贝雷梁组合支架对跨地铁车站雨水管保护的施工受力分析

何振涛， 应克忠， 方诗圣， 赵 旭

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.中铁四局集团第四工程有限公司，安徽 合肥 230041)

0 引 言

近年来，随着城市规模的发展与扩大，城市交通也随之快速的发展， 地铁隧道的建设成为一个显著的标志，而在地铁基坑开挖的过程中会遇到正处于使用状态的雨水管道[1]。如果对管道进行改迁，则会对工程进度造成很大的影响，同时也会造成费用增加。但是如果不改迁，一旦由于施工原因导致雨水管道破坏，将造成非常严重的后果[2]。此时也就面临着一个技术难题：跨地铁车站基坑雨水管线的保护。合肥某地铁换乘车站雨水管直径达到1.5 m，主体结构部分雨水管的跨度为39.2 m，其中标准段跨度为25.2 m。实际工程中考虑到对雨水管变形要求较高，而悬吊方式为柔性结构，晃动较大，故采用支撑方式对横跨基坑雨水管进行保护，取得了很好的经济效益，同时也保证了安全，为以后类似的工程提供了借鉴。

1 工程概况

合肥市某地铁车站沿东西向布置，标准段宽度为25.2 m，标准段基坑深度为16.50 m～16.18 m。该车站施工过程中有一条雨水管横跨基坑内部，为了保证主体的施工及雨水管的正常使用，需要对雨水管进行保护，管径1 500 mm，壁厚16 mm，其中D出入口临时置换长度为17.8 m，主体结构部分的雨水管长度为39.2 m。雨水管设计位置位于冠梁之上,其平面位置图如图1所示。[3]水流流向由北向南，通过设置雨水管保证了南北排水畅通。工程的重点和难点之一是对于雨水管的保护。

图1 DN1500雨水管平面位置图

2 雨水管保护施工设计

对跨基坑的市政雨水管线的保护措施常有悬吊法[4]与贝雷梁支撑法。悬吊法结构简单，适用于工期短，跨度较小的雨水管的保护；但是悬吊结构为柔性结构，晃动幅度较大。贝雷梁支撑结构形式简单，受力明确，刚度大，雨水管稳定性好，适用于工期长，跨度大的雨水管的保护[5]。

雨水管跨基坑时考虑的是雨水管的保护，雨水管的保护主要考虑其变形。只有保证了雨水管的安全，施工过程中的安全才能够保证，结合实际，本工程采用贝雷梁组合支架支撑法。

雨水管支撑保护采用贝雷梁组合支架结构，分为上部结构和下部结构，上部结构采用单层双排贝雷片组合梁为桥跨主梁，横向采用工字钢及承托构件固定支撑临时雨水管道；下部结构利用结构冠梁及临时支撑格构柱，格构柱支撑横梁采用[40C槽钢，通过衬托板与钢格构柱墩焊接牢固。其中桥跨布置为14+12.55+6.7+5.95=39.2 m。贝雷片梁组合梁桥，桥面宽度2.56 m，纵坡0%，桥架轴线方向与地铁车站围护排桩垂直。为了防止贝雷梁组合支架下挠过大，雨水管变形过大导致雨水管接头处出现渗水，对于各跨设置预拱。第一跨按二次抛物线设置预拱，跨中向上预拱12 mm，第二跨按二次抛物线设置预拱，跨中向上10 mm，其余各跨不设预拱，如图2所示。

图2 预拱布置图

荷载的传递路径自上而下为雨水管荷载传递至小横梁，小横梁通过贝雷梁组合支架传递至大横梁和冠梁，再通过钢格构柱和支护桩传递至基础,如图3所示。其中贝雷梁组合支架与小横梁采用U形螺栓连接，如图4所示。

图3 雨水管保护横梁处断面图

图4 U形螺栓大样图

雨水管管底与小横梁之间采用承托连接，管底承托采用工20b工字钢制作，弧形板采用10 mm厚钢板弯曲后焊接在工字钢上，从而限制雨水管的横向移动,如图5所示。管底和承托之间设置厚度20 mm、宽度150 mm的油毛毡，承托与横梁之间对其后采用四面围焊，焊缝厚度为6 mm。本工程采用承托作为固定措施，不仅限制了雨水管的横向移动，同时增加了横梁的有效高度从而增强了横梁的刚度，使得雨水管更加的稳定，有效减小了其变形。

图5 承托大样图

3 数值分析

本工程采用的是“321”型双排单层贝雷梁组合支架，简化为简支梁模型，计算跨径为3 m×13=39 m，支座两端置于冠梁上，两排贝雷架之间中心间距为0.2 m。横梁长度为2.56 m，横桥向内侧贝雷架中心间距为19.3 m，雨水管计算长度L为42.2 m，由横梁支撑，位于中间位置。雨水管直径D为1.5 m，厚度t为16 mm，钢材采用Q345B级钢。计算时雨水管为无压满水状态，只考虑自重，没有考虑雨水对于管道的压力。

