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第41卷第8 期2023年8 月文章编号：10 0 9-7 7 6 7(2 0 2 3)0 8-0 2 8 3-0 6市放技术Journal of Municipal TechnologyVol.41,No.8Aug.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.08.283邻近地铁环境的地下雨水泵站结构优化及安全分析龙奇峰1*，叶小雷1,刘海博1,陈颂(1.北京市市政四建设工程有限责任公司，北京10 0 17 6；2.北京国道通公路设计研究院股份有限公司，北京10 0 0 7 3)摘要：排水系统是保证城市各项功能正常运行的重要基础设施，雨水泵站是排除低洼地区积水的重要设施。在城市复杂环境中，新建雨水泵站及其附属管线的施工会对既有建筑物产生影响，主要体现在过近距离开挖造成的岩土体应力重分布与新建结构本身重力荷载两方面。以北辛安路新建的雨水泵站为例，针对上述两类影响方式，通过改善岩土体力学性质、优化雨水泵站结构减小其重力荷载的方法降低了雨水泵站在施工、运营中对既有交通设施的影响，并使用有限元方法和结构力学方法验证了设计的可行性。实际运行结果显示，优化设计达到了预期的效果。关键词：雨水泵站；结构优化；安全分析；沉降控制；数值模拟中图分类号：TU992.25Structure Optimization and Safety Analysis of Underground Stormwater(1.Beijing Municipal No.4 Construction Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100176,China;2.Beijing Guodaotong Highway Design&Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100073,China)Abstract:Drainage systems are important infrastructures to ensure normal operation of various urban functions,andstormwater pumping stations are the best drainage facilities for removing stagnant water in low-lying areas.In thecomplex urban environment,a new stormwater pumping station and auxiliary pipelines will have an impact on thecompleted buildings,which mainly reflected in two aspects of the stress redistribution of the rock and soil caused bytoo close excavation and the gravity load of the new structure itself.The newly built stormwater pumping station inBeixinan Road was taken as an example.In view of the above two types of influence ways,the influence of thestormwater pumping station on the existing transportation facilities was reduced during construction and operation byimproving the mechanical properties of rock and soil and optimizing the structure of the stormwater pumping stationto reduce the gravity load.The feasibility of the design was verified by finite element method and structural mechanicsmethod.The actual operation results show that optimization design has achieved the expected effect.Key words:stormwater pumping station;structure optimization;safety analysis;sedimentation control;numericalsimulation文献标志码：BPumping Station Adjacent to SubwayLong Qifeng*,Ye Xiaolei,Liu Haibo,Chen Song?