復雜環(huán)境下明挖基坑砌體管井保護技術

周書東，張彤煒，劉 亮，麥鎮(zhèn)東 ，陽鳳萍

（1、東莞市建筑科學研究所廣東東莞523820；2、東莞市莞城建筑工程有限公司廣東東莞523073）

既有地下管線穿越基坑時，需要對穿越地下通道的未知管線進行處理，當某些管道難以遷移或重要性較高的管道無法遷移時，需進行懸吊保護。由于管井通常連接多條管道，如采用管線遷改施工則產(chǎn)生施工周期長、工程成本高等問題。與傳統(tǒng)管井遷移方法相比，管井懸吊保護技術具有工期短、避免回遷作業(yè)、降低工程成本等優(yōu)點，社會效益和經(jīng)濟效益顯著。

砌體管井作為受壓不受拉結構，需依據(jù)砌體結構的力學特性和工程特點，采取合理的懸吊保護方案，防止砌體管井開裂甚至破壞。本文以東莞某工程地下空間通道為例，總結分析砌體管井保護技術，為類似工程提供借鑒。

1 工程背景

本文的管井保護技術研究以東莞市某地下空間通道的砌體管井懸吊保護工程為例，基坑工程為明挖基坑，支護形式為支護樁+內支撐支護，基坑開挖深度為11.82 m，寬度為7.2 m。需懸吊保護對象為一雨水管及相連管井（砌體），管道斜橫穿基坑內部，跨度約11.60 m，其平面位置如圖1所示。雨水管直徑為1.6 m，地面算起埋深為3.1 m，砌體管井直徑2.7 m，埋深約為3.6 m。

圖1 管井管道平面分布Fig.1 Plane Distribution of Pipe Well

由于保護對象為重要雨水管及砌體管井，同時地下通道基坑直接與地鐵通道銜接，導致大直徑給水管無管線改遷空間，只能進行懸吊保護，其中砌體管井為本次懸吊保護的重點。

2 砌體管井懸吊保護技術的設計思路

2.1 砌體管井懸吊方案的整體設計思路

根據(jù)管線物探結果，管井的側壁為115 mm 厚的磚砌體，底板為120 mm 厚的鋼筋混凝土底板。方案設計需要考慮砌體管井的強度及變形問題。為解決該技術性難題，本懸吊保護方案決定采用內外吊板+承重梁柱方案（見圖2、圖3），該技術通過設置內外吊板，將砌體管井進行加強及保護，懸吊過程中保持砌體管井處于受壓狀態(tài)，將主要受力傳遞給內外吊板，保證砌體管井整體結構的安全。同時設置承重梁柱對砌體管井進行支撐保護，增加結構安全的富余度，保證結構的安全，克服常規(guī)砌體結構懸吊保護過程中帶來的結構破壞、變形過大等問題。

圖2 管井懸吊保護方案Fig.2 Pipe Well Suspension Protection Scheme

圖3 砌體管井懸吊保護Fig.3 Masonry Pipe Well Suspension Protection

2.2 砌體管井懸吊保護結構構件組成［1］

管井懸吊保護結構由內吊板、外吊板、鋼繩索、承重梁柱、承重鋼管梁組成，如表1所示。

表1 砌體管井懸吊保護結構的構件類型Tab.1 Component Types for Masonry Pipe well Suspension Protection Structures

內吊板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土板（圓板），設置于管井內底部，緊貼砌體管井底板上方。鋼筋擺放為雙層雙向鋼筋，雙層雙向鋼筋穿透砌體管井側壁以便與外吊板現(xiàn)澆混凝土形成整體，通過內吊板提供內吊拉力的作用位置，避免砌體管井底板受力，實現(xiàn)保護砌體管井底板的目標。

