某过江隧道深基坑工程重要管线保护施工技术

引言
　　随着我国国民经济的快速发展和城镇化进程加快，为城市道路交通设施建设的发展带来了良好的机遇，也提出了更高的要求。在市政交通隧道明挖基坑施工期间，对城市居民生活及既有市政设施的影响极大;而正在运营的市政公用管线，也制约着工程施工。如何在保证工程顺利进展的前提下，确保既有管线的安全运营，是市政交通隧道工程施工必须解决的问题。
　　深基坑开挖对地下管线的影响研究是一个非常重要的课题，国内外学者对地下管线的变形问题做了很多研究。国内方面，李佳川等采用空间八节点非协调等参单元方法，研究了地下连续墙基坑开挖过程中土体沉降沿基坑纵向的分布规律;并引进了沉降传递系数的概念，根据地表沉降估算地下管线的变形，得到了纵向地下管线的变形形状与相应位置处地表沉降纵向分布曲线的形状相似的结论。刘建航等认为，柔性地下管线在地层下沉时的受力变形研究，可从管节接缝张开值、管节纵向受弯曲及横向受力等方面分析每节管道可能承受的管道地基差异沉降值或沉降曲线的曲率。李大勇等考虑了基坑围护结构、土体与地下管线的耦合作用，建立了地下管线、土体以及基坑围护结构为一体的三维有限元模型。范德伟等基于Winker弹性地基梁理论，分析了地下管线在地铁隧道开挖作用下的受力情况，计算出了由于开挖而引起的管线最大弯矩和最大剪力。
　　国外方面，O’Rourke等根据土体开挖引起的地层位移分布情况，提出了管-土相互作用模型。假定理想柔性管与地层变形一致，接头处不转动，而理想刚性管则仅在接头转角处有位移。Kusakabe等研究了在砂土中开挖对邻近管线响应的离心模型试验，得出影响管线移动的两个主要因素是管线轴线与开挖面的距离和管线的弯曲刚度。同时还有很多学者通过工程类比及模型试验对该课题进行了深入研究，如Crofts等根据工程经验提出了一种估算由基坑开挖引起地下管线水平位移的方法。


　　纵观国内外研究现状，国内外学者采用多种方法对基坑开挖引起的地下管线变形问题已进行了较为深入的研究，但对于地下管线的保护问题则研究不多，因此有必要探索新方法，以期为类似的地下管线保护问题提供参考。
1　工程概况
1.1隧道工程概况
　　某越江隧道为双向四车道，主线设计速度60km/h，车道净高4.5m。本隧道分东西两条隧道，东线隧道长3395m，西线隧道长3393m，其中过江段东线1765.72m、西线1766.92m，采用盾构法施工，下穿长江，盾构隧道内径10.3m，外径11.3m，盾构环宽2m，分为9等份块。
　　越江隧道岸边明挖隧道为双孔+管廊的结构形式，在隧道里程K0+660-K0+670处下穿110kV和220kV电力管线设施。主体隧道结构宽22.7m，高7.25m。基坑采用Φ650SMW工法桩围护，基坑宽22.7m，深10.4m。该处地层上部为杂填土，其下依次为砂质粉土、粉土夹淤泥质土、粉砂夹粉土、粉质黏土，结构持力土层主要为粉土夹淤泥质土。
1.2电力管线概况
　　该电力管线是维持整个城区的主要供电线路，其中110kV为并排2个电力管沟，埋深2.0m，为6Φ150复合玻璃钢管+2Φ100PVC波纹管2层叠铺(双排)，有2回路电缆(上下各穿3根电缆线)，其中1条为备用电缆沟。220kV电力管线为并排3个电力管沟，埋深2.0m，南侧2个管沟内布设有2条回路电缆(每回路包括3根电缆线)，北侧为备用沟管。110kV和220kV电力管沟结构及位置如图1所示。
1.3隧道结构与电力管沟的关系
　　电力管沟位于即将建造的明挖隧道结构上部，空间垂直交叉，最小间距1642mm，其与隧道纵断面关系如图2所示。


