土支撑梁的自重荷载P1和施工荷载P2，以及主要的水管自重荷载P3。

①混凝土支撑梁自重荷载16kN/m，施工荷载标准值取1.4kN/m。

②自来水水管自重荷载标准值：

DN1800上的自重荷载：29.8kN/m

DN1400上的自重荷载：18.8kN/m

中间混凝土支撑梁承受着DN1800以及DN1400传来的荷载，故中间混凝土支撑梁上吊杆传来的集中力荷载标准值为：

3.1.2 混凝土梁截面强度验算

该悬吊结构为超静定结构，采用结构力学求解器进行内力计算，经计算混凝土梁上部受拉，其值为M=687.12 kN·m，峰值剪力为V=328.91 kN。根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）进行混凝土梁截面验算：

①抗弯强度：按双筋截面对称配筋验算正截面抗弯强度，梁截面的极限弯矩Mu为：

梁上峰值弯矩小于极限弯矩，抗弯强度满足要求。

②抗剪强度：斜截面抗剪承载力按以下公式计算，极限剪力：

峰值剪力小于极限剪力，故混凝土支撑梁斜截面抗剪强度满足要求。

3.1.3 刚度验算

给水管差异沉降量应小于0.2%Li～0.3%Li（Li为管节长度），且小于10mm；绝对位移量按照沉降和水平位移均不得超过20mm控制，报警值取为控制值的80%。混凝土支撑梁的峰值变形（方向向上）出现在混凝土梁和格构柱处交点，即近基坑的混凝土支撑梁段跨中，其数值为格构柱隆起位移1.84mm，满足要求。

3.2 钢横梁分析

钢横梁采用双拼32a槽钢，上下两面拼设10mm厚通面钢板，采用Q235等级钢材。钢横梁沿水管按纵间距2.027m布置，为简支梁受力形式。

3.2.1 荷载计算

钢横梁承受的荷载主要有自重荷载和水管的集中荷载，按最不利荷载分布形式计算，即按集中荷载分布形式计算，考虑按可变荷载控制的荷载效应组合。自重荷载等效集中荷载：3.97kN，集中荷载标准值分别为67.74kN和40.99kN。总荷载组合值： 。

3.2.2 截面强度验算

①钢横梁截面受弯强度

最大正应力：（塑性发展指数γ取1.05，Q235钢材的抗弯强度设计值取205N/mm）

②钢横梁截面受剪强度

钢横梁上的峰值剪力：49.8kN

最大剪应力：（抗剪强度设计值取f=125 N/mm2）

③刚度验算

钢横梁峰值挠度出现在钢横梁中点，约为3mm。混凝土支撑梁向上峰值挠度为1.84mm。在悬吊结构中最大差异变形不超过3mm，满足水管位移控制标准。

4 数值分析

4.1 三维模型建立

采用岩土工程专用有限元分析软件Midas/GTS建立三维数值模型，重点分析悬吊保护结构混凝土支撑受力情况，为简化计算，在数值计算时作如下假设：

①各层土体材料均为各向同性均质的理想弹塑性体，符合Mohr-Coulomb屈服准则，各土层间均匀、水平层状分布，场地无起伏；

②由于工程实际情况中，施工时在基坑双侧需要先进行降水处理，使得施工区域内地下水位一直维持在坑底设计标高之下，所以假定模拟时忽略地下水位的影响；

③土体符合摩尔库伦模型，基坑围护结构及内支撑体系等均为弹性体。

图3 悬吊保护体系模型

三维有限元模型尺寸为150m×130m×50m，基坑尺寸为 30.8m×38m，采用板壳单元模拟基坑围护结构及供水管道，采用梁单元模拟混凝土支撑及钢支撑，土体单元采用混合网格生成器生成，模型中土体采用摩尔库伦模型，围护结构及内支撑体系、悬吊体系等均采用弹性模型。悬吊保护体系模型如图3所示。

4.2 计算结果分析

4.2.1 混凝土支撑分析

混凝土支撑剪力云图和弯矩云图如图4、图5所示。

图4 混凝土支撑Y方向剪切力

图5 混凝土支撑Z方向弯矩

由图4，基坑开挖至坑底时混凝土支撑最大剪切力为Y方向397kN，剪应力沿内支撑呈线性分布；由图5可知，最大弯矩为Z方向896kN·m，弯矩以中间混凝土梁呈对称分布。

由于理论计算简化了混凝土支撑接头以及两端支座的影响，对比数值计算结果可以得知，剪切力误差为17.1%，弯矩误差33.4%，均在允许值内，计算结果正确，悬吊保护结构体系安全。

5 结论

城市经济建设不断扩大，今后的城市新建、扩建及地铁施工过程中，此类横穿深基坑管道情况难以避免。如何在保证工程顺利进展的前提下，确保既有管线的安全运营，是工程施工必须解决的问题。本文通过理论计算，数值模拟验证悬吊保护施工方案的可行性，得出以下结论：

①MJS工法桩+悬吊保护方案，效果良好，管线沉降和围护结构位移都在安全容许范围内；

②混凝土梁抗弯强度、斜截面抗剪强度、峰值验算刚度变形满足要求。刚支撑截面强度验算、刚度验算满足要求；

③通过Midas/GTS建立三维数值模型，重点分析悬吊保护结构混凝土支撑受力情况，实践证明了整套方案的可行性，为类似工程提供了借鉴意义。