大截面管廊橫穿基坑原位懸吊保護技術(shù)

詹欣波

（中交四航局珠海工程有限公司，廣東 珠海 519085）

1 工程概況

橫琴口岸車站位于珠海市橫琴島經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，前接橫琴隧道金橫區(qū)間，后接橫琴隧道橫長區(qū)間；珠海橫琴站車站1號、3號、4號出入口部分位置下穿既有市政管廊結(jié)構(gòu)。管廊為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地下埋深1.2～1.8m，斷面尺寸10m×4m（長×寬）；車站1號、3號、4號橫穿市政管廊處，采用暗挖工藝，在暗挖段施工前擬對管廊進行加固和懸吊處理，保證結(jié)構(gòu)安全。管廊懸吊保護技術(shù)施工難度大，安全風(fēng)險高。市政管廊橫穿出入口平面布置圖如圖1所示，懸吊保護市政管廊橫剖面圖如圖2所示。

圖1 市政管廊橫穿出入口平面布置圖（單位：mm）

2 施工方案

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，為確保綜合管廊的完整性，施工中選擇的是懸吊法，兼具“撐”與“吊”兩方面內(nèi)容。其中，“撐”指的是設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，以確保格構(gòu)柱具有足夠穩(wěn)定性；“吊”則選擇的是H型鋼，以此為基礎(chǔ)采取的是雙拼懸吊的方式。

現(xiàn)場設(shè)置雙拼H型鋼，該結(jié)構(gòu)將與精軋螺紋鋼共同發(fā)揮作用，實現(xiàn)對綜合管廊自重荷載的傳遞，使其能夠到達懸吊梁上，并進一步經(jīng)過格構(gòu)柱、鉆孔樁的路徑實現(xiàn)傳遞，最終將荷載有效傳遞至地基處。設(shè)置懸吊梁，可發(fā)揮出支撐的作用，頂標(biāo)高均為+2.55m。

圖2 懸吊保護市政管廊橫剖面圖

3 計算驗證

3.1 模型的建立

本次分析中選擇的是ABAQUS軟件，將其作為有限元分析工具，通過建模的方式模擬實際施工情況。模型創(chuàng)建工作中，H型鋼采取的是間距為1m的布設(shè)方式。該項目所用型鋼材料均為Q235鋼材，正常狀態(tài)下彈性模量E=206GPa，泊松比μ=0.3，容許應(yīng)力為140MPa。施作共同溝，此部分施工選擇的是C25混凝土，基本參數(shù)為E=34.5GPa，μ=0.2。關(guān)于此結(jié)構(gòu)容許應(yīng)力的設(shè)置，以混凝土不發(fā)生開裂為基本前提，容許拉應(yīng)力及壓應(yīng)力兩項指標(biāo)分別設(shè)置為0.5MPa、7.6MPa。設(shè)置精軋螺紋鋼，具體選擇的是PSB785，根據(jù)材料特性，其具備的屈服強度為785MPa。不同階段鋼材的特性存在差異，屈服前主要以彈性變形為主，針對此特點，此階段選擇的是彈性模擬的方式。搭接面管廊恒荷載的構(gòu)成可分三部分，除該結(jié)構(gòu)的自重荷載以外，還包含了電纜支架和管線（兩部分均設(shè)置在共同溝內(nèi)）的自重荷載?？缤ǖ赖牡叵戮C合管廊長度約9m，自重荷載為112.23t，通道設(shè)置9道支撐，每道支撐承受的重量為12.47t，不考慮活荷載的影響。

依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）所給出的計算公式，恒載、活載二者對應(yīng)分項系數(shù)分別為1.2、1.4[1]。結(jié)合上述參數(shù)可以求得：通風(fēng)口斷面荷載組合值Q1=196.40kN；標(biāo)準(zhǔn)斷面荷載組合值：Q2=170.28kN。

引入結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)，在其支持下完成網(wǎng)格劃分；在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)建三維實體單元，從而構(gòu)成線性減縮積分單元。此方式的特點在于求解位移時可有效排除其他因素的干擾，從而確保求解精度[2]；且在彎曲分析工作中，可以避免剪切自鎖的問題。為滿足快速且精確求解的要求，重點處理共同溝通風(fēng)口處的網(wǎng)格，該處相較于雙拼H型鋼而言相對較大，并且精軋螺紋鋼網(wǎng)格最小。

3.2 強度及變形驗算結(jié)果

（1）管廊懸吊系統(tǒng)整體驗算。從強度的角度來看，可以確定懸吊系統(tǒng)應(yīng)力極值的發(fā)生區(qū)域，具體對應(yīng)的是精軋螺紋鋼，該值為79.5MPa，相較于該處的屈服強度785MPa而言明顯偏小，因此符合要求；從變形的角度來看，共同溝處存在較明顯的變形現(xiàn)象，該處的最大值為3.19mm，遠小于設(shè)計值的20mm，因此也滿足要求。

（2）管廊懸吊精軋螺紋鋼驗算。從強度角度來看，共同溝精軋螺紋鋼最大應(yīng)力為79.5MPa，該值明顯低于屈服強度，即785MPa，因此與設(shè)計要求相符；從變形角度來看，主要考慮的是精軋螺紋鋼底部，該處產(chǎn)生的最大變形量僅為3mm，該值明顯低于設(shè)計值20mm，因此也與設(shè)計要求相符。

