砂石地层综合管廊施工输水管线保护技术研究

苏萍萍

（中铁建大桥工程局集团第五工程有限公司，四川成都 610500）

近年来，国家大力发展城市建设，综合管廊是集通信、电力、燃气、给排水以及供热等各类工程管线于一体的城市地下隧道空间。地下管线错综复杂，保证输水管线的安全是综合管廊施工过程中的重点[1-6]。韦云满[7]以融城大道综合管廊工程为例，研究深基坑施工技术，确定合理的施工方案。王恒玉[8]以某综合管廊项目为例，分析BIM技术在综合管廊施工过程中的应用点，研究BIM在设计变更与进度管理等方面的技术，为管廊项目管理提供经验。杨明等[9]以沈阳地铁工程为例，对盾构施工过程中穿越输水管线的变形控制技术进行研究，提出相应的管线沉降控制方案，有效地控制盾构掘进过程中土体沉降对输水管线的影响。包德高[10]以大伙房输水工程为例，对其水库输水管线穿越沙河造成的影响进行监测，对检测结果进行分析，提出相应的防护措施。郑辉等[11]以南水北调工程为例，运用ABAQUS软件对开采煤炭过程中输水管线的线性特征进行分析，确定了管线易损区域。针对综合管廊施工过程对输水管线的影响研究较少。因此，本文以沙西线（西华大道）改造工程二标段项目为例，对输水管线与综合管廊基坑所在位置进行剖析，研究输水管线概况对整个输水管线悬吊方案，验算悬吊过程中系统的强度、管线及贝雷梁的强度。

1 工程概况

1.1 总体概况

沙西线（西华大道）改造工程施工二标段项目位于金牛区西华大道，起点里程K4+162.5，终点里程K5+658.503，全长1 496 m。综合管廊位于道路中心线以西约7 m，里程起点桩号为N15+60，终点桩号为N30+60，全长1 500 m，为砂砾石底层。

沙西线改造工程如图1所示。

图1 沙西线改造工程

1.2 输水管线概况

自来水管横穿综合管廊基坑平面如图2所示。

图2 自来水管横穿综合管廊基坑平面

DN2400自来水管道材质为壁厚16 mm钢管，钢管采用自动螺旋缝埋弧焊接。输水管线位于道路中心线以东约35 m，K5+200处开始向西偏移，K5+400～K5+425处横穿综合管廊基坑，跨越长度为24 m，管道顶覆土深度约为2.4～2.6 m。自来水管跨综合管廊结构基坑，基坑施工期间，采用悬吊保护措施。

2 主要施工工艺

2.1 悬吊保护部分设计

围护桩与立柱桩参数相同，直径1 m，标准段围护桩间距2 m，嵌固深度3 m，对自来水管线两侧10 m范围内的围护桩进行加密处理，直至间距为1.5 m；基坑跨度较大，设置1排两根立柱桩。挡土墙厚度0.2 m，高出地面0.5 m，冠梁截面尺寸1.2 m×1 m，纵向主筋采用直径25 mm的三级螺纹钢，布置14根，腰筋采用8根直径22 mm的三级螺纹钢，箍筋采用直径12 mm与14 mm的螺纹钢，混凝土强度为C30。

冠梁截面尺寸如图3所示。

图3 冠梁截面尺寸（单位：mm）

输水管线穿越基坑跨度较大，在跨度中点设置1排两根立柱桩，在桩顶设计一道混凝土托梁，用于撑托自来水管及贝雷梁，贝雷梁采用321型钢桁架。托梁截面尺寸为1.2 m×0.7 m，主筋采用36根直径28 mm三级螺纹钢，腰筋为10根直径22 mm三级螺纹钢，箍筋采用直径12 mm光圆钢筋，采用六肢箍。托梁混凝土强度为C35。

托梁截面尺寸如图4所示。

图4 托梁截面尺寸（单位：mm）

自来水管道按照3 m间距布置挂绳，挂绳采用D31钢丝绳，挂绳挂接于贝雷梁桁架单元上下弦杆、竖杆及斜撑节点处，挂绳从贝雷梁上部穿过使贝雷梁上下弦杆发挥作用，每根挂绳设置1个手拉葫芦，用于钢丝绳预紧及消除贝雷梁挠度误差。

2.2 具体施工流程

悬吊施工前，对输水管线现场进行放样，确定管线的位置和深度，进行围护桩和立柱桩的施工，为保证输水管线在施工过程中不受机械等的影响，在管道双侧进行人工挖孔埋桩，深度超过管道底部50 cm时，采用旋挖钻进行成孔工作。

