市政管線對(duì)深基坑設(shè)計(jì)的影響及解決方案

姚 亮

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 天津 300308）

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，越來(lái)越多人進(jìn)入大城市，而城市交通擁堵、環(huán)境污染問題也日益嚴(yán)重。軌道交通作為緩解城市交通壓力、降低運(yùn)輸能耗、減少環(huán)境污染、節(jié)省土地資源的國(guó)際通行手段，成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的大城市公共交通建設(shè)的重要內(nèi)容［1］。地鐵亦具備安全、準(zhǔn)點(diǎn)、便捷等優(yōu)勢(shì)，也成為了民眾出行的首選方式。

然而，地鐵車站在建造過(guò)程中會(huì)遇到大量管線，管線遷改難度大、周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，往往成為制約車站實(shí)施的難題，如何解決該難題是基坑工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的問題。本文通過(guò)工程實(shí)例，介紹了深基坑設(shè)計(jì)時(shí)機(jī)場(chǎng)輸油管、220 kV 高壓線塔的保護(hù)方案以及高壓線影響下連續(xù)墻的鋼筋籠分節(jié)方案，為后續(xù)類似條件下工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

某車站位于廣州市黃埔區(qū)科豐路、水西路及開創(chuàng)大道交叉路口，為21 號(hào)線與6 號(hào)線的換乘站，21 號(hào)線車站沿南北向敷設(shè)。車站在21 號(hào)線和6 號(hào)線交叉的東南象限內(nèi)設(shè)置聯(lián)絡(luò)線，東北端連接6 號(hào)線兩層車站線路右線，西南端連接21 號(hào)線三層車站線路右線。21 號(hào)線車站為地下3 層結(jié)構(gòu)，車站總長(zhǎng)315.4 m，車站主體被6號(hào)線已實(shí)施換乘節(jié)點(diǎn)分為南、北兩個(gè)部分，車站總平面如圖1所示。

車站北端結(jié)構(gòu)上方有一條管徑φ273mm 的機(jī)場(chǎng)輸油管線斜跨21號(hào)線車站，如圖2所示。斜跨段管線長(zhǎng)度約26.7 m，埋深約3.5 m 左右，該輸油管是廣州白云機(jī)場(chǎng)唯一的供油管線，不具備遷改條件。

車站東側(cè)有兩座高壓線塔，每座高壓線塔分別有兩排220 kV架空高壓線（見圖1），其中聯(lián)絡(luò)線東側(cè)高壓線離地高度約為30 m，西側(cè)高壓線離地高度約為22 m。

車站基坑寬度為23.2～28.5 m，基坑開挖深度為25.2～26.8 m。根據(jù)勘察成果，此段基坑開挖范圍地層主要有〈5H-2〉花崗巖殘積土、〈6H〉花崗巖全風(fēng)化層、〈7H〉花崗巖強(qiáng)風(fēng)化層，根據(jù)廣州花崗巖地區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)，此類地層存在遇水易軟化崩解特性［2］，基坑施工期間易出現(xiàn)變形過(guò)大甚至超出控制值的情況。

因此，綜合車站基坑規(guī)模及深度、周邊控制性管線、地質(zhì)條件等因素，基坑設(shè)計(jì)時(shí)如何對(duì)輸油管、高壓線塔進(jìn)行保護(hù)是設(shè)計(jì)階段應(yīng)重點(diǎn)考慮的問題，根據(jù)《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范：GB 50652—2011》［3］和《城市軌道交通工程建設(shè)安全風(fēng)險(xiǎn)管控和隱患排查治理規(guī)范：廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T 15-230—2021》［4］，輸油管的保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)被列為廣州地鐵集團(tuán)級(jí)風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)。

2 設(shè)計(jì)重難點(diǎn)

2.1 輸油管保護(hù)設(shè)計(jì)

青島“11.22”輸油管爆炸事故［5］給當(dāng)?shù)厝嗣裆柏?cái)產(chǎn)安全造成了巨大的損失，給整個(gè)社會(huì)留下了慘痛的事故教訓(xùn)，本站范圍的機(jī)場(chǎng)輸油管作為廣州白云機(jī)場(chǎng)唯一的供油管道，其重要性不言而喻，輸油管保護(hù)方案的設(shè)計(jì)也成為本站能否順利實(shí)施的關(guān)鍵點(diǎn)。

另外，輸油管斜跨基坑位置處連續(xù)墻無(wú)法施工，會(huì)導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)不閉合，進(jìn)而影響基坑開挖安全，如何處理也是設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。

2.2 高壓線塔保護(hù)