雨水泵站是排除低洼地区积水的重要城市基础设施。伴随着城市建设与发展，原有的城市排水收稿日期：2 0 2 3-0 5-0 9作者简介：龙奇峰，男，工程师，主要从事市政道路桥梁厂站工程施工工作。引文格式：龙奇峰，叶小雷，刘海博，等.邻近地铁环境的地下雨水泵站结构优化及安全分析.市政技术，2 0 2 3，41（8）：2 8 3-2 8 8.（LONGQF,YE X L,LIU H B,et al.Structure optimization and safety analysis of underground stormwater pumping station adjacent to subway JJ.Journal of municipal technology,2023,41(8):283-288.)系统逐渐无法满足雨水排泄的需求2,而兴建新的排水设施又受到城市道路、地铁、高架桥等交通设市放技术284Journal of Municipal Technology施的影响，这意味着在雨水泵站修建过程中既要考虑对城市交通的影响，也要考虑可能对城市交通设施产生的危害3-8。笔者以同时处于多条轨道交通线路与道路附近的金安桥雨水泵站及其附属管线为对第41卷百锅金顶街五北金职南路施工终点K2+113.702金项用路中路金瑞南路象，研究了城市复杂环境下雨水泵站的结构与施工方法，并提出优化措施，最终验证了方案的合理性。1工程概况北辛安路位于北京市石景山区中西部，以长安街西延线为界，分为南、北两段,其中北段南起长安街西延，北至阜石路，总长为2.14km。北辛安路为城市主干路，设计时速6 0 km/h。北辛安路北段已于2018年建成通车，但其K1+896至设计终点段下穿大台铁路及轨道交通S1线，形成立交。由于道路低点的雨水不能自流排除，每年大雨时均会出现积水情况，因此急需建设1座雨水泵站。该工程包含新建雨水泵站及其附属管线（其中进水管线按施工工艺分为顶管暗挖管线与明开施工管线），如图1所示。雨水泵站平面尺寸为2 1.6 5mx31.08m，深2 0.55m；设0 8 0 0 mm护坡桩，桩长6.0 m，桩间距8.0 m。2风险分析与优化措施新建雨水泵站处于复杂的城市综合交通设施旁，包括：1)高架设施：轨道交通S1线四道桥站一金安S1线图1新建雨水泵站及其附属管线位置平面图Fig.1 Location plan of the new stormwater pumping station andauxiliary pipelines桥站高架区间受工程影响；2)地铁设施：地铁6 号线和11号线穿越工程施工范围。2.1高架设施轨道交通S1线四道桥站一金安桥站为高架区间。高架桥上梁宽12 m、高1.8 m，单箱单室；下部结构采用花瓶墩，矩形实体墩台，支座均为球型支座；承台为6 桩承台，设计埋深约为2.0 m，并使用直径1250mm的钻孔灌注桥桩，受力结构为摩擦桩，设计桩长17 m。高架桥与雨水管道位置关系如图2 所示。地铁6 号线进水箱和平街K1+890.985雨水泵站施工终点K1+788DK8+30.075?88.0086.0084.0082.0080.0078.0076.0074.0072.0070.0068.0066.0064.0062.0060.0058.0056.0054.0052.0050.0048.0046.0044.0042.00DK8+-40.25?84.653中低速磁悬浮S1线80.95380.6512.50072951%15%6.468.9567.85463.8562.65Z.084.60280.902267008/0102149515%?7250 4200LLOI000LI超前深孔注浆64159825-4:27320002.000612.75012501250说明：本图尺寸除高程及里程以米计外，其余均以毫米计。图2 高架桥与雨水管道位置关系截面图Fig.2 Cross-section of the viaduct and stormwater pipe1%1.5%0osl2030028891超前深孔注浆548984507200020002/2352.3009100100010006480|805283626480000LI7535第8 期1)风险分析：轨道交通S1线四道桥站一金安桥站区间轨道结构采用的是中低速磁悬浮轨道结构，中低速磁悬浮轨道采用轨排结构，,轨排的功能是支撑磁悬浮列车，为列车提供悬浮力、导向力、牵引力和制动力。轨排是列车悬浮、行驶和停放的设备，直接受到来自列车的负荷，并将其传至桥梁和支墩等结构物，因此轨排必须坚固稳定,轨排与承轨台二者之间由扣件连接5。雨水管道施工对桥墩产生的影响主要包括两个方面：一是开挖边坡可能造成桥墩沉降；二是雨水管道渗漏水可能造成桥墩位移。2)优化措施与实现方法：为降低边坡开挖对桥墩造成的影响，采用了较小的放坡角度，基槽采用1:0.5放坡。