大直徑高壓電力管道原位保護施工技術(shù)研究

季 偉，李 旭，高榮輝，王沖沖，閆秀鋒

（中鐵一局集團城市軌道交通工程有限公司，江蘇無錫 214104）

1 背景

隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市化水平不斷提高，城市人口不斷增多，城市基礎(chǔ)設(shè)施已不能滿足人們的出行需求，越來越多城市開始對地下空間進行開發(fā)，建造在道路下的地鐵、公路隧道等。然而，地下空間的開發(fā)利用往往難以做到統(tǒng)籌規(guī)劃、統(tǒng)籌施工，地鐵通常規(guī)劃于城市繁華地段，處于道路、建筑物和地下管線等設(shè)施密集區(qū)，不可避免地出現(xiàn)相互影響的現(xiàn)象[1-3]。為確保工程順利實施，大量地下管線需要進行遷改，而一些重大管線則需要在基坑內(nèi)進行懸吊保護[4]。目前，國內(nèi)外在管線懸吊保護方面的研究已經(jīng)較為成熟，保護方式也有多種選擇，劉剛等[5]提出立柱樁+桁架的拼裝式組合支撐保護方式，解決了超長距離懸空保護困難的問題；朱家俊等[6]提出混凝土支撐+鋼絲繩懸吊保護體系，利用既有混凝土支撐結(jié)構(gòu)進行管線的懸吊保護；程群等[7]提出利用鋼格構(gòu)立柱+橫向鋼梁+縱向鋼梁形成門架式整體，將管線懸吊在縱向鋼梁上進行懸吊保護；張軍[8]提出沿管線方向架立雙層萬能桿件作為懸吊梁并設(shè)置吊索的方式進行電纜的懸吊保護。

本文以南京地鐵3號線明挖區(qū)間大直徑電力管道原位保護為例，對貝雷梁懸吊系統(tǒng)的原位保護方法進行研究，提出合理有效的技術(shù)措施，為我國地鐵建設(shè)中重大管線基坑內(nèi)懸吊保護施工提供參考和借鑒。

2 工程概況

南京地鐵3號線三期工程秣周東路站—和風路站明挖區(qū)間，位于秣周東路站既有區(qū)間段南，沿愛陵路南北向布設(shè)，為地下框架結(jié)構(gòu)，明挖區(qū)間總平面圖如圖1所示。明挖段基坑施工范圍有一處110 kV電力管線，東西走向，位于明挖段小里程向大里程方向8.5 m處，橫跨基坑長度12.5 m。

110 kV電力管道高壓電纜共計6根，埋深約1.65 m，管道外徑為1.8 m，壁厚為0.12 m，內(nèi)部電纜管道排管為4列×4行（管道內(nèi)徑為20 cm）+ 4孔小直徑管道（管道內(nèi)徑為10 cm），110 kV電纜布置情況如圖2所示。

3 110 kV 電力管道原位保護方案實施及驗證

3.1 電力管道原位保護方案

為保證工程施工期間高壓電纜的正常使用，明挖區(qū)間基坑施工期間，對電力管道擬采用貝雷梁懸吊法進行原位保護。整個懸吊體系由加強型貝雷梁、雙拼槽鋼、鋼螺桿、地下連續(xù)墻（以下簡稱“地連墻”）及冠梁組成。電力管道自重荷載通過雙拼槽鋼及鋼螺桿傳遞給貝雷梁，貝雷梁將荷載傳遞給兩側(cè)的冠梁和地連墻，再由地連墻將荷載傳遞給地基。貝雷梁和地連墻組成“支撐”系統(tǒng)，雙拼槽鋼和鋼螺桿組成“懸吊”系統(tǒng)，采用“撐吊結(jié)合”進行管道原位保護，形成一體。電力管道懸吊保護示意如圖3所示。

電力管道懸吊選用4排單層加強型貝雷梁，所有貝雷梁采用統(tǒng)一制式，尺寸為1.5 m×3 m，標準段長度3 m一個節(jié)段，節(jié)段間采用螺栓連接。貝雷梁架設(shè)完成后，對管線下方進行掏挖，埋設(shè)2[20b槽鋼。將電力管道懸吊于2[20b槽鋼之上（雙拼槽鋼之間采用4塊（175×175×20） mm綴板焊接，焊縫寬度不小于12 mm，綴板間距600 mm），貝雷梁上弦桿架設(shè)2[20b槽鋼，槽鋼之間采用HPB300φ22 mm鋼螺桿進行拉接、螺栓錨固，螺桿間距50 cm，錨具下設(shè)錨頭承壓板，承壓板尺寸同綴板，槽鋼之間采用50 mm角鋼相連以保證槽鋼的穩(wěn)定性，管線懸吊在貝雷梁上。貝雷片單榀長3 m，懸吊長度為12.5 m；2[20b槽鋼單根長2.2 m，間隔0.5 m鋪設(shè)。

