横跨地铁车站次高压燃气管就地支托保护设计
发布时间：2021-12-27
【摘 要】深圳地铁 5 号线太安站位于繁华城区，DN400 次高压燃气管在布心路段横跨车站，结合周边环境、施工条件、改迁的社会影响等因素，确定对次高压燃气管采取支托保护，此属国内首次，无类似工程经验。 针对该工程变形控制要求高、风险大的特点，提出了燃气管支托保护设计原则和设计参数，并重点对保护结构设计、施工顺序的确定和施工监测等进行了分析探讨。 设计方案具有创新性，为工程的顺利实施提供了保障和支持，社会效益和环境效益显著，对类似工程具有一定的借鉴意义。
【关键词】深圳地铁;次高压燃气管;支托保护
1 引言
受城市建设用地的局限性、周边环境的复杂性及地铁车站在开挖、施工过程中所处场地水文地质条件的不确定性等因素影响，使得地铁工程设计施工成为高风险、高难度、极具挑战性的学科。本文以深圳地铁 5 号线太安站布心路盖挖段次高压燃气管支托保护的工程为依托，对影响地铁车站施工的次高压燃气管进行细致的分析与探讨，并提出一些工程建议及改进措施，希望对建筑物及管线密集区地铁车站工程建设提供有益的借鉴。
2 工程概况
2.1 车站概况
深圳地铁 5 号线太安站沿东晓路布置，横跨太白路、布心路、太安路等城市主干道路(见图 1)。车站范围市政管线及周边建筑物密集，为地下三层岛式站台车站，是深圳地铁 5 号、7 号线换乘车站。车站总长 621.14m，宽约为 20.4m，底板埋深约 26m，是深圳最大地铁车站之一。车站结构从上至下处于素填土、粉质黏土、粉砂、淤泥、砂质黏土、全风化 ~ 微风化地层中，除布心路段采用盖挖法外其余均采用明挖法施工，基坑围护结构采用地下连续墙加内支撑体系。
2.2 次高压燃气管布置情况
布心路段分布密集管线，其中 DN400 次高压燃气管外，均按改迁处理。次高压燃气管横跨车站主体基坑(见图 1)，管底埋深约 2.1m，管底距离车站顶板约 3.1m，是给罗湖、布吉、莲塘供气的主干管，用气户数约 20 万户，其中工商业用户较多。燃气管原状是直埋在土中，当前正常运行，管壁为 L360MB (×52) 直缝双面埋弧焊钢管，D406.4mm× 7.1mm，压力为 1.6MPa。
3 燃气管支托保护设计
3.1 设计原则及技术标准
1)燃气管支托保护桥使用年限约为 0.5a，按临时结构考虑。设计中考虑结构或构件应满足强度、刚度、稳定性要求，并满足燃气管变形挠度≤L/1000 的要求。
2)设计荷载包括结构自重、次高压燃气管以及压力燃气重 70kg/m、燃气管保护装置重 2.7kN/m (包括钢板保护箱、轻质膨胀珍珠岩保护材料)、施工荷载(按 0.5kN/m2 考虑，包括小型工具和施工人员)和可变荷载(考虑风荷载，基本风压为 0.9kPa)，不考虑偶然荷载。
3.2 燃气管支托保护结构设计
燃气管支托保护桥(见图 2、图 3)采用一跨简支梁结构，两端坐落在距车站围护结构外约 5m 处的钢筋混凝土桥台上，每座桥台由 2 个单独桩台组成，桩台间用型钢拉杆连系，增强其整体稳定性。
3.2.1 支托保护结构形式
1)基础形式：为了有效控制沉降变形，基础采用套管钻机成孔灌注桩，持力层为微风化岩或中风化岩，桩径 Φ800mm，桩长约 18m，桩身采用水下 C30 混凝土，入岩深度不小于 1.5d，并进行小应变检测。