車站及聯(lián)絡(luò)線基坑范圍存在兩座高壓線塔，東、西側(cè)線塔距離車站主體基坑、聯(lián)絡(luò)線基坑分別約為16.2 m、3.3 m 和14.9 m，基坑施工期間勢(shì)必會(huì)引起周邊環(huán)境發(fā)生變化，進(jìn)而引起高壓線塔沉降，可能會(huì)影響高壓線安全運(yùn)營(yíng)。因此，如何確保高壓線塔安全成為本基坑設(shè)計(jì)時(shí)考慮的重點(diǎn)。

2.3 高壓線影響

由于車站基坑深度深，主體段圍護(hù)結(jié)構(gòu)連續(xù)墻高約34 m，而西側(cè)架空高壓線離地僅為22 m，根據(jù)《電力安全工作規(guī)程：GB 26859—2011》［6］第9.7.3 條的相關(guān)規(guī)定，220 kV 高壓線安全距離為6 m，因此，如何確保連續(xù)墻安全施工，需要設(shè)計(jì)考慮并提出可行方案。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 輸油管保護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)權(quán)屬單位要求，車站范圍的輸油管不能廢棄，亦不能遷改，因此，管線原位懸吊保護(hù)方案成為唯一之選。但存在兩個(gè)問題：斜跨基坑段輸油管長(zhǎng)度達(dá)26.7 m，懸吊方案設(shè)計(jì)需同時(shí)滿足懸吊系統(tǒng)自身及管線安全性；車站基坑屬于大型深基坑，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 m 厚地下連續(xù)墻，由于輸油管斜跨基坑，輸油管位置處連續(xù)墻無(wú)法施工，會(huì)導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)不閉合，進(jìn)而影響基坑開挖安全。

3.1.1 管線懸吊

針對(duì)第一個(gè)問題，采用貝雷梁+U 形吊箍進(jìn)行懸吊保護(hù)［7］。貝雷梁是用貝雷架組裝成的桁架梁，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、互換性好、拆裝方便、架設(shè)速度快、載重量大、安全性高等特點(diǎn)，常用于架設(shè)臨時(shí)便橋、橋梁搶修等，其最大跨徑可達(dá)69 m［8］。

具體懸吊方案為：采用單層標(biāo)準(zhǔn)貝雷梁進(jìn)行懸吊，貝雷梁為3 m 一節(jié)，斜跨基坑長(zhǎng)度26.7 m，設(shè)計(jì)冠梁寬度為1 m，故選用30 m 長(zhǎng)貝雷梁（分兩跨），基坑中部設(shè)置臨時(shí)立柱作為貝雷梁中間支撐。貝雷梁上部設(shè)置雙拼工22a 型鋼橫梁，橫梁間距1.5 m，每組橫梁上設(shè)置U 形吊筋，U 形筋頂部車絲并安裝螺母及墊片，施工期間可根據(jù)管線變形情況通過(guò)調(diào)節(jié)螺母來(lái)實(shí)現(xiàn)輸油管“零沉降”。航油管底部與U 形箍之間放置橡膠墊進(jìn)行隔離保護(hù)，如圖3、圖4所示。

3.1.2 交叉處連續(xù)墻設(shè)計(jì)

對(duì)于第二個(gè)問題，需要解決連續(xù)墻封閉問題，確保基坑施工期間的安全。因受輸油管影響，無(wú)法使用成槽機(jī)從地面進(jìn)行成槽，考慮兩側(cè)連續(xù)墻成槽期間的安全距離，輸油管位置預(yù)留2.5 m 寬槽段進(jìn)行特殊處理，該段連續(xù)墻深度約22 m（管線下方至基坑底），這里提出兩種方案：①整體澆筑法，與輸油管交叉處的連續(xù)墻采用明挖豎井開挖成槽，豎井基坑外側(cè)采用3 排φ800@650三管旋噴樁加固土體，在輸油管附近采用φ48袖閥管注漿加固，豎井采用格柵鋼架+噴射混凝土進(jìn)行支護(hù)，豎井開挖至基底后整體澆筑該段連續(xù)墻。②豎向分段逆作法，連續(xù)墻外側(cè)采用φ800@600 的三重管旋噴樁加固土體，同時(shí)設(shè)置4 排φ108 鋼管樁加固，之后逆作施工交叉處的連續(xù)墻。如圖5、表1所示。

表1 交叉處連續(xù)墻方案對(duì)比Tab.1 Scheme Comparison of Continuous Wall at Intersection

工程實(shí)施階段，由于本站工期壓力較大，采用逆作墻方案施工工序更簡(jiǎn)單、工期較短，雖然施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)高一些，但通過(guò)施工過(guò)程中的嚴(yán)格管理、風(fēng)險(xiǎn)控制和及時(shí)有效的應(yīng)急措施，可將風(fēng)險(xiǎn)控制在較小范圍內(nèi)。