外吊板為采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土板（環(huán)形），設置于管井外底部，緊貼砌體管井外底部。外吊板主要由底板及護角組成，環(huán)形板寬度約為0.4～0.6 m，設置單層雙向底托鋼筋，厚度為200 mm，底板的底托鋼筋主要由部分內吊板鋼筋伸出，保證內外吊板的整體性；護角由底板從豎向伸出，高度約為1 m，厚度為200 mm，緊貼管井側壁，內吊板底部鋼筋穿插側墻作為外吊板底板的鋼筋，豎向受力鋼筋外露外吊板以便與懸吊鋼筋進行連接。施工時需對砌體管井進行局部開挖，按吊板的尺寸進行開挖再進行支模、鋼筋布置及澆筑混凝土。

內吊板及外吊板示意如圖4所示。

承重梁柱作為增加砌體管井懸吊保護結構安全富余度的構件，主要由承重梁、承重柱及墊塊組成，承重梁為雙拼工字鋼，承重柱為鋼管柱，鋼墊塊為鋼板。后續(xù)可根據(jù)管井沉降的大小進行動態(tài)化施工，提供相應的支撐力。開挖土體前對進行鋼管樁施工后方可進行開挖，懸吊保護結構完成后，繼續(xù)開挖并設置承重梁，設置墊塊至底板底，繼續(xù)開挖。

鋼繩索由于具有包裹能力強、易穿過管道底部土體且施加預應力方便等優(yōu)點，故對管道進行保護時使用鋼繩索懸吊保護［2］。

承重鋼管梁通過兩側支護樁的冠梁作為承載支點，采用大直徑鋼管梁為受力構件，提供鋼繩索作用支點。

3 懸吊保護結構計算要點

按照工程實際情況，對砌體管井懸吊保護結構進行模擬分析，本次采用手算及電算進行不同部位的計算，電算使用有限元軟件ABAQUS6.12-1 對管井進行三維模擬，以最不利工況進行考慮，假定鋼管梁為滑動支座，承重鋼管梁兩側鉸接不動支座，如圖5所示。

3.1 荷載取值（標準值）

管線重量1.226 kN/m；承重鋼管梁自重5.98 kN/m；管內水荷載11.31 kN/m；管井集中力148.72 kN；管內水集中荷載114.511 kN；懸吊裝置綜合荷載（吊繩掛板等）1 kN/m；施工荷載1 kN。

最不利情況（滿水情況）［3］，按11.6 m 長均布荷載計算，管井距離支座處1.5 m。恒載分項系數(shù)取1.3，活載分項系數(shù)取1.5。

圖5 砌體管井及管道懸吊結構三維模型Fig.5 3D Model of Masonry Pipe Well and Pipe Suspension Structure

3.2 承重鋼管梁驗算

對承重鋼管梁進行跨中彎矩、支座剪力、最大變形的計算，考慮的荷載有承重鋼管梁自重、管線自重及水荷載、管井集中力及水荷載，其計算簡圖及結果如圖6、圖7所示。

圖6 承重鋼管梁荷載Fig.6 Load-bearing Steel Tube Beam

圖7 承重鋼管梁內力Fig.7 Internal Force of Load-bearing Steel Tube Beam

3.2.1 跨中彎矩最大處

最大正應力σ=-28.920 MPa≤f=215 MPa；平均剪應力τ=0.725 MPa≤fv=125 MPa；強度驗算均滿足要求。

3.2.2 支座剪力最大處

最大正應力σ =0.000 MPa≤f=215 MPa；平均剪應力τ=14.300 MPa≤fv=125 MPa；強度驗算均滿足要求。

3.2.3 支座剪力最大處

最大撓度15.747 mm＜23.200 mm（11 600/500）；所有驗算項目均滿足要求。

3.3 內外吊板混凝土結構驗算

3.3.1 內吊板計算

為簡化計算，將圓形混凝土簡化為簡支條形板，跨度為吊板直徑，板厚為400 mm，兩邊支承情況為簡支，承受荷載為管井自重、水荷載，最不利工況為滿水荷載情況（2.7 m水頭），對其進行受彎計算，根據(jù)受彎結果進行配筋，使其結果滿足要求（計算結果不細述）。

