大直径高压电力管道原位保护施工技术研究

季 伟，李 旭，高荣辉，王冲冲，闫秀锋

（中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司，江苏无锡 214104）

1 背景

随着我国城市建设的快速发展，城市化水平不断提高，城市人口不断增多，城市基础设施已不能满足人们的出行需求，越来越多城市开始对地下空间进行开发，建造在道路下的地铁、公路隧道等。然而，地下空间的开发利用往往难以做到统筹规划、统筹施工，地铁通常规划于城市繁华地段，处于道路、建筑物和地下管线等设施密集区，不可避免地出现相互影响的现象[1-3]。为确保工程顺利实施，大量地下管线需要进行迁改，而一些重大管线则需要在基坑内进行悬吊保护[4]。目前，国内外在管线悬吊保护方面的研究已经较为成熟，保护方式也有多种选择，刘刚等[5]提出立柱桩+桁架的拼装式组合支撑保护方式，解决了超长距离悬空保护困难的问题；朱家俊等[6]提出混凝土支撑+钢丝绳悬吊保护体系，利用既有混凝土支撑结构进行管线的悬吊保护；程群等[7]提出利用钢格构立柱+横向钢梁+纵向钢梁形成门架式整体，将管线悬吊在纵向钢梁上进行悬吊保护；张军[8]提出沿管线方向架立双层万能杆件作为悬吊梁并设置吊索的方式进行电缆的悬吊保护。

本文以南京地铁3号线明挖区间大直径电力管道原位保护为例，对贝雷梁悬吊系统的原位保护方法进行研究，提出合理有效的技术措施，为我国地铁建设中重大管线基坑内悬吊保护施工提供参考和借鉴。

2 工程概况

南京地铁3号线三期工程秣周东路站—和风路站明挖区间，位于秣周东路站既有区间段南，沿爱陵路南北向布设，为地下框架结构，明挖区间总平面图如图1所示。明挖段基坑施工范围有一处110 kV电力管线，东西走向，位于明挖段小里程向大里程方向8.5 m处，横跨基坑长度12.5 m。

110 kV电力管道高压电缆共计6根，埋深约1.65 m，管道外径为1.8 m，壁厚为0.12 m，内部电缆管道排管为4列×4行（管道内径为20 cm）+ 4孔小直径管道（管道内径为10 cm），110 kV电缆布置情况如图2所示。

3 110 kV 电力管道原位保护方案实施及验证

3.1 电力管道原位保护方案

为保证工程施工期间高压电缆的正常使用，明挖区间基坑施工期间，对电力管道拟采用贝雷梁悬吊法进行原位保护。整个悬吊体系由加强型贝雷梁、双拼槽钢、钢螺杆、地下连续墙（以下简称“地连墙”）及冠梁组成。电力管道自重荷载通过双拼槽钢及钢螺杆传递给贝雷梁，贝雷梁将荷载传递给两侧的冠梁和地连墙，再由地连墙将荷载传递给地基。贝雷梁和地连墙组成“支撑”系统，双拼槽钢和钢螺杆组成“悬吊”系统，采用“撑吊结合”进行管道原位保护，形成一体。电力管道悬吊保护示意如图3所示。

电力管道悬吊选用4排单层加强型贝雷梁，所有贝雷梁采用统一制式，尺寸为1.5 m×3 m，标准段长度3 m一个节段，节段间采用螺栓连接。贝雷梁架设完成后，对管线下方进行掏挖，埋设2[20b槽钢。将电力管道悬吊于2[20b槽钢之上（双拼槽钢之间采用4块（175×175×20） mm缀板焊接，焊缝宽度不小于12 mm，缀板间距600 mm），贝雷梁上弦杆架设2[20b槽钢，槽钢之间采用HPB300φ22 mm钢螺杆进行拉接、螺栓锚固，螺杆间距50 cm，锚具下设锚头承压板，承压板尺寸同缀板，槽钢之间采用50 mm角钢相连以保证槽钢的稳定性，管线悬吊在贝雷梁上。贝雷片单榀长3 m，悬吊长度为12.5 m；2[20b槽钢单根长2.2 m，间隔0.5 m铺设。

3.2 悬吊体系力学性能分析

3.2.1 计算模型

依托本项目贝雷梁原位悬吊保护方案，使用Midas/Civil有限元软件对贝雷梁悬吊体系在管道原位保护中进行有限元模拟分析并与现场测试进行对比。

电力管道恒荷载主要为混凝土管道结构及管道内高压电缆自重荷载。管道结构及内部管线自重荷载为49.6 kN/m，贝雷梁自重荷载为3.82 kN/m，双拼槽钢自重荷载为4.54 kN/m，标准断面恒荷载为57.96 kN/m，恒载分项系数取1.2，不考虑活荷载的影响，均布荷载设计值为69.56 kN/m。有限元模型如图4所示。

3.2.2 强度及变形验算结果

（1）贝雷梁对混凝土电力管道进行悬吊保护后产生的应力云图和变形云图如图5、图6所示。由图5可知，悬吊系统最大应力集中在贝雷梁两端腹板处和上层贝雷梁跨中处，最大应力为162.36 MPa＜[f] = 215 MPa（[f] 为容许应力），最大应力满足抗弯强度要求；由图6可知，悬吊系统最大变形位于贝雷梁跨中，最大变形量为14.78 mm＜L/ 400 = 31.2 mm（L为贝雷梁跨度），跨中挠度满足变形要求。

（2）管道下部双拼槽钢扁担梁及贝雷梁上弦杆双拼槽钢横梁产生的应力云图和变形云图如图7、图8所示。由图7可知，贝雷梁上弦杆双拼槽钢横梁最大应力为21.38 MPa，管道下部双拼槽钢扁担梁最大应力为39.98 MPa，最大应力均满足强度要求；结合图6、图8可知，槽钢的挠度变形均在1.5 mm以内，槽钢挠度满足变形要求。