2　保护原则及标准
1)根据本工程基坑围护工程设计，本处基坑深度＜13m，属于二级基坑，但鉴于电力电缆的重要性，本段基坑围护安全等级提高至一级，基坑重要性系数采用1.1，支护结构最大水平位移按30mm进行控制。
2)隧道施工时，控制基坑变形引起电缆沟及电缆的变形在电缆沟及电缆的安全允许范围内，保证电力电缆的安全运营。
3)隧道施工完成后，按原位复原电力电缆，满足电力电缆长期运营的技术要求。
3　保护施工方案总体思路
　　为降低施工保护难度，先拆除备用电缆管沟，采用定型贝雷架搭设钢便桥纵梁，工字钢横梁支撑在贝雷架纵梁上，顶托混凝土电缆沟，对110kV，220kV既有电缆沟进行架设保护。在对电缆沟安全监测情况下，有序进行基坑土方开挖、支撑架设，钢筋混凝土结构浇筑。待隧道结构达到强度后，用砌砖支墩支撑电缆沟底部，填实电缆沟与隧道结构顶板间的空隙，拆除贝雷架，恢复拆除的备用电缆沟，回填土方，恢复路面。





4　施工处理措施
4.1围护结构及土体加固处理
　　由于电力管沟的存在，SMW围护桩不能在位于电力管沟的地方施工，因此SMW围护结构在110kV电缆沟处形成2.32m断口，在220kV电缆沟处形成3.5m的断口，为此采取如下措施:
1)将基坑围护结构电缆沟处两侧至少各4m范围内的SMW工法桩桩径由650mm增大为850mm，内插型钢由500×200×10×16增大为700×300×13×24。
2)将型钢插入形式由隔一插一增强为隔三插二。
3)该处SMW桩沿主线施工至距电力管沟1250px处，再沿主线垂直方向向基坑外侧延伸2m做成阳角形式，并对阳角部位进行素桩加固。
4)围护结构断口处和电力管沟之间的空隙，在开挖前进行旋喷桩加固，以增强土体的强度及稳定性。
5)为避免该处基坑变形引起管线变形，该处钢支撑均设置为双拼形式，水平间距为4m。
6)土方开挖过程中，由于该处竖向土体稳定性较差，需分层开挖，开挖深度≤2m，及时架设作为挡板，间距为1.0m，并与围护结构H型钢进行可靠焊接。同时在墙面施作Φ42小导管注浆，挂网喷射10Cm厚C20早强混凝土，如图3所示。
4.2基坑降水措施
　　基坑围护结构断口处降水施工是施工控制的重点，本工程施工场区地层基本为粉质砂土，地下水丰富，整个基坑除按本工程降水方案布设坑内、外深井降水外，在围护结构断口处外围再布设4口真空降水井。现场配备2台400kW发电机备用。、
4.3建立便桥墩台独立承载体系
　　为避免便桥墩台基础对基坑围护结构产生过大的附加压力，同时也避免基坑变形引起墩台的变形，便桥每侧纵梁下采用2m×2m的C35钢筋混凝土墩台，每个墩台基础底部设置1根Φ850mm钻孔灌注桩。桩头钢筋锚入钢筋混凝土墩台，保证墩台桩基础与围护结构分离。
4.4增设便桥中间支撑
　　为降低贝雷架便桥挠度对电缆管沟的不利影响，利用既有格构柱并增加一道临时格构柱作为便桥的中间支撑，将整个便桥转变为三跨连续结构。格构柱下为Φ850mm钻孔灌注桩，深入结构下8m。
5　方案分析
5.1局部基坑支护分析
　　首先根据电力管沟附近的围护结构设计情况，依据地质勘察报告提供的地质资料，考虑地面超载20kPa，对该段围护结构的整体稳定、围护结构墙底抗隆起、墙体抗倾覆(水土合算)、抗管涌(水土分算，矩形荷载)等进行验算分析，均满足要求。
5.2贝雷架便桥结构分析
　　贝雷架便桥是采用贝雷桁架系统作为纵梁承重体系。单片贝雷架重270kg，高1.5m，每桥有2个纵梁，由贝雷架通过连接附件组成。便桥长3×9=27m，基坑两侧墩台计算总跨度为25.7m。
　　横梁位于2个纵梁之间，电缆沟涵之下，直接为电缆沟涵提供顶托支撑。采用2根I36a并排拼装为1根横梁，间距为1000mm，每根横梁长度为6.5m，如图4所示。
　　依据电力管沟的结构形式、既有电缆规格及数量、钢便桥的纵梁、横梁及附件的质量等(覆土清除不再计算)，计算得到总恒载为19.2kN/m;考虑到人员作业活动要求，在电力管沟上考虑0.5kN/m2的人员作业荷载，计算得到活载为0.32kN/m。按照计算得到的总恒载和活载，对贝雷架纵梁承载力及变形、工字钢横梁承载力及变形进行核算，均满足要求。
5.3便桥墩台基础及中间支撑承载力核算
　　依据地质勘察报告提供的该段的两个地质钻孔资料，对墩台承载力进行核算，均满足要求。支撑格构柱尺寸为450mm×450mm，由等边角钢└140×10及连接腹板－450×100×10@600构成，插入钻孔灌注桩3m。验算格构柱压应力满足要求。5.4电缆沟安全分析电缆沟涵为钢筋混凝土结构，配有Φ14@200的钢筋，可满足工字钢横梁支撑间距下的受力及变形要求。由纵梁及工字钢引起总挠度为12.7mm，电缆沟的挠度仅为12.7/12850=0.1%，在电缆沟及电缆弯曲的控制范围内。因此在采取加强的基坑安全措施后，在贝雷架便桥的保护下，电力电缆沟的运营是安全的。
6　施工工艺流程及注意事项
6.1施工工艺流程
　　由于电缆沟的保护施工与基坑施工是一个整体，二者相互影响，电力电缆沟涵处施工工艺流程如图5所示。
6.2施工技术措施及注意事项
1)钢便桥贝雷架组件进场后需进行验收，确保杆件完整、配套。桁架拼装完毕后需对连接部位进行检查验收，确保连接牢固。
2)管沟底部掏槽应从两端同步向中间进行，管沟底部应清理干净、处理平整，逐根穿入工字钢横梁，如横梁与管沟底部存在孔隙，可采用硬质木楔块进行填塞。


