城市明挖隧道复杂管线保护设计
王刚 闫一川 李航
摘 要：管线保护与改迁一直是市政工程施工中的重点与难点，特别是在老城区段施工时。本文结合某城市隧道施工的工程实例，对其施工中遇到的管线保护及迁改问题进行了总结，由于管线数量较多，改迁难度大，改迁周期长，现场改迁进度无法满足施工需要，故需对横穿隧道的暂时无法改迁的及不改迁的管线进行专项保护设计。结合现场并对管线进行分析，最终确立采用悬吊保护管道的方案。本文对悬吊保护体系的设计和计算进行了阐述，证明了该方法的合理性，同时介绍了管线保护过程中的监测控制方法，该方案经检验在实际施工中取得了良好的效果。
关键词：地下管线;基坑;悬吊保护;市政工程;安全性
1 概述
在市政工程施工中，施工区域地下一般均布有大量的既有管线。该隧道穿越范围内地下管线较多，管线种类十余种，涉及产权单位十余家，大部分管线需要临时改移或永久改移，个别管线就地保护。该工程范围内管线与隧道相交的较多，给现场施工造成了很大困难，为了解决施工进度和改迁进度不匹配的问题，针对不同管线采取架空或悬吊保护等措施，保证了现场施工的顺利推进。
2 工程概况
工程实例为城市隧道施工项目，隧道下穿一既有道路，施工采用明挖法进行施工。隧道基坑宽19.7m，基坑开挖最大深度14.7m，隧道主体宽度19.5m，基坑安全等级一级，闭合框架段顶板覆土厚度0.7～4.8m。基坑采用明挖顺作法施工，围护结构采用钻孔灌注桩+高压旋喷桩止水帷幕，基坑内设混凝土支撑及钢支撑。
3 管线保护方案
针对管道自重大、对沉降变形要求高的特点，利用基坑自身围护结构结合现有资源，进行悬吊保护体系设计。现场以围护桩桩顶冠梁作为支点，采用“321型”贝雷梁做主桁架，工字钢做分配梁的组合体系，对跨隧道需要保护的管道进行悬吊保护。该工程所有涉及管线中，重力最大、要求最高的就是直径1m的自来水管，故本文就该管道的悬吊保护进行计算分析。
4 管线悬吊设计
4.1 设计参数
自来水管道为铸铁管，直径为1000mm。通过查表直径1m管道单位重量为336.17kg/m，即为3.4kN/m。满水时管道内水的单位重为785kg/m，即为7.85kN/m。
主桁架体系选择321型贝雷梁，桁架由两组贝雷梁构成，两组之间净距2.5m，每组之间采用花架进行连接;贝雷梁单片重量为270kg/片，长度为3m，单位重为90kg/m，即为0.9kN/m。分配梁为I10工字钢，间距为1.5m，单位重为0112kN/m。管道跨径按照21m考虑。
4.2 设计计算
根据隧道施工工艺要求，在支撑设置位置设置悬吊保护支架，以保证不影响隧道施工。现对贝雷梁及悬吊系统的受力进行验算。
（1）工字钢验算。满水时，管道荷载为11.25kN/m，工字钢单位重为0112kN/m。
管道按照1.5m长进行计算，换算成集中力为16.875kN。通过结构力学求解器计算[1]，计算结果如下：
查型钢材料表得I10的各力学参数为[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，满足要求。
（2）贝雷梁验算。满水时，管道荷载为11.25kN/m，工字钢单位重为0112kN/m。
每片贝雷梁上有4.5m工字钢2根，换算成均布力为（0112×2×4.5）/3=0.336kN/m。贝雷梁单位重为09kN/m。
均布力为：q=0.9×4+0.336+11.25=15.186kN/m。计算结果如下：
[2]
M=18ql2=1/8×15.186×212=837.1kN·m
Q=15.186×21/2=159.5kN
单排贝雷片容许弯矩和剪力分别为，容许内力M=788kN·m，Q=245kN，考虑到贝雷销间隙和偏载影响，贝雷片折减系数采用0.8。[3]
[M]=788×4×0.8=2521.6kN·m>Mmax=837.1kN·m，满足要求。
[Q]=245×4×0.8=784kN>Qmax=159.5kN，满足要求。
贝雷梁挠度由弹性挠度和非弹性挠度组成，即fmax=f弹+f非[3]
f弹=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弹+f非=42.3mm<21/400=52.5×10-3m，满足要求。
5 悬吊保护施工