3.3.2 外吊板

外吊板部分為承受管井底板自重部分，簡化為懸挑板計算，懸挑部分承擔砌體管井底板的自重部分，對其進行受彎計算，根據(jù)受彎結果進行配筋，使其結果滿足要求（計算結果不細述）。

3.4 承重梁柱結構驗算

承重梁柱作為增加富余度角度考慮，支撐梁為兩端鉸接考慮，支撐柱按軸心受壓構件計算。

⑴ 承重梁驗算同承重鋼管梁相同，進行彎矩、剪力、撓度計算，設計過程中可根據(jù)安全度增加多少確定荷載大小，如考慮增加的安全度為50%荷載，則考慮50%的荷載，設計過程中考慮荷載管線自重及水荷載、管井的自重及水荷載。

⑵ 承重柱的驗算主要為軸心受壓強度驗算及受壓穩(wěn)定驗算，受壓構件約束為鉸接，設計過程中考慮的荷載為承重梁傳遞的荷載。

3.5 砌體管井的鋼繩索驗算

通過ABAQUS6.12-1 對管井進行三維模擬，在最不利情況（滿水情況）下，對管井的鋼筋、管道的鋼繩索進行強度及位移驗算，同時對手算結果進行復核。其計算結果如圖8所示。

圖8 砌體管道及管井應力、位移分布Fig.8 Stress and Displacement Distribution of Masonry Pipes and Wells

鋼繩索最大應力σ=4.517 MPa≤360 MPa，最大位移S=21.33 mm＜23 mm，鋼繩索及管井應力應變符合要求。

4 砌體管井懸吊施工要點

4.1 砌體管井懸吊保護施工要點［4］

砌體管井施工流程如下：①物探方式對管道及管井進行定位，確定位置→②施工基坑兩側支護，設置承重鋼管梁，后開挖至管道底部，設置鋼繩索將管道與承重鋼管梁連接→③設置內外吊板并與承重鋼管梁進行連接→④施工承重梁柱及墊片，繼續(xù)開挖土體→⑤施工地下構筑物，對承重梁柱進行預留洞后澆筑→⑥回填土體至外吊板底并壓實土體，移除承重梁柱及吊板鋼繩索→⑦回填土體至連接管井并壓實土體，移除管道鋼繩索及承重鋼管梁→⑧回填土體至地面高程，工程完畢。開挖過程中，其懸吊保護結構的主要流程如圖9所示。

各施工要點如下：

⑴ 物探方式對管道及管井進行定位，確定位置：人工進行清除臨時障礙物，進一步確定管線位置、高程，確定懸吊保護管線的空間是否足夠，是否有其他管線影響。

⑵ 施工基坑兩側支護［5］，設置承重鋼管梁，后開挖至管道底部，設置鋼繩索將管道與承重鋼管梁連接：施工基坑兩側支護樁，根據(jù)設計要求，利用吊裝設備將承重鋼管梁吊運至指定位置，承重鋼管梁走向與管井與管道的走向對應，保持正中心位置，拼裝時，用汽車吊和人工輔助進行拼裝，并進行支座固定措施保證承重鋼管梁不發(fā)生滑移。開挖過程中注意分層0.5 m進行開挖［6］，開挖至管井底部。利用鋼繩索將承重鋼管梁與管道連接。最后設置管線沉降觀測點。