2)承台和桥台：桥台为钢筋混凝土结构，采用 4 个承台支承桥跨结构，结构尺寸 2100mm×1500mm×1200mm，为了保持桥台良好的整体性，每端两个承台之间用一根 HM500×300b 型钢拉杆连系(见图 4)。
3) 上部结构主梁采 用 2 片三排单层加强型贝雷架(TSR 双弦杆)，跨度 30m。每片贝雷架组装好后，必须进行预架设，并检查挠度值≤30mm。上横梁采用 2 根 25a 槽钢，用于悬吊燃气管，作为燃气管的变形和调整设施(见图 5~ 图 7)。
除上横梁外，其余构件：下横梁、横梁夹具、纵梁、风撑及桥面板(钢 / 木构件)等，均使用贝雷架组件中的标准配件，考虑到保护桥的横向稳定性，上平联增加 4 组风撑。
支座可采用贝雷架标配支座或橡胶支座(见图 8)，若采用橡胶支座，按支座力 =300kN，水平位移 =20mm 选择。
燃气管悬吊装置采用钢缆索，配花篮螺栓调整高度(见图 9)。并采用两套起吊装置，第一次为暂时悬吊，缆索吊住燃气管，待燃气管保护箱安装完成后，放松花篮中螺栓，使钢缆处在松弛状态，悬吊转换为支托，后期变形调整通过吊杆进行。
3.2.2 燃气管保护装置
支托保护桥上燃气管保护箱采用钢板箱，其设计要满足具有一定的强度和刚度，便于安装，拆卸，整体性强，方便燃气管检查等。暴露的管道用 30mm 厚聚氯乙烯泡沫塑料管壳包覆，起到隔热、保温作用。支托保护桥上燃气管临时保护装置采用钢板箱内填膨胀珍珠岩保护，燃气管与保护箱支托方钢之间垫 20mm 厚橡胶垫片(见图 10)。
地铁工程完成后，拆除过程是在车站顶板上每隔 6m 设置混凝土支墩，支墩尺寸为 400mm×400mm×3000mm，用硬木楔调整燃气管的标高，在原标高的+5，-2mm 内，回填土方时，管道下部四周用人工夯实,严禁在管道底以上部分左右各 0.5m 范围内夯实土,填土高度在燃气管 1m 以上,方可使用机械静态碾压。施工中，控制管道变形在允许范围之内，避免破坏管道防腐层。如发现防腐层被破坏，应及时采用规范规定的胶带进行修复。
3.3 燃气管支托保护桥结构计算分析
装配式贝雷架的结构设计参照 《装配式公路桥多用途使用手册》。材料及强度指标：主桁架弦杆、竖杆及斜杆，材料 为 16Mn， 容 许 应 力 220MPa;拼装用钢销，材料为 30CrMnSi，抗剪强度为 585MPa。本燃气管支托保护桥所用 3 排单层加强型贝雷架，按设计荷载等级为汽—10 级进行简算，荷载简图如图见图 11。
经计算：
1)最大弯矩：上横梁 17.77kNm、下横梁 21.52kNm、贝雷架 3054kNm。
2)变形量：安装贝雷架梁后，自重引起的最大挠度为 38mm。在自重挠度完成后，在燃气管及保护箱等荷载下附加挠度为 9mm。
3)支反力：267.96 kN。
4 燃气管支托保护桥施工方法
4.1 盖挖段整体施工顺序
1) 施工主体围护结构地连墙至燃气管两侧 0.5m 处(水平距离);
2)施工保护桥桩、盖挖段临时立柱桩与型钢柱;
3)施工保护桥桥台;
4) 架设支托保护桥，并将燃气管托换到支托保护桥上;
5)施工燃气管下围护桩，闭合主体围护结构;
6)开挖土体，施做主体结构顶板;
7)回填土，恢复燃气管到车站顶板;
8)盖挖顺做主体结构。
4.2 支托保护桥施工顺序