3.1.3 實(shí)施階段的改進(jìn)

采用逆做墻方案之后，旋噴樁加固體的施工質(zhì)量成為了逆做墻施工期間安全的關(guān)鍵所在。三管旋噴試樁后經(jīng)取芯檢測(cè)，成樁效果較差，成樁直徑僅能達(dá)到0.3 m，無(wú)法實(shí)現(xiàn)咬合，加固體施工質(zhì)量也達(dá)不到基坑開挖所需要的條件。后經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研，將三管旋噴樁改進(jìn)為更先進(jìn)的MJS工法進(jìn)行加固。MJS工法又稱全方位高壓噴射注漿技術(shù)，主要特點(diǎn)是：通過(guò)監(jiān)測(cè)噴射點(diǎn)附近地層壓力變化，反饋控制特有的排漿管閥門泄壓或保壓，控制地層沉降和隆起；同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)高標(biāo)貫土層中大樁徑、垂直施工大深度、管道排漿零污染［9］，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用上，垂直方向施工長(zhǎng)度已達(dá)60 m，在廣州市南沙區(qū)某綜合管廊項(xiàng)目中水平MJS 工法樁已超過(guò)100 m并取得較好加固效果［10］。鑒于MJS工法具有以上優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了一次試樁，根據(jù)抽芯監(jiān)測(cè)情況來(lái)看，加固效果良好，成樁樁徑可達(dá)1.5 m 以上，即采用MJS 工法代替三管旋噴樁可以滿足對(duì)輸油管保護(hù)的同時(shí)，還能達(dá)到基坑開挖所需地層加固效果的要求。

因此，將原三管旋噴樁加固方案改進(jìn)為在連續(xù)墻與輸油管相交處外側(cè)施做兩排直徑1.5 m的MJS樁，旋噴角度360°，搭接400 mm，加固深度至基底下8.0 m，并在加固體中插入三排φ108 鋼管加強(qiáng)，后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)基坑開挖驗(yàn)證，采用MJS 加固是可靠的，確保了后續(xù)施工的安全，控制了風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 高壓線塔保護(hù)

基坑附近的2 處高壓線塔基礎(chǔ)為4 根預(yù)制管樁，且無(wú)鋼筋混凝土承臺(tái)。6號(hào)線車站基坑開挖過(guò)程中在基底遇到3處風(fēng)化破碎帶，基坑涌水量較大，致使基坑外地層失水嚴(yán)重，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示東側(cè)高壓線塔基礎(chǔ)沉降已達(dá)24 mm，西側(cè)高壓線塔沉降相對(duì)稍小。6 號(hào)線基坑距離高壓線塔分別為19.5 m、50.3 m，而21號(hào)線主體及聯(lián)絡(luò)線基坑距離高壓線塔分別為16.2 m、3.3 m 和14.9 m，距離更近，基坑施工過(guò)程中需對(duì)高壓線塔采取必要的保護(hù)措施。

首先，保護(hù)方案要盡量減少高壓線塔的整體沉降，避免出現(xiàn)樁基不均勻沉降。每處高壓線塔均有4根預(yù)制管樁，為解決不均勻沉降問題，首先在管樁頂部新增鋼筋混凝土連梁，以增強(qiáng)高壓線塔基礎(chǔ)的整體性。

然后，采用雙排φ600@450 雙管旋噴樁作為止水帷幕，布置在高壓線塔的基礎(chǔ)以外2.0 m，在止水帷幕與基礎(chǔ)之間采用單排φ48袖閥管跟蹤補(bǔ)償注漿加固基礎(chǔ)，孔距1.0 m。注漿控制標(biāo)準(zhǔn)為：基礎(chǔ)沉降速率大于0.5 mm/d或累計(jì)沉降量超過(guò)10 mm，即進(jìn)行注漿，注漿隆起量限于2 mm之內(nèi)。保護(hù)方案如圖6所示。

最后，施工過(guò)程中人員及機(jī)械應(yīng)保證與高壓線間的保護(hù)距離，注意施工安全；對(duì)高壓線塔基礎(chǔ)進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測(cè)，位移、變形出現(xiàn)較大變化時(shí)應(yīng)采取應(yīng)急措施及時(shí)處理。

通過(guò)一系列的保護(hù)措施，最終21號(hào)線車站施工完成時(shí)高壓線塔最大沉降約48 mm，高壓線塔未出現(xiàn)明顯傾斜，沉降及傾斜值都滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50007—2011》要求。