3.1 雨水管数值计算

利用MIDAS Civil软件建立有限元模型，将雨水管简化为多跨连续梁模型，考虑到雨水管较长，根据圣维南原理，雨水管远端对雨水管主跨的内力影响较小，端头冠梁支座处取雨水管直径的2倍，将两端支撑点设为固结，其余各支撑点设为铰接[6]，计算简图如图6所示。梁单元Z方向挠度如图7所示。

图6 雨水管计算简图

图7 梁单元Z方向挠度图

由图7可知，雨水管的最大挠度为0.016 mm

3.2 贝雷梁组合支架数值计算

3.2.1 荷载计算

贝雷梁组合支架的荷载除了本身的自重外，还包括雨水管对贝雷梁组合支架横梁的作用，将雨水管的支反力反向作用于贝雷梁组合支架横梁，对于贝雷梁组合支架进行受力分析[7]。贝雷梁组合支架横梁共26根，即26个支撑点，每个横梁支撑点受力为37.8 kN。

3.2.2 结构验算

首先利用MIDAS Civil软件建立有限元模型，共建立节点1 542个，单元2 028个，边界条件一般支撑20个，弹性连接364个，释放梁端约束48个，2片贝雷梁组合支架之间的连接为铰接，建立的有限元模型如图8所示。

图8 贝雷梁组合支架有限元模型

(1)强度验算。给有限元模型施加荷载和边界条件，通过求解器模块进行计算得到贝雷梁组合支架有限元模型的组合应力图、主桁架的组合内力图以及横梁的组合应力图，如图9所示。

图9 贝雷梁组合支架组合应力图

根据有限元模型计算得到的结果，整个贝雷梁组合支架的最大组合应力发生在主桁架上，贝雷梁组合支架组合应力的最大拉应力为143.7 MPa<[σ]=207 MPa，最大压应力为203.8 MPa<[σ]=207 MPa，贝雷梁组合支架的组合应力没有达到许用应力，且实际上荷载要比施加的荷载小，所以强度是合格的。

贝雷梁组合支架主桁架的最大应力为143.7 MPa<[σ]=207 MPa，强度是合格的。

横梁的最大应力为131 MPa<[σ]=207 MPa，强度是合格的。

(2)刚度验算。通过对有限元软件的计算结果进行分析，得到贝雷梁组合支架与横梁的挠度，如图10所示。

图10 贝雷梁组合支架与横梁挠度图

根据上图得到的结果，最不利位置为贝雷梁组合支架下挠最大的位置，最大的挠度为7.96 mm

通过对于方案进行设计以及有限元软件对雨水管以及贝雷梁的结构验算，从技术上说明该结构的合理性。

4 施工监测

施工过程中，通过开展施工监测并及时收集监测数据，能够掌握支撑结构的变形和受力状态，根据监测数据及时调整支撑方案，指导施工，保证结构安全和人身安全。为了保证雨水管以及贝雷梁组合支架保护措施的安全，在管线的最不利位置(雨水管第一跨跨中和第二跨跨中)设置了竖向位移监测测点，用高精度水准仪进行监测[8]，其中关键施工阶段的雨水管沉降值如图10所示(YS1、YS2和YS3表示竖向位移监测测点)。

图10 雨水管沉降值

监测结果表明，沉降值在2～6 mm，模拟采用无压满水状态进行计算，最大沉降值为7.96 mm，实际工程中雨水管未处于满水状态，比实际监测值大。因此，贝雷梁组合支架支撑方案在理论上是可行的，验算是通过的。从监测的结果与计算的结果对比分析来看，计算的结果较大，原因是计算时将雨水管考虑为充满水的状态，实际工程的结果表明了其可行性。

5 结 论

本文以跨合肥市某地铁车站基坑雨水管的保护为背景，介绍了合肥市某跨地铁车站贝雷梁组合支架支撑雨水管保护的方案，对于保护方案进行设计以及强度和刚度的验算，得到如下结论。

(1)结合本工程的特点，采用贝雷梁组合支架结构对地铁车站雨水管进行保护，结构受力明确，结构简单，节约成本。

(2)贝雷梁组合支架支撑保护结构的力学受力分析结果表明最不利位置处贝雷梁组合支架主桁架的强度小于其承载能力，结合监测数据，Z方向最大挠度在范围之内，强度和刚度均满足设计的要求。

(3)实际施工过程中，受基坑开挖的影响，雨水管周围土体会产生不均匀沉降，从而对雨水管及其保护结构的变形产生影响，在支撑保护结构中增加贝雷梁组合支架的预拱度以及运用承托限制了其横向移动，一定条件下减缓了不均匀沉降对其保护结构的变形影响，且贝雷梁组合支架的保护方案在使用过程中满足设计的要求，实际工程中保证了施工的正常进行。因此，雨水管贝雷梁组合支架支撑保护的施工设计是安全可行的，同时为以后类似的工程提供了宝贵的经验。