鋼繩索預拉，通過鋼繩索預拉完成內外吊板與承重鋼管梁的連接［7］。對于鋼繩索的預拉應滿足如下規(guī)定：①鋼繩索的預拉力可根據(jù)計算結果進行確定，需滿足強度及位移要求；②鋼絞線束采用整體張拉鎖定的方式；③鋼繩索使用前應進行試張拉檢驗，滿足要求后方可使用；④張拉的加載速率應控制在0.1 Nk/min，同時保持鋼繩索位移與壓力表壓力保持穩(wěn)定；⑤考慮鎖定過程中的預應力損失，可通過鎖定前、后鋼繩索拉力的測試確定，缺少測試的，鋼繩索拉力可取鎖定值的1.05～1.15倍。

⑶ 設置內外吊板并與承重鋼管梁進行連接：開挖過程中注意分層0.5 m 進行開挖，開挖至砌體管井底部［8］。施工內吊板時，對管道進行短時間封堵，并進行排氣處理。工作人員掏挖管井底部土體，掏土范圍為外吊板覆蓋范圍，開挖過程中保持管井底部土體的承載力及沉降在控制范圍內，并設置臨時支點支撐。按圖紙布置鋼筋并架設模板，施工前清除底部的沉泥、沉積物等并澆筑混凝土。待鋼筋混凝土齡期強度滿足規(guī)范要求方可進行拆模。

⑷ 施工承重梁柱及墊片，繼續(xù)開挖土體：架設管井兩側鋼管樁，裝配雙拼槽鋼，根據(jù)管井沉降情況采用頂升裝置增設墊片。挖過程中注意分層0.5 m 進行開挖，開挖至地下結構底部。土體松動或出現(xiàn)嚴重滲水時，應進行檢查，各項檢查無誤后進行下一步工作。

⑸ 施工地下構筑物，對承重梁柱進行預留洞口后澆筑：根據(jù)結構施工圖進行結構施工，承重柱與地下結構相交位置處采用預留洞口后澆方式進行作業(yè)。

⑹ 回填土體至外吊底板底并壓實土體，移除承重梁柱及吊板鋼繩索。回填土體至管井底部并壓實，必要時管井底部可采取注漿加固，拆卸承重梁，再拆卸承重柱，卸載內外吊板鋼繩索。

⑺ 回填土體至連接管井并壓實土體，移除管道鋼繩索及承重鋼管梁：回填土體至連接管道并壓實，必要時管道底部可采取注漿加固，拆卸鋼繩索，解除承重鋼管梁固定措施，并利用25 t 汽車吊和人工輔助進行拆卸。

圖9 開挖過程中砌體管井懸吊保護流程Fig.9 Flow Chart of Masonry Pipe Well Suspension Protection during Excavation

⑻ 回填土體至地面高程，工程完畢?；靥钔馏w至地面高程并壓實，按規(guī)范規(guī)定進行分層壓實，在回填過程中注意管線管道是否發(fā)生較大沉降，必要時進行注漿加固。施工現(xiàn)場如圖10所示。

圖10 砌體管井懸吊保護實物Fig.10 Physical of Masonry Pipe Well Suspension Protection

4.2 施工準備要點

⑴ 制定詳細的管線保護方案，并切實予以執(zhí)行，保證施工期間管線的加固和懸吊的安全和正常使用。

⑵ 開挖施工前，使用管線探測儀仔細對施工位置進行探測。

⑶ 做好基坑周邊管線的保護和安全監(jiān)測工作，遇到問題及時處理。

⑷ 做好原材料的檢測工作。

4.3 施工過程中監(jiān)測要點

加強施工監(jiān)測措施。施工過程中，及時布設位移和沉降監(jiān)測點，按規(guī)范要求進行布點，同時按規(guī)范的頻率進行監(jiān)測，超出預警值應及時進行處理。

監(jiān)測過程中主要監(jiān)測項目如表2所示。

施工開始后，在管線上方布設沉降監(jiān)測點，并在整個管線保護期間內定期進行監(jiān)測。施工過程中對保護管線的監(jiān)測頻率為開挖期間1 d/次，其余時間2 d/次，至回填到頂結束，如施工現(xiàn)場發(fā)生特殊情況，則要加強監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)及時通報相關單位。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，與設計施工單位共同分析，如管線沉降超過允許值，則通過可調節(jié)預應力大小調整管線標高，實現(xiàn)動態(tài)化的設計及施工［9］，本項目管道的變形位置最大處的位移變化如圖11所示，16 mm 小于規(guī)范值23 mm，滿足規(guī)范要求，不需要調整預應力。