3.2 懸吊體系力學性能分析

3.2.1 計算模型

依托本項目貝雷梁原位懸吊保護方案，使用Midas/Civil有限元軟件對貝雷梁懸吊體系在管道原位保護中進行有限元模擬分析并與現(xiàn)場測試進行對比。

電力管道恒荷載主要為混凝土管道結(jié)構(gòu)及管道內(nèi)高壓電纜自重荷載。管道結(jié)構(gòu)及內(nèi)部管線自重荷載為49.6 kN/m，貝雷梁自重荷載為3.82 kN/m，雙拼槽鋼自重荷載為4.54 kN/m，標準斷面恒荷載為57.96 kN/m，恒載分項系數(shù)取1.2，不考慮活荷載的影響，均布荷載設(shè)計值為69.56 kN/m。有限元模型如圖4所示。

3.2.2 強度及變形驗算結(jié)果

（1）貝雷梁對混凝土電力管道進行懸吊保護后產(chǎn)生的應(yīng)力云圖和變形云圖如圖5、圖6所示。由圖5可知，懸吊系統(tǒng)最大應(yīng)力集中在貝雷梁兩端腹板處和上層貝雷梁跨中處，最大應(yīng)力為162.36 MPa＜[f] = 215 MPa（[f] 為容許應(yīng)力），最大應(yīng)力滿足抗彎強度要求；由圖6可知，懸吊系統(tǒng)最大變形位于貝雷梁跨中，最大變形量為14.78 mm＜L/ 400 = 31.2 mm（L為貝雷梁跨度），跨中撓度滿足變形要求。

（2）管道下部雙拼槽鋼扁擔梁及貝雷梁上弦桿雙拼槽鋼橫梁產(chǎn)生的應(yīng)力云圖和變形云圖如圖7、圖8所示。由圖7可知，貝雷梁上弦桿雙拼槽鋼橫梁最大應(yīng)力為21.38 MPa，管道下部雙拼槽鋼扁擔梁最大應(yīng)力為39.98 MPa，最大應(yīng)力均滿足強度要求；結(jié)合圖6、圖8可知，槽鋼的撓度變形均在1.5 mm以內(nèi)，槽鋼撓度滿足變形要求。

（3）鋼螺桿產(chǎn)生的應(yīng)力云圖如圖9所示。由圖可知，懸吊最大拉應(yīng)力為15.68 kN＜22×22×3.14×300 / 4 = 114 kN，最大拉應(yīng)力滿足強度要求。

通過對貝雷梁懸吊體系強度、變形驗算，所有構(gòu)件強度、穩(wěn)定性均滿足現(xiàn)行GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》[9]要求。

4 原位保護方案施工控制難點及措施

4.1 施工控制難點分析

區(qū)間采用明挖法施工，采用800 mm地連墻圍護體系，電力管道直徑大且位于冠梁底以下，對地連墻和冠梁施工造成一定的困難。施工過程中，既要滿足各階段電力管道的變形和結(jié)構(gòu)安全要求，同時又要保證地連墻成槽、鋼筋籠吊放和混凝土澆筑正常。地連墻成槽過程中如何對電力管道保護、鋼筋籠吊裝安放是施工控制的難點。

4.2 地連墻成槽電力管廊保護

（1）導墻施工保護。圍護結(jié)構(gòu)采用地連墻施工，導墻施工期間，鋼板套盒兩端嵌入導墻內(nèi)，與導墻鋼筋焊接成整體，將管廊包入封閉的鋼箱中，保證挖土成槽及鋼筋籠吊裝過程中管廊不被碰撞影響，提高整體穩(wěn)定性及抗撞能力，管廊保護如圖10所示。受電力管廊影響的2幅地連墻采用深導墻形式，導墻底部超過管廊底部約2 m，挖機挖土施工過程中，距離管廊30 cm時采用人工開挖。