同时，这一角度也确保了基槽上口线距离桥墩承台大于3m，在水平、竖直两个方向做到了对桥墩的保护。考虑到设计优化后的坡度自稳能力较强,因此坡面仅采用喷射C20混凝土防护。雨水管道采用钢筋混凝土承插口、混凝土满包，管道内壁及检查井内壁喷涂铁树脂；按污水管道要求增做闭水试验，确保管道不渗漏水。模拟计算结果显示（如图3所示），这一坡度下边坡开挖造成的桥墩最大沉降量为0.2 44mm。后期测量显示，桥墩实际沉降量在0.15 mm 左右。+6.32887e-003+5.85382e-003+5.37877e-00323.494+4.90373e-0034543.95363-03+4.42868e-0030.04347580030.043.0053030.091.690+2.52848e-00324.5%10.49+2.05343e-003+1.57838e-003.8+1.10333e-003+6.28279e-004图3桥墩模拟计算结果Fig.3 Simulation calculation results of bridge piers2.2地铁车站1)风险分析：金安桥站为地铁6 号线西延线、轨道交通S1线和规划地铁11号线的三线换乘车站6。雨水方沟与地铁6 号线垂直净距约为3.58 m，与地铁11号线金安桥站顶板垂直净距约为0.6 6 m。如此近距离之下，无论是管道开挖施工不合理还是渗漏水，都将对地铁车站造成不可逆的结构损伤。雨水泵站与地铁11号线金安桥站位置关系如图4、5龙奇峰等：邻近地铁环境的地下雨水泵站结构优化及安全分析31.50m图4雨水泵站与地铁11号线金安桥站位置关系平面图Fig.4 Plan of the stormwater pumping station and JinanqiaoStation of Metro Line 112)优化措施与实现方法：雨水管道采用钢筋混凝土承插口、混凝土满包，在保证结构强度的同时4.3%17.9%3.6%285所示；地铁11号线金安桥站E出口与雨水管道位置关系如图6 所示。一080-20915.74m10j67m拟建雨水泵站基坑也有防水效果。针对雨水方沟开挖施工可能对地铁车站造成的影响，对沟槽支撑结构进行了快速施工，以防止岩土体应力过度释放对地铁车站结构造成损伤。通过调整应力释放系数模拟了这一施工措施，其结果（如图7 所示)显示地铁车站最大沉降量为0.046mm,说明雨水方沟施工对地铁车站的影响较小。2.3地铁区间1)风险分析：雨水泵站竖井初衬距离地铁6 号线区间结构最小距离为4.9 3m，锚杆距离地铁6 号线结构最小距离为3.38 m；竖井初衬距离地铁11号线E出口结构最小距离为10.2 2 m，锚杆距离地铁11号线结构最小距离为8.8 7 m。与雨水方沟或雨水管道不同，竖井施工将极大地改变原有地应力场分布，同时新建雨水泵站设施又会对围岩施加新的荷载，基坑支护锚杆还会改变地层岩土体力学性质。2)优化措施与实现方法：首先，针对竖井支护措施做出改善。竖井位于北辛安路主干线上，支护措施受限于工期与环保要求，故采用倒挂井壁支护形式，外加注浆锚杆。支护衬砌厚度为350 mm，混凝土40.07m地铁11号线金安桥站市放技术286Journal of Municipal Technology泵站基坑81.60冠梁90 0 x800第41卷80.801C678.794临时封底7 3.6 01067065.552165016750护拔椎0 8 0 0 0 150 0L=20.55m59.551574060.58159.58T397500100001500周护推52.59451.72。?54.52565L=25.20m图5雨水泵站与地铁11号线金安桥站位置关系剖面图Fig.5 Profile of the stormwater pumping station and Jinanqiao Station of Metro Line 1188.0086.0084.001-0.K0082.0080.6580.0079.78.8578.0077.6576.6576.0074.0072.0070.0068.0066.0064.0062.0060.0058.0056.0054.0052.0050.00强度等级为C30,通过减小衬砌厚度并提高混凝土强度来减少其对岩土体的重力荷载。同时优化支护锚杆的长度和倾角，锁脚锚杆长度为3m、倾角为45，配合注浆，使得锚杆施工不仅不会影响地铁区间上部围岩的稳定性，还能强化其力学性质，以保障地铁区间结构的稳定性。另外，对雨水泵站结构做出设计优化,即对楼板结构做中空处理以减轻自重,以防止地铁隧道顶板下沉。由于该措施对雨水泵站本身的结构有较大影响，故需要对泵站本身的结构强度81.140141572.1568.95677.85O65.8563:33552,57.i554.4.9578.801区地面线J日一6 页工作74.4315371.14070.79063图6 地铁11号线金安桥站E出口与雨水管道位置关系剖面图Fig.6 Profile of the Exit E and stormwater pipe of Jinanqiao Station of Metro Line 1111号线金安桥站号风道135268135287001022031100L3110001C60E150050.894做出计算，其详细过程见下文。