横跨地铁明挖基坑大直径管线保护施工工法

横跨地铁明挖基坑大直径管线保护施工工法

王军

西安中铁工程装备有限公司

1. 前言

随着我国经济的不断迈进，城市不断的高度集中和发展，已成为我国人口生产和生活的重要场所，但面对日益增多的城市人口，传统的市政交通设施已经不能满足人们正常的生活、工作需要，近20年来城市地铁建设的快速发展，尤其在一、二线城市在很大程度上已经能帮助人们实现快速、高效地生活和工作节奏，越来越多的城市已将地铁建设均作本城市最为重大和关键的基础设施项目，其优点不言而喻。就目前而言，地铁线路设计均沿着城市人口中心、商业中心、重要经济、政治及文化带进行规划。由于地铁所到之处均处在较为繁华的城市建筑物当中，势必在建设当中遇到各种各样的情形和困难，其中原有的城市地下管线对地铁施工影响也日益突出。

西安地铁三号线某地铁项目位于西安市高新区科技路与高新路口，地处西安市高新区商业中心地带，本车站是三号线与六号线的“T”形换乘站，车站基坑长度230.0m，标准段宽度22.7m；换乘站六号线车站总长度156m，标准段宽度22.9m，基坑深24.6m。该站设置了4个出入口和2组风亭，六号线设置2个出入口和2组风亭，车站总建筑面积27923.80m2，主体建筑面积21703.03 m2，出入口、通道建筑面积3006.74 m2，风亭、风道建筑面积3214.03 m2。车站及附属工程均采用明挖顺筑法进行施工。

车站及附属工程施工范围均存在大量城市地下管线，如电信、移动等通讯光缆、军用光缆、10kv、110kv等高压电缆、DN300/350等天然气管道、DN400/600/1200给水管、DN600/1000/1200/1800雨污排水管等等，一直以来是制约本车站乃至本项目工程施工的关键影响因素，给组织筹划、方案制定、现场施工及环境安全带来诸多不便和影响。其中横跨车站附属1号风亭同时存在3条直径分别为DN600给水管、DN1200污水管、DN1800雨水管横跨风亭基坑的情况，因现场不具备改迁条件，故此如何解决管线对基坑开挖、管线自身安全及保障其正常使用功能？成为本工程的重难点问题。

本项目1号风亭毗邻科技路主干道，周边又有高层建筑物，地下管线环境复杂，基坑开挖跨度大（31.6m），管线无法进行迁改，必须就地悬吊保护，且管网仍然发挥原有功能。故此，通过现场研究、方案对比和充分论证，必须确保排水管道安全和正常使用的前提下，解决管线悬吊保护等问题，方可进行基坑开挖和施工。

2. 工法特点

本工法采用装配制式贝雷梁桁架，现场拼装作业效率高、作业工序简便、具备全天候施工条件；每组吊带采用1根20cm钢带和4根高强带丝螺杆，便于现场操作和紧固。采用贝雷梁桁架+钢带悬吊的组合形式，具有整体刚度、强度大，安全稳定性好；因采用螺杆丝头，施工过程中发现问题能够及时进行调整和纠正。

3. 适用范围

①、适用于各类地铁车站大跨度范围区域管线悬吊作业，尤其是大直径市政管线（DN600以上含DN600）、基坑跨度大等周边环境复杂管线悬吊保护作业。

② 、适合不具备迁改条件地下管线悬吊保护作业。

③、适用于盾构井、竖井、桥墩基坑、河道及箱涵等跨度较大，受地下管线影响的基坑施工。

4. 工艺原理

本工法采用装配式“321”贝雷梁桁架组装而成，其具有拼装简便、施工效率高、强度刚度大、采用租赁方式经济性好、维护保养少、适用地铁基坑跨度要求等优点。

利用现场已经施做完成的围护结构钻孔桩、冠梁及挡土墙作为支撑基础，根据基坑跨度安装与之对应的桁架长度，通过预先加工好的悬吊钢带、高强带丝悬吊钢筋、螺帽及钢垫板，利用手动葫芦，依次进行吊装安拆。施工过程中根据检测数据，可重复对管线变形进行复位调整，达到动态和全过程管控。

其根本原理以贝雷梁桁架作为管线受力的依托，通过悬杆和可调螺杆有效将管线和桁架进行连接、固定，达到对现场管线进行安全保护的目的。

5. 施工工艺流程及操作要点

5.1施工工艺流程

图5.1-1 施工工艺流程图

5.2 操作要点

5.2.1开挖、清理出工作面

根据现场管线位置，采用机械挖除管线上方及周边土方1m范围以外土方，1m范围内采用人工开挖，清除土方。同时确保管线下方有足够土方达到稳定管道不沉降、滚动、滑移的目的，即预留1/3管径土方为宜（如管道直径600mm，管道底部以上应留置不少于200mm高度土体，防止管线发生位移），将开挖暴露出来。