3)为确保钢便桥的稳定性，当钢便桥安装完成后，在便桥两侧贝雷架纵梁之间采用斜撑进行连接，避免纵梁横向失稳。
4)SMW工法桩施工中，由于钻机底座占地面积较大，在钻机定位前必须在钻机底部铺设30mm厚的钢板，以减轻钻机对管廊的压强。施工过程中，泥浆池严禁布置在管沟上方，防止水泥浆灌流到管廊。
5)受管线影响未封闭基坑段土方开挖过程中严格控制开挖深度，随挖随支护，确保基坑安全。基坑中部土方开挖过程中需专人进行指挥，严禁碰撞钢便桥。
6)砖砌支墩应与管沟底部紧贴密实，确保抽除工字钢横梁后，管沟不沉降。回填必须分层对称进行，避免支墩倾覆，并采用小型振动机械进行填筑夯实，避免产生沉降。
7)对基坑围护结构及电力管沟的变形和稳定性进行严密监控，及时反馈，信息化施工。
8)与建设单位、管线产权单位共同建立施工联络小组，施工前一周与相关部门取得联系，施工过程中加强沟通。
7　结语
1)过江隧道电力管沟于2009年8月13日完成贝雷梁钢便桥架设，8月16日开始管沟下土方开挖，至9月27日隧道结构施工完成，电力管沟最大沉降量3.56mm。完成隧道结构回填拆除贝雷梁钢便桥电力管沟恢复后，继续电力管沟的监控量测，沉降稳定后累计最大沉降量7.30mm，沉降控制满足电力管线保护控制要求，表明所采取的原位保护控制技术是成功的。
2)对SMW基坑围护缺口部位采取的土体加固、分层开挖、腰梁挡土、喷锚加固基坑围护的措施，并辅助以降水，避免了管线迁移，工程实践表明经济合理可行。