3.3 鋼筋籠分節(jié)吊裝設(shè)計(jì)

車站聯(lián)絡(luò)線擴(kuò)大段主體連續(xù)墻有約34 m 處于高壓線影響范圍內(nèi)，此范圍下施工均需要考慮高壓電的安全保護(hù)距離。

3.3.1 分節(jié)高度的確定

主體擴(kuò)大段連續(xù)墻約34 m高，根據(jù)承包商提供的數(shù)據(jù)：從吊機(jī)大臂頂?shù)降蹉^極限距離2.0 m；根據(jù)吊裝規(guī)范要求吊鉤到扁擔(dān)梁角度至少60°，籠寬按6.0 m計(jì)，吊鉤到扁擔(dān)梁距離為6.0×sin60°=5.2 m，扁擔(dān)到鋼筋籠至少1.0 m，鋼筋籠底部留1.0 m高度用于接籠，這樣高壓線下沒有足夠空間來(lái)整體吊裝鋼筋籠，因此鋼筋籠施工時(shí)必須進(jìn)行分段吊裝［11］，才能滿足安全要求，鋼筋籠分節(jié)高度不應(yīng)大于22-6-2-5.2-1-1=6.8 m。

以上計(jì)算是按照最極限操作考慮，實(shí)際操作應(yīng)考慮增加安全操作空間，因此高壓線影響下鋼筋籠分節(jié)高度取5.0 m。

3.3.2 分節(jié)連接方式

鋼筋籠分節(jié)連接方式有鋼筋接駁器和連接鋼板兩種方案，兩種方案的對(duì)比如表2所示。

經(jīng)比選，為降低施工難度、縮短施工時(shí)間、保證鋼筋籠連接質(zhì)量，推薦采用鋼板進(jìn)行連接。

3.3.3 鋼板厚度的確定

鋼板厚度計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖7所示。

其中d為鋼筋直徑，焊縫寬度為b=0.6d，c=［（0.6d）2-（0.5d）2］0.5=0.331 7d；

焊縫厚度s=0.5d/0.3317d×0.3d=0.45d＞0.35d，h=d/2+c=0.831 7d。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50017—2017》［12］，角焊縫的焊腳尺寸不宜大于較薄焊件厚度的1.2 倍，h≤1.2t，則t≥h/1.2=0.693d≈0.7d；

鋼筋與鋼板搭接焊時(shí)，鋼板厚度不小于0.7d。

主體連續(xù)墻受力主筋d=28 mm，因此鋼板厚度t=0.7×28=19.6 mm≈20 mm。

3.3.4 鋼板寬度取值

連接鋼板需連接上下段鋼筋籠豎向筋，鋼筋直徑為28 mm，焊縫長(zhǎng)度10d，則鋼板寬度至少需要10×28×2=560 mm，加上焊接時(shí)起焊、終焊的長(zhǎng)度，考慮一定施工誤差富余量后，確定鋼板寬度為800 mm。如圖8所示。

采用上述方案之后，成功解決了高壓線下鋼筋籠分節(jié)吊裝問題。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)車站深基坑范圍內(nèi)輸油管、高壓線塔保護(hù)方案的介紹，以及高壓線影響下鋼筋籠分節(jié)方案的分析，得出如下結(jié)論：

⑴航空輸油管作為本深基坑工程設(shè)計(jì)時(shí)的重大風(fēng)險(xiǎn)源，采用貝雷架+U 形箍筋原位懸吊保護(hù)方案，實(shí)現(xiàn)了基坑施工期間管線的“零沉降”。

⑵對(duì)于受管線影響無(wú)法從地面成槽的連續(xù)墻，可采用逆做連續(xù)墻施工工藝，同時(shí)需選擇合理的地層加固工法，試樁是判定加固工藝是否合理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；對(duì)于深基坑工程而言，為保證地層加固效果，MJS加固工法是一種較優(yōu)的選擇。

⑶對(duì)于臨近深基坑工程的高壓線塔保護(hù)，首先應(yīng)避免高壓線塔出現(xiàn)不均勻沉降，采取措施使基礎(chǔ)形成一個(gè)整體；其次可采用隔離樁+袖閥管跟蹤注漿保護(hù)方式盡量減少基坑施工對(duì)其帶來(lái)的不利影響，以保證高壓線運(yùn)營(yíng)安全。

⑷對(duì)于高度受限的地下連續(xù)墻，設(shè)計(jì)階段需考慮鋼筋籠分節(jié)設(shè)計(jì)，分節(jié)接頭采用鋼板連接方案是一種工藝簡(jiǎn)單、精度要求低的方式，便于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。