施工方法：（1）测量放样。在施工前，先由测量人员用全站仪按物探图纸对管道位置进行精确的测量定位放样，定出管道的位置和开挖范围，用醒目的标志杆做标记并固定好。土方开挖前，采用人工挖探沟的方法确定管线的具体位置，以防隧道基坑开挖时导致管线被破坏。（2）管道开挖。根据前期标记的管线实际位置，采用人工开挖的形式，先使隧道施工范围内的管道顶部完全裸露，以管道中心为开挖沟槽中心，人工开挖一道沟槽底部宽为6m，坡度为0.75，管道底部宽2.5m的土方不得松动，其他部位土方挖至与隧道冠梁顶。（3）贝雷梁组拼与安装。提前采用花架组拼好321型贝雷梁，待管道开挖完成后，用吊车将贝雷梁吊运至管道两侧的沟槽内，吊运过程中应有配备专人指挥，避免碰撞到管道。桁架由两组贝雷梁构成，两组之间净距2.5m。在冠梁内预留槽钢，待贝雷梁安装到位后，再用槽钢焊接预留的槽钢，固定贝雷梁。（4）横向分配梁安装。利用洛阳铲在管道底部进行掏洞，洞的大小为高15cm，宽30cm，洞间距为1.5m。然后将4.5m长的I10工字钢，穿入管道底部，架设在贝雷梁底的杆件上。（5）管底钢板敷设。采用宽25cm，厚1cm的钢板，敷设在管道底与I10工字钢顶之间，加大管道底部的承重面积。（6）调整分配梁标高。钢板敷设完成后，根据管道标高调及计算的挠度曲线整分配梁标高，使其承受管道重量。调整标高后，将分配梁用特制的骑马“U”型螺栓与贝雷梁下弦杆锁紧，确保连接稳固。（7）管道底部开挖。采用人工对管道底部土方开挖，在开挖过程中，观察管道整体的情况，如有异常情况停止土方开挖，加固贝雷梁支撑体系。（8）悬吊保护完成。待管道底部土方开挖完后，管道重量由贝雷梁支撑体系承担。在管道及贝雷梁上布设位移、沉降监测点，定期进行监测，保证管道安全。
6 悬吊监控量测
为保证管道在隧道基坑开挖及主体结构施工过程中稳定和安全，根据现场实际情况和相关规范要求，对架空管线变形、隧道围护结构沉降及水平位移等项目进行监测。
测点布设：在管道和悬吊型钢梁中部各布设1个位移、沉降监测点;在悬吊型钢支撑点两侧冠梁处各布设1个位移、沉降监测点;在支撑点冠梁两侧离冠梁外边1m处布设1个沉降监测点。
监测：在隧道基坑开挖过程中每天观测3次，和主体结构施工过程中每天观测2次，如数据发生突变时，每天观测次数加倍;发生较大变形时停止施工，并采取相应措施，保证施工安全和管道的正常使用。
根据基坑监测结果，隧道施工周期长达7个月，经过现场监测，该管线的最大沉降量仅为14mm。根据相关规范要求，管道的竖向变形不得超过0.03～0.04D（管道直径），即30～40mm，现场管线变形值满足相关规范及管道安全要求，管线得到了良好的保护，达到了预期的目的。
7 管线悬吊施工技术保证措施
（1）与通管道的产权单位建立逐点对接工作机制，确定联系人，保障双方之间沟通顺畅、联系及时、配合密切。（2）施工准备期间对施工范围内的地下管道进行认真的复查和确认，确切掌握施工范围内管道的准确要素（埋深、走向、管径、管材）。（3）开挖管道底部土方时，应分段跳槽开挖管道下部的土方，逐渐把管线的重量转移到悬吊杆上，避免承重结构的突然加载。（4）管道悬吊完成后，加强保护，避免机具等对管道的碰撞。加强施工监测，管线和基坑的变形状况，根据监测数据，及时采取有效的措施，保证管道安全。（5）对做好悬吊保护的管道进行覆盖，避免直接暴露在日曬雨淋下。
8 结语
由于在该工程施工过程中提前通过科学的力学计算，制定了专项的保护管线方案，在施工过程中采取了正确合理的施工措施，保证了横穿基坑管道线的安全和有效运转，达到了保护管线的目的，解决了影响现场施工的难题。该实例可以为类似工程提供借鉴。
参考文献：
[1]龙驭球，包世华，等.结构力学（Ⅰ）[M].武汉：高等教育出版社，2001.
[2]江正荣.建筑施工计算手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.
[3]黄绍金，刘陌生.装配式公路钢桥多用途使作手册[M].北京：人民交通出版社，2001.
[4]《给水排水工程管道结构设计规范》（GB 50332-2002）[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.
作者简介：王刚（1988—），男，汉族，山东潍坊人，本科，工程师，研究方向：道桥。