5.2.2 检查管线是否有破损

管线开挖暴露出来后，质检工程师会同产权单位责任人，对现场管线进行详细检查，如果管道自身存在破损或悬吊时存在质量安全隐患应及时进行修补或局部设置抱箍进行加强。

5.2.3 贝雷梁拼装与架设

1、贝雷梁拼装

（1）贝雷梁的拼装在堆放场地内进行。先将场地平整，在贝雷梁拼装节点处垫放10*10cm方木，方木间距与贝雷梁各节点间距一致，每个节点处并排放置两根方木，并尽量保持两根方木水平。将需要拼装的桁架、加强弦杆、横梁、斜撑等通过吊车吊放在方木上，逐个销孔进行对位，孔位对准后安装钢销固定孔位。照此方法单片贝雷梁拼装完成。

（2）对拼装成片的贝雷梁的轴线及水平进行复核，拼装误差满足要求后即可运往现场进行安装。

（3）将已经施工完成冠梁顶附近的杂物清理干净，预埋螺栓上的保护套剔除，以利贝雷梁的安装。

（4）由测量人员采用全站仪进行每榀贝雷梁的纵横轴线的测设，采用水准仪进行标高测设。

（5）冠梁和挡土墙强度达到85%以后，在其上放样出每片贝雷梁的轴线位置，依据放线轴线准确进行架设。单片贝雷梁架设完毕后，即可安装端构架的固定钢板，固定整片贝雷梁的位置。贝雷梁下部的联结系槽钢及横联套管螺栓可在贝雷梁纵向安装一定长度后安装。

（5）在初步架设好贝雷梁后，进行细部定位，将贝雷梁用螺栓连接固定在混凝土基础上，贝雷梁的吊装方法如图9所示。

图5.1-2 贝雷梁吊装示意图

2、贝雷梁安装要点

（1）为保证贝雷梁安装的位置准确，要求在混凝土基础施工时，预埋钢板及螺栓位置预埋要准确，埋置深度和数量要符合设计要求。

（2）贝雷梁安装前，要完成该段冠梁（挡土墙）的施工，并要求混凝土强度达到设计要求。

（3）贝雷梁施工前进行构件的准备工作。主要有贝雷梁构件的运输、堆放、检查、弹线等。构件在运输中要避免碰撞损坏。

（4）贝雷梁进场后要对其进行检查和验收，要核对构件的型号、尺寸和外观质量。

（5）构件的布置要提前设计（本项目采用双拼单层“321”加强型贝雷梁），要根据起重机械的布置方式和吊装参数进行排放。贝雷梁构件的布置要遵循以下几点：

a、贝雷梁构件应排放在起重机械的起重半径回转范围内，避免二次搬运。在现场条件不允许时，部分构件可集中堆放在基坑附近，吊装时再转运到起吊地点。

b、较重的构件尽量排放在靠近起重机械的地方，轻型构件可布置在外侧。

c、构件堆放的位置应与其要安装的位置相协调一致，尽量减少起重机的移动。

d、不同的构件要分类堆放，避免混类叠压。堆放场地要经过地面硬化，并有排水设施，垫木要合理设置。

5.2.4悬吊管线工作坑开挖

按照管线悬吊测量点位，进行悬吊管线工作坑开挖，工作坑开挖深度为管线下部0.5m、宽度0.5m，以可满足穿过钢带和方便现场操作为标准，但工作坑不宜开挖过宽，防止管线下方悬空间距过大，造成管线失稳、酿成事故。

5.2.5管线悬吊

1、悬吊钢带安装（挂篮）

图5.1.3钢带与管线结合部示意图

在工作坑预留位置，采用人工将钢带从工作坑的一端穿入孔内，利用3t手动葫芦+钢丝绳及U型卡固定住穿入钢带的端头预留孔（事先在钢带两侧端部割预留孔，孔径25mm，以满足钢丝绳U型卡穿入为宜），手动葫芦固定在贝雷梁上，作为支点。随着手动葫芦收紧，穿入一侧钢带被渐渐拉出，钢带发生变形，沿管壁向上移动，直至钢带中心移动至管道底部中心位置时（保证钢带两段长度基本一致），停止拉拽，利用另外一只手动葫芦将钢带从另一侧将钢带拉垂直。

2、悬杆钢筋安装

悬杆钢筋采用直径25mm高强钢筋一端加工成丝扣形式，丝扣长度30cm（充分保证紧固时所需丝扣长度），配置10.9级高强螺帽，加工1.5cm厚边长15cm正方形垫块，垫块中间预留孔，以保证悬吊钢筋穿出为宜。将悬吊钢筋带丝扣一侧朝上，无丝扣一端朝下，焊接在钢带上，焊条采用422焊条，双面搭接长度不小于25cm（10d钢筋直径），焊缝高度1cm。钢带每端头均焊接两个钢筋；顶端固定在贝雷梁上。

