貝雷梁組合支架對跨地鐵車站雨水管保護的施工受力分析

何振濤， 應克忠， 方詩圣， 趙 旭

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.中鐵四局集團第四工程有限公司，安徽 合肥 230041)

0 引 言

近年來，隨著城市規模的發展與擴大，城市交通也隨之快速的發展， 地鐵隧道的建設成為一個顯著的標志，而在地鐵基坑開挖的過程中會遇到正處于使用狀態的雨水管道[1]。如果對管道進行改遷，則會對工程進度造成很大的影響，同時也會造成費用增加。但是如果不改遷，一旦由于施工原因導致雨水管道破壞，將造成非常嚴重的后果[2]。此時也就面臨著一個技術難題：跨地鐵車站基坑雨水管線的保護。合肥某地鐵換乘車站雨水管直徑達到1.5 m，主體結構部分雨水管的跨度為39.2 m，其中標準段跨度為25.2 m。實際工程中考慮到對雨水管變形要求較高，而懸吊方式為柔性結構，晃動較大，故采用支撐方式對橫跨基坑雨水管進行保護，取得了很好的經濟效益，同時也保證了安全，為以后類似的工程提供了借鑒。

1 工程概況

合肥市某地鐵車站沿東西向布置，標準段寬度為25.2 m，標準段基坑深度為16.50 m～16.18 m。該車站施工過程中有一條雨水管橫跨基坑內部，為了保證主體的施工及雨水管的正常使用，需要對雨水管進行保護，管徑1 500 mm，壁厚16 mm，其中D出入口臨時置換長度為17.8 m，主體結構部分的雨水管長度為39.2 m。雨水管設計位置位于冠梁之上,其平面位置圖如圖1所示。[3]水流流向由北向南，通過設置雨水管保證了南北排水暢通。工程的重點和難點之一是對于雨水管的保護。

圖1 DN1500雨水管平面位置圖

2 雨水管保護施工設計

對跨基坑的市政雨水管線的保護措施常有懸吊法[4]與貝雷梁支撐法。懸吊法結構簡單，適用于工期短，跨度較小的雨水管的保護；但是懸吊結構為柔性結構，晃動幅度較大。貝雷梁支撐結構形式簡單，受力明確，剛度大，雨水管穩定性好，適用于工期長，跨度大的雨水管的保護[5]。

雨水管跨基坑時考慮的是雨水管的保護，雨水管的保護主要考慮其變形。只有保證了雨水管的安全，施工過程中的安全才能夠保證，結合實際，本工程采用貝雷梁組合支架支撐法。

雨水管支撐保護采用貝雷梁組合支架結構，分為上部結構和下部結構，上部結構采用單層雙排貝雷片組合梁為橋跨主梁，橫向采用工字鋼及承托構件固定支撐臨時雨水管道；下部結構利用結構冠梁及臨時支撐格構柱，格構柱支撐橫梁采用[40C槽鋼，通過襯托板與鋼格構柱墩焊接牢固。其中橋跨布置為14+12.55+6.7+5.95=39.2 m。貝雷片梁組合梁橋，橋面寬度2.56 m，縱坡0%，橋架軸線方向與地鐵車站圍護排樁垂直。為了防止貝雷梁組合支架下撓過大，雨水管變形過大導致雨水管接頭處出現滲水，對于各跨設置預拱。第一跨按二次拋物線設置預拱，跨中向上預拱12 mm，第二跨按二次拋物線設置預拱，跨中向上10 mm，其余各跨不設預拱，如圖2所示。

圖2 預拱布置圖

荷載的傳遞路徑自上而下為雨水管荷載傳遞至小橫梁，小橫梁通過貝雷梁組合支架傳遞至大橫梁和冠梁，再通過鋼格構柱和支護樁傳遞至基礎,如圖3所示。其中貝雷梁組合支架與小橫梁采用U形螺栓連接，如圖4所示。

圖3 雨水管保護橫梁處斷面圖

圖4 U形螺栓大樣圖

雨水管管底與小橫梁之間采用承托連接，管底承托采用工20b工字鋼制作，弧形板采用10 mm厚鋼板彎曲后焊接在工字鋼上，從而限制雨水管的橫向移動,如圖5所示。管底和承托之間設置厚度20 mm、寬度150 mm的油毛氈，承托與橫梁之間對其后采用四面圍焊，焊縫厚度為6 mm。本工程采用承托作為固定措施，不僅限制了雨水管的橫向移動，同時增加了橫梁的有效高度從而增強了橫梁的剛度，使得雨水管更加的穩定，有效減小了其變形。

圖5 承托大樣圖

3 數值分析

本工程采用的是“321”型雙排單層貝雷梁組合支架，簡化為簡支梁模型，計算跨徑為3 m×13=39 m，支座兩端置于冠梁上，兩排貝雷架之間中心間距為0.2 m。橫梁長度為2.56 m，橫橋向內側貝雷架中心間距為19.3 m，雨水管計算長度L為42.2 m，由橫梁支撐，位于中間位置。雨水管直徑D為1.5 m，厚度t為16 mm，鋼材采用Q345B級鋼。計算時雨水管為無壓滿水狀態，只考慮自重，沒有考慮雨水對于管道的壓力。