（3）钢螺杆产生的应力云图如图9所示。由图可知，悬吊最大拉应力为15.68 kN＜22×22×3.14×300 / 4 = 114 kN，最大拉应力满足强度要求。

通过对贝雷梁悬吊体系强度、变形验算，所有构件强度、稳定性均满足现行GB 50017-2017《钢结构设计标准》[9]要求。

4 原位保护方案施工控制难点及措施

4.1 施工控制难点分析

区间采用明挖法施工，采用800 mm地连墙围护体系，电力管道直径大且位于冠梁底以下，对地连墙和冠梁施工造成一定的困难。施工过程中，既要满足各阶段电力管道的变形和结构安全要求，同时又要保证地连墙成槽、钢筋笼吊放和混凝土浇筑正常。地连墙成槽过程中如何对电力管道保护、钢筋笼吊装安放是施工控制的难点。

4.2 地连墙成槽电力管廊保护

（1）导墙施工保护。围护结构采用地连墙施工，导墙施工期间，钢板套盒两端嵌入导墙内，与导墙钢筋焊接成整体，将管廊包入封闭的钢箱中，保证挖土成槽及钢筋笼吊装过程中管廊不被碰撞影响，提高整体稳定性及抗撞能力，管廊保护如图10所示。受电力管廊影响的2幅地连墙采用深导墙形式，导墙底部超过管廊底部约2 m，挖机挖土施工过程中，距离管廊30 cm时采用人工开挖。

（2）地连墙成槽施工保护。地连墙成槽采用一槽三抓的成槽方案，即线缆两侧分别开挖一抓，线缆下方为第三抓，开挖的先后顺序为先开挖线缆两侧的槽段，后挖除管线下方的土体，从而形成整个槽段。对于管线下部土体的抓取，利用成槽机钢丝绳与抓斗边缘的间距，成槽机先从管线一侧下斗，然后平移至管线下部开挖。为保证成槽质量，对抓斗进行改造，在成槽机抓斗上加装自制斗齿，以增加挖掘宽度，成槽机抓斗改造如图11所示。

（3）钢筋笼分幅及吊装施工。对受影响处地连墙重新分幅，在管廊两侧预留2.8 m的成槽范围，用SG70成槽机进行挖土成槽。调整受影响地连墙钢筋笼幅宽，将一整幅钢筋笼分为2个特制公母钢筋笼分别从管廊左右吊入槽内在槽中合璧。与管线交叉的地连墙钢筋笼采用“一槽两笼”的施工工艺，将2幅钢筋笼分别从管线左、右两侧下放，钢筋笼采用雌雄笼镶嵌连接，当钢筋笼与管线标高冲突时，钢筋笼采用“L”形，雌雄钢筋笼如图12所示。

4.3 贝雷梁悬吊保护操作要点

冠梁施工时预埋尺寸1200 mm×2000 mm×20 mm钢板，贝雷梁架设于支座体系之上，拼接贝雷梁完工后，对贝雷梁进行全面检查，在薄弱环节进行局部加强，保证稳定。管线两侧采用加固梆固定管线，加固梆与槽钢焊接形成整体，保证电力管线的整体稳定性。

5 现场施工及沉降监测

5.1 现场施工情况

电力管廊成槽保护、贝雷梁现场安装及悬吊保护如图13所示。

5.2 沉降监测

为保证悬吊管线在基坑开挖和主体结构施工过程中稳定和安全，对悬吊电力管线部位进行管线变形、贝雷梁沉降变形、围护结构变形、周边地表沉降等监测。本次贝雷梁沉降观测共布置5个监测点，每个点位间隔3 m，分布在贝雷梁的上方，施工期间，及时分析各测点的最大沉降值及其变化规律。在基坑开挖和主体结构施工过程中，每2天观测1次，如数据发生突变，则加密观测频次。发生较大变形时需停止施工，立即启动应急预案，确保施工安全和悬吊管线正常使用。

经过对实测数据整理分析，从图14可以看出，当管道下部接触土体开挖完成后，贝雷梁最大沉降位移为13.85 mm，与有限元数值分析结果接近，满足电力管道的原位保护要求，说明贝雷梁悬吊体系满足受力要求，能够确保110 kV电力管线的正常使用和工程的安全施工。

6 结论

针对大直径高压电力管廊横跨地铁工程基坑的原位保护问题，本文通过运用Midas/Civil有限元数值模拟和现场沉降监测手段，研究贝雷梁原位悬吊保护在地铁施工中管线原位保护的相关问题，得出以下结论。

（1）运用Midas/Civil有限数值模拟软件，建立了大直径电力管道原位悬吊保护有限元分析模型，施加荷载和边界约束条件。同时，通过理论计算和数值模拟对贝雷梁、上下部双拼槽钢钢横梁和扁担梁、钢螺杆进行强度和变形验算，验算结果符合材料强度和变形指标。

（2）采用贝雷梁悬吊保护系统对大直径高压电力管道进行原位保护可操作性强，安全性高，悬吊保护传力体系可靠，能够解决地铁施工过程中大型市政管线迁改困难、迁改周期长、费用高等难题。施工流程包含地连墙和冠梁施工、贝雷梁架设施工、开挖悬吊保护3个步骤，施工工艺成熟。

（3）根据现场沉降观测数据，当电力管道下土方挖除后，悬吊系统和管道的变形均在安全范围内，满足原位保护要求，证明了该贝雷梁悬吊保护方案的可行性，相关研究可为类似工程提供参考和借鉴。