3、管线悬吊

安装完成一个点的钢筋、钢带后，拆除2个3t手动葫芦，更换为10t手动葫芦，两段对称收紧，一边向上拉手动葫芦岛链，一边进行螺帽拧紧。悬吊拉紧过程中观察整体管道、接触部位管道壁变化、螺帽位置工字钢垫块、贝雷梁变形情况等，如有异常立即停止，排除问题后再行施工，现场观察直至管道向上有变化时停止，根据现场试件得出，管道离开原地面0.5mm~10mm即可完成悬吊工作，再进行下一个点位悬吊。如下图管线悬吊。

图5.1.4 大直径雨水、污水管及给水管悬吊保护剖面图

4、后期维护与检测

贝雷梁架设和管线悬吊完成后，每天对贝雷梁构建、悬吊钢带、钢筋、螺帽配件等进行巡检，发现问题及时进行处理。加强管线日常检测工作、地表沉降观测等。检测项目如下。

5.2 监测控制标准表

序号	监测项目	允许值(mm)	安全判别值
			Ⅲ级管理	Ⅱ级管理	Ⅰ级管理
1	地表沉降	30	10mm以下	10mm~20mm	20mm以上
2	污水管线沉降	+20~-40	7mm以下	7mm~15mm	15mm以上

表中Ⅲ级管理为按正常作业程序进行；Ⅱ级管理为增加监测频率,加强安全保障措施；Ⅰ级管理为停止施工,检查施工方案，启动应急预案，有效控制地面、管线及结构沉降。

5.2.6劳动力组织

表5.2 劳 动 力 组 织 情 况 表

序号	单项工程	所需人数	备注
1	贝雷梁拼装人员	6	贝雷梁组装、架设
2	起重机司机	2	贝雷梁架设起重吊装
3	挖机司机	2	开挖管线周边土方
4	悬吊作业人员	6	悬吊杆件安装等
5	电焊工	1	悬吊杆件焊接作业
6	安全员	1	安全管理
7	杂工	2	文明施工

6. 设备、材料

6.1本工法特殊的材料。

序号	材料名称	规格型号	备注
1	钢筋悬杆	Q550高强圆钢	一端带丝扣，长度3m
2	螺帽	10.9级	与钢筋悬杆配套使用

6.2本工法新带主要机具设备见表6.1。

表6.1 主 要 机 具 设 备 表

序号	设备名称	规格型号	单位	数量	备注
1	汽车吊	25t	台	1	拼装、吊装作业
2	汽车吊	50t	台	1	整梁架设吊装作业
3	履带式挖掘机	DX-75型	台	1	开挖管道周边土方
4	手动葫芦	10t	台	2
5	手动葫芦	3t	台	2
6	电焊机	BX3	台	1

7. 质量控制

(1)施工前调查所有与施工有关联的管线，着重查明悬托管线种类、规格、埋深、材质、接头型式、节长和管线基础等资料。

(2)根据查明的管线资料，针对各种管线的控制要求，设计出具体的支托参数。

(3)悬托方案除应获得业主、监理认可外，还应与管线主管单位共同商讨悬托细节，并达成一致意见。

(4)管线应在其下面的原状土开挖前支吊牢固，并经检查合格后，再采开挖其下部土方。

(5)管道漏水（气）时，必须修理好后方可悬吊。

(6) 在施工过程中，应对刚性悬托管线进行监测，管线上观测点的数量，应征求管线主管单位的意见，一般应在每节管线上设一观测点，观测标志现场设置抱箍，直接固定在管线上，在悬托过程中进行全过程动态监控。

(7) 工程施工时，不得碰撞管道悬托系统或利用其做起重架、脚手架或模板支撑。

(8) 悬托管线应依据管线的类型分别设立一定的安全保护区域，严禁机械设备靠近，必要时采取隔离带警戒或防护栏杆。

(9) 基坑回填土前，移回原位刚性管线下应砌筑支墩加固，防止下沉，并按设计要求恢复管道和回填土。

8. 安全措施

(1)加强工程实施前期的管线迁改的组织协调工作，成立专门的协调小组。具体负责管线迁改实施过程中的管线探查、联络协调、方案制定、督促落实等工作，解决管线迁移涉及的相关问题。