模拟计算结果显示（如图8 所示），地铁区间的最大沉降量仅为0.2 2 4mm，说明竖井施工对地铁区间影响较小。3雨水泵站特殊结构的力学计算前文所述特殊结构使得楼板面积大大减小，这造成了2 个特殊的问题：一是楼板本身的承载力是否满足要求；二是施工过程中作为模板支架的脚手架低端支撑点变少，脚手架结构可能存在不稳定的59.78158.7812230136工字钢间距12 0 0 mm第8 期Fig.7 Simulation calculation results of subway stations29%+3.50817e-0035+3.14279e-003+2.77740e-00342.41201e-0035.496.89+2.04663e-003+1.68124e-003+1.31586e-003+9.50469e-004+5.85083c-004+2.19697e-00431.456900-004龙奇峰等：邻近地铁环境的地下雨水泵站结构优化及安全分析+5.81946c004.2%+4.92654e-004+4.03362e-00423.2+3.14070e-0045.19+2.24779e-0044.3%+1.35487e-0047.1%+4.61951e-00525.4.30967e0058.4%-1.32389e-004.2-2.21680e-0040.3%3.10972e-0040.544.00264e-0044.89556e-004图7 地铁车站模拟计算结果+4.23895003+3.87356e-003287PLO30500-4.4m处满支脚手架，染100100/200(4)部分加密支撑48mm钢管下翼缘防失稳支撑图10 楼板与模板支架整体结构平面示意图Fig.10 Plan of the overall structure of floor and formwork support根据力学分配原理，-4.4m处楼板将承受如图11所示红色区域上部传递的荷载，荷载传递区面积S=6.3/2x(4.2/2+6+5.8/2)=34.65 m。图8 地铁区间模拟计算结果Fig.8 Simulation calculation results of subway intervals情况8。针对这一特殊结构,进行了力学计算，以保证雨水泵站本身的施工安全。计算对象主要为施工过程中的楼板与脚手架。雨水泵站模板支撑采用圆盘式脚手架，于-4.4m处楼板承载，而4.4m处楼板为减轻自重优化为中空结构(如图9所示）。楼板与模板支架的整体结构如图10所示。分别计算承载面积与荷载，以得到均布荷载。图9楼板中空结构现场图Fig.9 Scene diagram of hollow structure of the floor-4.4m处满支脚手架，梁部分加密支撑48mm钢管下翼缘防失稳支撑Fig.11 Schematic diagram of the load transfer zone对荷载情况进行计算，其中：工字钢重量为：I36工字钢每根长6.3m，共10 根，其每米质量为6 0 kg，则工字钢总重Gi=10/26.3x60 x10/1 000=18.9 kN。脚手架重量为：脚手架间距为1.2 mx1.2m，高度为5.4m,每平方米脚手架荷载G2=6.06x(5.4+1.225)x10/1 000J/(1.2x1.2)=0.732 kN/m。施工荷载标准值按规范取2.5kN/m,现浇混凝自重取 2 5 kN/m。根据上述荷载，做荷载组合，则分配区总荷载为：F=1.3(0.1225)+1.4(2.5+0.732)34.65+1.4136工字钢间距12 0 0 mm图11荷载传递区示意图市放技术288Journal of Municipal Technology18.9=318.379 kN。再对-4.4m处楼板分配面积进行计算，其示意图如图12 所示。448mm钢管下翼缘防失稳支撑Fig.12 Schematic diagram of the bearing area承载区面积S=3.3x(3.9+6+5.5)=50.82m。则-4.4m处楼板承担的均布荷载为：Fi=318.379/50.82=6.26 kN/m。由此可知，-4.4m处楼板承受的荷载最大值为6.26kN/m,小于允许值7 kN/m,考虑到计算中取的系数都较安全，故实际荷载将小于7 kN/m。4结语在地铁、高架桥与道路复杂交织的城市地区修建雨水泵站及其附属管线可能会对城市交通和交通设施产生严重影响。笔者以北辛安路新建的雨水泵站为例，通过优化设计与施工手段，保障雨水泵站施工不会对地铁和高架结构造成较大沉降影响。