3.1 雨水管數值計算

利用MIDAS Civil軟件建立有限元模型，將雨水管簡化為多跨連續梁模型，考慮到雨水管較長，根據圣維南原理，雨水管遠端對雨水管主跨的內力影響較小，端頭冠梁支座處取雨水管直徑的2倍，將兩端支撐點設為固結，其余各支撐點設為鉸接[6]，計算簡圖如圖6所示。梁單元Z方向撓度如圖7所示。

圖6 雨水管計算簡圖

圖7 梁單元Z方向撓度圖

由圖7可知，雨水管的最大撓度為0.016 mm

3.2 貝雷梁組合支架數值計算

3.2.1 荷載計算

貝雷梁組合支架的荷載除了本身的自重外，還包括雨水管對貝雷梁組合支架橫梁的作用，將雨水管的支反力反向作用于貝雷梁組合支架橫梁，對于貝雷梁組合支架進行受力分析[7]。貝雷梁組合支架橫梁共26根，即26個支撐點，每個橫梁支撐點受力為37.8 kN。

3.2.2 結構驗算

首先利用MIDAS Civil軟件建立有限元模型，共建立節點1 542個，單元2 028個，邊界條件一般支撐20個，彈性連接364個，釋放梁端約束48個，2片貝雷梁組合支架之間的連接為鉸接，建立的有限元模型如圖8所示。

圖8 貝雷梁組合支架有限元模型

(1)強度驗算。給有限元模型施加荷載和邊界條件，通過求解器模塊進行計算得到貝雷梁組合支架有限元模型的組合應力圖、主桁架的組合內力圖以及橫梁的組合應力圖，如圖9所示。

圖9 貝雷梁組合支架組合應力圖

根據有限元模型計算得到的結果，整個貝雷梁組合支架的最大組合應力發生在主桁架上，貝雷梁組合支架組合應力的最大拉應力為143.7 MPa<[σ]=207 MPa，最大壓應力為203.8 MPa<[σ]=207 MPa，貝雷梁組合支架的組合應力沒有達到許用應力，且實際上荷載要比施加的荷載小，所以強度是合格的。

貝雷梁組合支架主桁架的最大應力為143.7 MPa<[σ]=207 MPa，強度是合格的。

橫梁的最大應力為131 MPa<[σ]=207 MPa，強度是合格的。

(2)剛度驗算。通過對有限元軟件的計算結果進行分析，得到貝雷梁組合支架與橫梁的撓度，如圖10所示。

圖10 貝雷梁組合支架與橫梁撓度圖

根據上圖得到的結果，最不利位置為貝雷梁組合支架下撓最大的位置，最大的撓度為7.96 mm

通過對于方案進行設計以及有限元軟件對雨水管以及貝雷梁的結構驗算，從技術上說明該結構的合理性。

4 施工監測

施工過程中，通過開展施工監測并及時收集監測數據，能夠掌握支撐結構的變形和受力狀態，根據監測數據及時調整支撐方案，指導施工，保證結構安全和人身安全。為了保證雨水管以及貝雷梁組合支架保護措施的安全，在管線的最不利位置(雨水管第一跨跨中和第二跨跨中)設置了豎向位移監測測點，用高精度水準儀進行監測[8]，其中關鍵施工階段的雨水管沉降值如圖10所示(YS1、YS2和YS3表示豎向位移監測測點)。

圖10 雨水管沉降值

監測結果表明，沉降值在2～6 mm，模擬采用無壓滿水狀態進行計算，最大沉降值為7.96 mm，實際工程中雨水管未處于滿水狀態，比實際監測值大。因此，貝雷梁組合支架支撐方案在理論上是可行的，驗算是通過的。從監測的結果與計算的結果對比分析來看，計算的結果較大，原因是計算時將雨水管考慮為充滿水的狀態，實際工程的結果表明了其可行性。

5 結 論

本文以跨合肥市某地鐵車站基坑雨水管的保護為背景，介紹了合肥市某跨地鐵車站貝雷梁組合支架支撐雨水管保護的方案，對于保護方案進行設計以及強度和剛度的驗算，得到如下結論。

(1)結合本工程的特點，采用貝雷梁組合支架結構對地鐵車站雨水管進行保護，結構受力明確，結構簡單，節約成本。

(2)貝雷梁組合支架支撐保護結構的力學受力分析結果表明最不利位置處貝雷梁組合支架主桁架的強度小于其承載能力，結合監測數據，Z方向最大撓度在范圍之內，強度和剛度均滿足設計的要求。

(3)實際施工過程中，受基坑開挖的影響，雨水管周圍土體會產生不均勻沉降，從而對雨水管及其保護結構的變形產生影響，在支撐保護結構中增加貝雷梁組合支架的預拱度以及運用承托限制了其橫向移動，一定條件下減緩了不均勻沉降對其保護結構的變形影響，且貝雷梁組合支架的保護方案在使用過程中滿足設計的要求，實際工程中保證了施工的正常進行。因此，雨水管貝雷梁組合支架支撐保護的施工設計是安全可行的，同時為以后類似的工程提供了寶貴的經驗。