1)桥台施工顺序：①施工水泥搅拌桩;②施工套管钻机成孔灌注桩;③对桩进行预压，小应变检测;④待钢板桩、车站基坑地连墙、钻孔灌注桩、注浆止水帷幕形成闭合围护后，挖基坑、施工桥台。
2)贝雷架安装：①组装单片贝雷架，并进行预架设和变形检测，保证跨中挠度≤38mm;②开挖燃气管上方的土方和燃气管两侧贝雷架位置的土方到桥台顶面标高;③分别吊装 2 片贝雷架到桥台上，并采用临时支撑固定;④安装保护桥上横梁和花篮螺栓吊杆;⑤安装监测点 (包括变形监测点和燃气泄漏检测设备)。
3)燃气管托换到保护桥(见图 12)：①在燃气管下下穿临时钢缆吊索，并通过螺栓将临时钢缆吊索固定到保护桥上横梁上;②旋紧临时吊索螺栓，将燃气管悬吊在吊索上; ③间隔掏挖燃气管下方土体，穿下横梁并安装保护箱底板，施工时应严格避免与燃气管发生擦碰;④在保护箱下垫入楔形垫块，使保护箱托架与燃气管密贴;⑤ 放松临时吊索，使燃气管由悬吊转换为支托到保护桥上。
4)安装的其它作业：①采用同上同样的方法安装剩余的下横梁和保护箱底板;②安装保护箱侧板和顶板;③在保护箱内填充膨胀珍珠岩填料;④安装支托桥桥面。
5)燃气管支架拆除(见图 13)：①二次盖挖段顶板和挡土墙施工，砌筑混凝土支墩，其顶部设硬木楔支承燃气管; ②回填土到板顶上方，管道下方 1.0m 用石粉渣填实，管道周边回填沙;③逆向拆除贝雷架，转换燃气管到车站顶板上;④继续施工车站主体结构。
5 施工监测
5.1 监测设计
5.1.1 监 测 项 目
项监测项目有四项：①支托保护桥变形监测及燃气管变形监测(见图 14、图 15);②基坑周边变形监测及地下水位;③车站顶板沉降监测;④燃气泄漏监测。
5.1.2 监测方法及应对措施
1) 桥上在桥支座位置和每个吊杆位置设置监测点，共设置 11 个点(见表 1);桥外延燃气管没 5m 设置一个，每端设置 5 个，主要监测垂直和水平变形;
2)燃气管下每 3m 设置一个悬吊杆，一旦出现超出允许值的变形时，通过调整悬吊杆上的花篮螺栓调整燃气管到规定位置。调整时必须多点配合，不允许一点吊起，并要求保护箱横向保持水平;
3)燃气泄漏监测：一般情况监测频率为每天不少于 2 次，当基坑变形曲线出现异常时，应加密监测频率，当变形值超限时允许值时，应立即停止基坑开挖作业。
5.2 监测结果
根据监测结果，燃气管托换到保护侨上至盖挖顶板施工期间，沉降值逐渐增加，最高值出现在盖挖顶板施工完毕节点，沉降约 28mm(见图 16)，通过及时的调解花篮螺栓有效的将沉降值控制在设计允许范围内。施工车站主体期间，盖挖顶板变形大约 20mm，周围土体沉降约为 8mm (见图 17)，两者都不超过允许值，所以主体结构施工对燃气管基本无影响。
6 结语
综合分析地铁车站周边环境、施工条件、改迁的社会影响等因素，针对国内首次采取的横跨地铁车站基坑的次高压燃气管原位保护设计进行了探讨，设计方案具有创新性，实施效果和监测结果显示，燃气管支托保护结构和车站结构施工过程中，次高压燃气管变形可控，表明设计方案合理有效，确保了次高压燃气管、车站结构和周边环境安全。——论文作者：崔 青 玉 ，白 雪 梅 ，张 聚 旺
【参考文献】
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