表2 監(jiān)測項目、監(jiān)測頻率及要求Tab.2 Monitoring Items，monitoring frequency and Requirements

圖11 管道最大變形處位移監(jiān)測變化Fig.11 Change of Displacement Monitoring at the Maximum Deformation of the Pipeline

整個懸吊過程中應對管線沉降進行監(jiān)測，管線接頭處及位移變化敏感部位均須布點。除此之外，對周邊環(huán)境的地下水、樁頂水平位移及沉降、樁體變形等項目的監(jiān)測，結合支護結構的受力和變形狀態(tài)，評估懸吊保護結構及管線是否受到影響，以便及時應對。

4.4 通風及照明安全防護要點［10］

井位開挖施工深度超過4 m 時，必須采取通風措施，要用鼓風機連續(xù)向井內送風，風管口要求距井底2 m左右，井內照明采用防爆燈泡，燈泡離井底2 m。

當井位開挖較深而井內光線較暗時，井內作業(yè)應采用12 V 安全電壓、100 W 防水帶罩燈泡，由防水絕緣電纜線引下進行照明。同時現(xiàn)場應設置發(fā)電機，井內設置安全礦燈或應急燈以備臨時停電的應急照明，以便井底人員及時安全地撤回地面。

4.5 有限空間作業(yè)施工要點

實施有限空間作業(yè)前應嚴格執(zhí)行“先檢測，后作業(yè)”的原則，根據(jù)施工現(xiàn)場有限空間作業(yè)實際情況，對有限空間內部可能存在的危害因素進行檢測。在作業(yè)環(huán)境條件可能發(fā)生變化時，對作業(yè)場所中的危害因素進行持續(xù)或定時檢測。并根據(jù)檢測結果對作業(yè)環(huán)境危害狀況進行評估，控制、消除危害，保證整個作業(yè)期間處于安全受控狀態(tài)。

5 小結

砌體管井的懸吊保護是施工過程中的重點難點，由于砌體宜受壓不宜受拉，懸吊方法處理不當容易導致管井發(fā)生破壞，影響較大。通過本工程案例對雨水砌體管井的懸吊保護施工方法進行分析，為類似的工程提供借鑒，值得推廣，其結論如下：

⑴ 與常規(guī)的懸吊保護方式相比，本砌體管井懸吊保護結構施工，無需現(xiàn)場對既有管井進行拆除（常規(guī)做法為拆除）及遷改，受力明確，安全程度高，縮短整個施工作業(yè)時間，減少繁重、復雜的遷改作業(yè)，經(jīng)濟效益良好。

⑵ 本技術采用內吊底板及外吊底板對砌體管井進行保護，直接在現(xiàn)場通過鋼繩索將承重鋼管梁與管道及管井連接，保持管井砌體始終處于受壓狀態(tài)，避免砌體管井受拉而產(chǎn)生裂縫，提高安全富余度。

⑶ 本技術通過設置承重梁柱，對懸吊結構保護進一步保護，增大懸吊保護的安全度，后續(xù)可根據(jù)管井沉降的大小進行動態(tài)化施工，提供相應的支撐力。

⑷ 施工過程中加強管道及管井的監(jiān)測，在加強周邊環(huán)境監(jiān)測的基礎上，重點監(jiān)測懸吊保護結構中鋼繩索的應力及管井管道的位移。

⑸ 施工過程中需滿足管井的通風、照明要求，同時在有限空間作業(yè)中遵循“先檢測后作業(yè)”的原則，安全作業(yè)。