主要优化方法为：1)对雨水泵站周围可能被影响的高架桥、地铁与道路进行位置、结构情况排查，根据排查结果调整放坡的坡度，使得土压力平衡的同时，基坑距离已有设施较远。根据设计优化后的安全穴余度，选用了结构轻薄的喷射混凝土支护方式。2)对基坑附近土体进行注浆加固与锚杆支护，改善土体性质，大大减小了基坑开挖产生的主动土压力可能造成的地面沉降。在传统注浆方式的基础上调整注浆锚杆的角度，减少了锚杆钻进过程对岩土体的扰动。3)对雨水泵站结构进行优化，减去了大量楼板第41卷（约1/2），从而减轻了楼板自重。楼板面积减少后，对小面积楼板的承载能力进行了计算。同时，因楼板面积减小，上部结构浇筑模板支架处于临空状态，对支架进行了模拟计算确保了支架的稳定性。从实际运行情况来看，上述措施的实施取得了预期的效果。MET-4.4m处满支脚手架，梁部分加密支撑136工字钢间距12 0 0 mm32752525图12 承载区示意图参考文献【1卢文凯.京津合作示范区雨水泵站及初雨调蓄池设计J.城市道桥与防洪,2 0 2 2(11):12 5-12 8.(LUWK.Design of rainwaterpumping station and initial rainwater storage tank in Beijing-Tianjin cooperation demonstration zoneJ.Urban roads bridges&flood control,2022(11):125-128.)【2 业伟.基于我国海绵城市视角下的城市市政排水建设研究J.中国建筑装饰装修，2 0 2 3（5)：6 8-7 0.（YEW.Researchonurban municipal drainage construction from the perspective ofsponge city in ChinaJ.Interior architecture of China,2023(5):68-70.)【3祝成.浅谈城市雨水防涝之管网排查J.建设科技,2 0 2 3(5)：37-39,45.(ZHU C.Discussion on pipe network inspection of urbanrainwater and waterlogging prevention J.Construction scienceand technology,2023(5):37-39,45.)【4】陆东燕.雨水泵站工程沉井下沉施工监督管控J.山西建筑，2023,49(9):107-110.(LU D Y.Supervision and managementof construction of sunk caissons of rainwater pumping stationsJ.Shanxi architecture,2023,49(9):107-110.)5顾超，徐少亭，欧阳省.北京地铁S1线中低速磁浮车辆制动力响应优化J.智慧轨道交通2 0 2 2,59(2)：56-6 3.（GUC,XUST,OUYANG X.Optimization of braking force response of low-speed magnetic levitation vehicles on Beijing Metro S1 LineJ.Smart rail transit,2022,59(2):56-63.)【6 王耀.北京地铁6 号线常营站一体化地下空间项目开发建设模式研究J.铁道勘察,2 0 2 2,48(1):10 1-10 4.（WANGY.Research on the development and construction mode of Changy-ing Station of Beijing Metro Line 6 integrated underground spaceprojectJ.Railway investigation and surveying,2022,48(1):101-104.)7 任杏凯.北京地铁11号线西段工程汛期施工重点J.山西建筑,2 0 2 3,49(9):18 2-18 4.(REN X K.On critical constructionpoints for west section of Beijing Metro Line 11 during flood sea-sonsJ.Shanxi architecture,2023,49(9):182-184.)【8 刘文焱.大型雨水泵站的设计要点研究J.中国高新科技，2022(8):159-160.(LIU W Y.Research on design key points oflarge-scale rainwater pumping stationJ.China high-tech,2022(8):159-160.)其他作者：叶小雷，男，高级工程师，主要从事市政道路桥梁厂站工程施工工作。刘海博，男，助理工程师，主要从事市政道路桥梁厂站工程施工工作。陈颂，男，工程师，主要从事排水、污水处理及市政公路工程设计工作。