(2)重视与各管线单位协调，积极与管线单位沟通，请管线单位提供具体、详细的管线位置分布图，并请管线单位协助一起监控地下管线，及时发现问题，处理问题。

(3)施工前调查所有与施工有关联的管线，着重查明管线种类、规格、埋深、材质、接头形式、节长和管线基础等资料。

(4)管线保护按照先保护后施工的原则。在施工时，开挖到管线位置即开始对管线实施保护，保护完毕后再进行管线下方土体的开挖。

(5)管线开挖施工时，在可能出现地下管线的区域尽量进行人工开挖，先探后挖，防止损坏管线。发现管线后，立即进行检查和核实，进一步确定可靠的迁移与保护方案。对电缆等重要管线在施工中将予以高度重视，并进行重点保护。

(6)加强施工管线监控，根据不同的管线，建立各类管线的管理基准值，通过监控量测及时掌握管线变形状况，及时调整施工工艺，确保管线保护管理在可控状态下有效进行。

(7)加强同各管线产权单位联系，一旦管线存在不安全因素时，及时通知管线产权单位对其进行抢修，改进保护措施。

(8)加强地面沉降监测，尤其对沉降敏感的管线要单独布点监测，并及时分析评估施工对管线的影响，根据施工和变位情况调节观测的频率，及时反馈信息指导施工。

(9)当施工前预测和施工中监测分析确认某些重要管线可能受到损害时，将根据地面条件、管线埋深条件等采用临时加固、支吊等保护方案，并经工程师批准后实施。

(10)基坑开挖施工过程中，若发现不明管线，将立即通知建设、设计以及市政等相关部门，并根据管线类型和归属联系相关单位，进一步核准管线用途、走向和质量状况。对不能及时改移、拆迁的管线，将先对其进行悬吊保护，然后再挖除管线周围土体。

(11)明挖段其他工序施工时，不得碰撞管道悬吊系统及利用其作起重架、脚手架或模板支撑等。

9. 环保措施

按照工程的特点，污染源和影响源主要为裸露土产生扬尘、噪声生活污水、垃圾等。为了减少环境污染，主要采取以下几个措施：

（1）在施工场地出入口设置标准的洗车槽、沉淀池、高压冲水枪，机动车辆在洗车槽内冲洗干净后才能出工地。

（2）临时设施场地及施工便道均采用混凝土、碎石覆盖，并沿道路两侧做好排水沟，施工污水经沉淀后排入附近市政排污管网。

（3）生活垃圾应集中堆放和管理，现场禁止焚烧和遗弃，安排专人负责场地内垃圾清扫工作。

10. 效益分析

在西安地铁三号线成功地开发并应用了本工法，较好解决了大直径市政管线横跨基坑问题，有效地解决了管线不满足迁改条件下，影响基坑开挖和施工的困难。

科技路站换乘站六号线横跨基坑22.9m天然气迁改，从方案上报、审批，现场准备以及改迁施工，需要花费的时间超过月余，而较现场只需要2天时间即可完成悬吊保护工作，在工期和现场投入方面大大缩短了施工工期和经济投入。

科技路站1号风亭、2号风亭大直径管线跨越基坑长度均超过25m，同时受周边环境影响，不具备迁改条件的前提下，采用该工法对管线进行悬吊保护，不仅解决了现场管线对施工造成了不利影响，而且在某种程度上，也取得很好的社会效益（得到业主、设计等单位好评）

11. 应用实例

11.1施工实例1

西安地铁三号线科技路站，换乘站六号线车站总长度156m，标准段宽度22.9m，基坑深24.6m。DN350天然气主管道横跨车站基坑，该天然气管线埋深1m，采用贝雷梁悬吊，2天完成该天然气保护工作，较大程度缩短工期，取得了较好好的技术经济效果。

11.2施工实例2

西安地铁三号线科技路站，基坑长度230.0m，标准段宽度22.7m，附属工程1号风亭位于车站西南角，横跨基坑存在3根大直径管线（DN600给水管、DN1800雨水管、DN1000污水管）施工期间严重影响风亭基坑开挖，管线横跨基坑长度超过31.5m，正常使用状态DN600自来水管重量11t；DN1800雨水管道重量53t（汛期满水重量可达120t）；DN1000污水管道23t（汛期满水达32t），该工程采用双拼单层“321”加强型贝雷梁+钢带+高强钢筋悬杆悬吊的方式，有效保障了管线安全，为基坑开挖创造了有利条件。

11.3施工实例3

西安地铁三号线科技路站，基坑长度230.0m，标准段宽度22.7m，附属工程2号风亭位于车站东南角，横跨基坑存在3根大直径管线（DN600给水管、DN1800雨水管、DN1000污水管）施工期间严重影响风亭基坑开挖，管线横跨基坑长度26~29m，正常使用状态DN600自来水管重量9.5t；DN1800雨水管道重量40t（汛期满水重量可达83t）；DN1000污水管道19t（汛期满水达27t），该工程采用双拼单层“321”加强型贝雷梁+钢带+高强钢筋悬杆悬吊的方式，有效保障了管线安全，为基坑开挖创造了有利条件。

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