围护桩及立柱桩布置如图5所示。

图5 围护桩及立柱桩布置

围护桩及立柱桩施工完成后，进行冠梁施工。施工前进行表层土体的开挖，应保证输水管线以及其他地下管线的安全，待桩基的承载力满足要求后进行冠梁施工，施工过程中应保证冠梁的承载力。搭设贝雷梁时，对场地进行初步平整，在贝雷梁拼装节点处放置方木，尺寸为10 cm×10 cm，间距与贝雷梁的各节点相同，每个节点处并排放置两根方木，调整方木高度，保证方木基本处于一个平面，便于拼装。拼装误差满足规范要求后将贝雷梁吊至冠梁指定位置进行安装，贝雷梁中心线与管道管壁对齐。DN2400输水管与基坑交界处，对管道周围的土方注浆进行加固，防止端头处土层坍塌。托梁施工根据输水管道顶部实际标高凿除立柱桩桩头，采用人工掏挖破除，确保托梁高度为1.2 m，人工掏挖深度1.3 m，考虑10 cm垫层。掏挖沟槽时，为确保管道底部不会塌陷，及时喷锚沟槽侧壁，保证侧壁及输水管道底部土体稳定。为增加管道与托梁的受力面积，在管道底部两侧托梁内部架设辅助筋，在两侧埋设格构柱，结合I50C工字钢共同承托贝雷梁。确定托梁的混凝土强度符合标准时，在输水管线上进行悬吊挂绳操作，穿越管道底部时先进行人工掏挖工作，掏出钢丝绳的空间，连接绳索与贝雷梁，挂绳间距3 m一道，悬吊完成后继续进行土方开挖，输水管道底部土地应缓慢挖除，开挖时应注意管道及贝雷梁的变形程度。

受输水管道影响，管道底部5～6 m深度无法进行围护桩施工，为保证基坑安全，在管底采用逆作法施作挡墙，挡喷射C20混凝土，厚度为0.4 m。墙外侧挂钢筋网，采用φ10 mm圆钢，间距15 cm×15 cm，加强横筋φ16 mm，竖向间距1.0 m，工字钢间增加间距1.0 m的φ48 mm钢管锚杆，杆长5 m。综合管廊结构达到设计强度进行恢复施工，恢复施工包括恢复支墩施工、托梁割除、立柱割除、贝雷梁及挂绳拆除、顶板预留口封堵、土方回填。

管线悬吊如图6所示。

图6 管线悬吊

3 悬吊可靠性验算

3.1 系统强度验算

托梁托举DN2400自来水管为双跨连续梁模型，基坑宽度24 m、自来水管跨度12 m。项目自来水管管内水压0.4 MPa。管道受到自重线荷载72.7 kN/m、截面惯性矩4 297 521 cm4、截面抵抗矩53 538 cm3、弹性模量2×105MPa，计算弯矩M：

式中：q——自重线荷载（kN/m）：l——水管跨度（m）。

计算得M=1 121.7 kN·m。将给水管及管内水视作一个系统，计算系统应力σ：

式中：M——管道弯矩（kN·m）；W——管道截面惯性矩（cm4）。

计算得σ=21 MPa＜[σ]=215 MPa，满足施工要求。

3.2 钢丝绳可靠性验算

荷载效应组合由永久荷载效应控制，总荷载为1 748.2 kN，设置9根钢丝绳悬吊，每根钢丝绳悬吊的荷载F1为194.2 kN，采用D31 mm钢丝绳，破断拉力[F]为491 kN，钢丝绳可靠性满足施工要求。

3.3 贝雷梁可靠性验算

贝雷梁悬吊DN2400管道为两跨连续梁模型，基坑宽度24 m，贝雷梁跨度12 m。每榀贝雷梁承受线荷载q/2=82/2=41 kN/m，截面惯性矩I=1 732 303.2 cm4，截面抵抗矩W=23 097.4cm3。计算弯矩：

式中：q——贝雷梁上线荷载（kN/m）；L——贝雷梁跨度（m）。计算得M=738 kN·m，查手册得单层三排加强型贝雷梁最大容许弯矩为4 809 kN·m，贝雷梁抗弯强度满足要求。

4 结语

文章采用钢格构柱与I50C工字钢共同承托贝雷梁、灌注桩与托梁，悬吊法可以实现对输水管线的悬吊保护，为类似工程提供借鉴。悬吊过程中，系统应力σ=21 MPa＜[σ]=215 MPa，满足施工要求。每根钢丝绳的悬吊荷载为F1=194.2kN＜[F]=491 kN，可靠性满足施工要求；贝雷梁弯矩M=738 kN·m＜[M]=4 809 kN·m，抗弯强度满足施工要求。