（3）上部型鋼的模型。從強度角度來看，型鋼最大應(yīng)力為19.2MPa，該值明顯低于容許應(yīng)力140MPa，因此與設(shè)計要求相符；從變形角度來看，此時型鋼產(chǎn)生的最大變形量僅為1.13mm，該值明顯低于設(shè)計值20mm，因此也與設(shè)計要求相符。

（4）管廊下部雙拼H型鋼扁擔(dān)梁驗算。從強度角度來看，共同溝最大應(yīng)力為0.65MPa，該值明顯低于容許應(yīng)力7.6MPa，因此與設(shè)計要求相符；從變形角度來看，此時變形溝產(chǎn)生的最大變形量僅為3.06mm，該值明顯低于設(shè)計值20mm，因此也與設(shè)計要求相符。

4 施工流程及沉降監(jiān)測

4.1 施工流程

（1）鉆孔灌注樁及格構(gòu)柱施工。主要分布區(qū)域為通道懸吊梁處，具體使用的是φ800mm鉆孔灌注樁，將此結(jié)構(gòu)在回旋轉(zhuǎn)機的輔助下設(shè)置在指定區(qū)域；安裝格構(gòu)柱，此結(jié)構(gòu)的規(guī)格為460mm×460mm。

（2）混凝土懸吊梁施工。首先完成降水作業(yè)，確保無誤后方可開挖管廊兩側(cè)土體，開挖持續(xù)推進，到達梁底標(biāo)高處即可停止，并于該處施工2根懸吊梁。

（3）開挖懸吊保護。共同溝下側(cè)土體開挖作業(yè)結(jié)束后再設(shè)置鋼梁，具體采取的是雙拼H型鋼梁的方式，此部分所用型號與H型鋼相同。選擇符合質(zhì)量要求的雙拼H型鋼，將其轉(zhuǎn)移到安裝區(qū)域，調(diào)整位置偏差，確保無誤后通過焊接的方式將其與格構(gòu)柱穩(wěn)定連接，并使用型鋼支撐。在上述基礎(chǔ)上，開挖管廊上下土體，該部分通過分段的方式完成，實現(xiàn)對管廊的有效保護，依據(jù)實際情況調(diào)整各段長度，但要控制在50～100cm[3]。每結(jié)束一段開挖后，均要錨固雙拼H型鋼，此處所用材料為精軋螺紋鋼。部分雙拼H型鋼的設(shè)置區(qū)域較特殊，即位于懸吊梁上，要求其穿過精軋螺紋鋼的部分應(yīng)得到加固處理，即在該處焊接10mm厚的鋼板，在其作用下有效約束精軋螺紋鋼，以免其出現(xiàn)水平移動現(xiàn)象。

4.2 沉降監(jiān)測

施工中，加強對共同溝的監(jiān)測，共使用18個測點，彼此間距均為2m，依次設(shè)置在共同溝上方。以實際情況為準(zhǔn)，部分區(qū)域可適當(dāng)加密測點。此后，及時獲取各點的結(jié)果，即最大沉降值，以此為依據(jù)分析總體變化規(guī)律。

土體可發(fā)揮出承受管廊荷載的作用，但伴隨開挖的持續(xù)推進，該部分土體總量逐步減少，由此引發(fā)管廊沉降變形現(xiàn)象，此時懸吊保護系統(tǒng)發(fā)揮作用，能夠有效承擔(dān)荷載。若位于管廊下方的土體已經(jīng)完全被開挖干凈，此時荷載承受狀態(tài)完全發(fā)生轉(zhuǎn)變，即懸吊保護系統(tǒng)將單獨承受荷載，此條件下管廊沉降量處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，與設(shè)計方案中所提出的原位保護要求相符。

5 懸吊方案的綜合分析

（1）實現(xiàn)對管廊變形情況的監(jiān)測，及時掌握管廊真實狀態(tài)，若出現(xiàn)異常則及時處理。

（2）施工中所用的懸吊橫梁具備剛度大的特點，能夠有效避免結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象。

（3）管廊下方至通道頂板區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的土方具備可挖除的條件，若選擇的是暗挖法施工作業(yè)，則要對該部分土方注漿，從而增強其穩(wěn)定性，但該處土體厚度不足，因此實際效果不太理想。

（4）施工中涉及的工序較少，可提高施工效率。

（5）懸吊橫梁具有多重用途，可作為支撐梁使用，無需大范圍的噴射混凝土施工，施工成本降低。

（6）挖孔樁工藝成熟，施工安全。

（7）為通道頂板的防水層施工創(chuàng)造了良好條件。

6 結(jié)束語

文章圍繞管廊原位保護問題展開探討，得出如下結(jié)論：基于ABAQUS軟件建模，對管廊懸吊系統(tǒng)、H型鋼橫梁等相關(guān)結(jié)構(gòu)展開驗算，從強度和變形兩個角度切入，結(jié)果表明與設(shè)計要求相符。原位懸吊保護技術(shù)的應(yīng)用效果較好，可確保大截面管廊的穩(wěn)定性，滿足施工要求，且操作便捷，總體來說可行性較高。