（2）地連墻成槽施工保護。地連墻成槽采用一槽三抓的成槽方案，即線纜兩側(cè)分別開挖一抓，線纜下方為第三抓，開挖的先后順序為先開挖線纜兩側(cè)的槽段，后挖除管線下方的土體，從而形成整個槽段。對于管線下部土體的抓取，利用成槽機鋼絲繩與抓斗邊緣的間距，成槽機先從管線一側(cè)下斗，然后平移至管線下部開挖。為保證成槽質(zhì)量，對抓斗進行改造，在成槽機抓斗上加裝自制斗齒，以增加挖掘?qū)挾?，成槽機抓斗改造如圖11所示。

（3）鋼筋籠分幅及吊裝施工。對受影響處地連墻重新分幅，在管廊兩側(cè)預留2.8 m的成槽范圍，用SG70成槽機進行挖土成槽。調(diào)整受影響地連墻鋼筋籠幅寬，將一整幅鋼筋籠分為2個特制公母鋼筋籠分別從管廊左右吊入槽內(nèi)在槽中合璧。與管線交叉的地連墻鋼筋籠采用“一槽兩籠”的施工工藝，將2幅鋼筋籠分別從管線左、右兩側(cè)下放，鋼筋籠采用雌雄籠鑲嵌連接，當鋼筋籠與管線標高沖突時，鋼筋籠采用“L”形，雌雄鋼筋籠如圖12所示。

4.3 貝雷梁懸吊保護操作要點

冠梁施工時預埋尺寸1200 mm×2000 mm×20 mm鋼板，貝雷梁架設(shè)于支座體系之上，拼接貝雷梁完工后，對貝雷梁進行全面檢查，在薄弱環(huán)節(jié)進行局部加強，保證穩(wěn)定。管線兩側(cè)采用加固梆固定管線，加固梆與槽鋼焊接形成整體，保證電力管線的整體穩(wěn)定性。

5 現(xiàn)場施工及沉降監(jiān)測

5.1 現(xiàn)場施工情況

電力管廊成槽保護、貝雷梁現(xiàn)場安裝及懸吊保護如圖13所示。

5.2 沉降監(jiān)測

為保證懸吊管線在基坑開挖和主體結(jié)構(gòu)施工過程中穩(wěn)定和安全，對懸吊電力管線部位進行管線變形、貝雷梁沉降變形、圍護結(jié)構(gòu)變形、周邊地表沉降等監(jiān)測。本次貝雷梁沉降觀測共布置5個監(jiān)測點，每個點位間隔3 m，分布在貝雷梁的上方，施工期間，及時分析各測點的最大沉降值及其變化規(guī)律。在基坑開挖和主體結(jié)構(gòu)施工過程中，每2天觀測1次，如數(shù)據(jù)發(fā)生突變，則加密觀測頻次。發(fā)生較大變形時需停止施工，立即啟動應(yīng)急預案，確保施工安全和懸吊管線正常使用。

經(jīng)過對實測數(shù)據(jù)整理分析，從圖14可以看出，當管道下部接觸土體開挖完成后，貝雷梁最大沉降位移為13.85 mm，與有限元數(shù)值分析結(jié)果接近，滿足電力管道的原位保護要求，說明貝雷梁懸吊體系滿足受力要求，能夠確保110 kV電力管線的正常使用和工程的安全施工。

6 結(jié)論

針對大直徑高壓電力管廊橫跨地鐵工程基坑的原位保護問題，本文通過運用Midas/Civil有限元數(shù)值模擬和現(xiàn)場沉降監(jiān)測手段，研究貝雷梁原位懸吊保護在地鐵施工中管線原位保護的相關(guān)問題，得出以下結(jié)論。

（1）運用Midas/Civil有限數(shù)值模擬軟件，建立了大直徑電力管道原位懸吊保護有限元分析模型，施加荷載和邊界約束條件。同時，通過理論計算和數(shù)值模擬對貝雷梁、上下部雙拼槽鋼鋼橫梁和扁擔梁、鋼螺桿進行強度和變形驗算，驗算結(jié)果符合材料強度和變形指標。

（2）采用貝雷梁懸吊保護系統(tǒng)對大直徑高壓電力管道進行原位保護可操作性強，安全性高，懸吊保護傳力體系可靠，能夠解決地鐵施工過程中大型市政管線遷改困難、遷改周期長、費用高等難題。施工流程包含地連墻和冠梁施工、貝雷梁架設(shè)施工、開挖懸吊保護3個步驟，施工工藝成熟。

（3）根據(jù)現(xiàn)場沉降觀測數(shù)據(jù)，當電力管道下土方挖除后，懸吊系統(tǒng)和管道的變形均在安全范圍內(nèi)，滿足原位保護要求，證明了該貝雷梁懸吊保護方案的可行性，相關(guān)研究可為類似工程提供參考和借鑒。