烏市某綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

繆冬建

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

0 引言

地下綜合管廊是21世紀(jì)新型城市市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一，將管線集約化容納在地下綜合管廊中，不但美化了環(huán)境，也避免了由于埋設(shè)或維修管線而導(dǎo)致路面重復(fù)開挖的麻煩。作為國家“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略的核心地區(qū)，烏魯木齊市綜合管廊建設(shè)也開啟了新的局面。但烏魯木齊市作為其特殊的地域性，也給綜合管廊建設(shè)帶來了新的課題。如對(duì)抗震要求設(shè)計(jì)較高，因歷史原因?qū)е掠性S多長期廢棄并經(jīng)雜亂無章回填的大面積篩砂（石）坑的地基處理，熱力管道入廊較普遍等與其他城市綜合管廊建設(shè)不同的問題。本文結(jié)合具體工程項(xiàng)目，對(duì)其特殊性提供了經(jīng)濟(jì)合理的可實(shí)施方案，對(duì)同類工程項(xiàng)目給予參考。

1 工程概況

擬建工程為與道路合建的綜合管廊項(xiàng)目，位于烏魯木齊市城北片區(qū)和米東區(qū)，全長約12.8 km，三艙（電力艙+綜合艙+燃?xì)馀摚?，結(jié)構(gòu)外尺寸約12.2 m×5.6 m，基底埋深約9.1 m。標(biāo)準(zhǔn)段總長度為4 888 m，特殊段總長度為7 982 m。特殊段設(shè)置有端頭井、交叉口、變電所、出入口、通風(fēng)口、投料口、引出口等。綜合管廊與道路工程合建，道路紅線約60 m，管廊基本位于道路北側(cè)，且在道路紅線內(nèi)，口部基本布置于道路綠化分隔帶或人行道內(nèi)。入廊管線有電力、通信、給水、中水、熱力和燃?xì)猓ㄒ妶D 1、圖 2）。

圖1 綜合管廊沿道路布置示意圖

圖2 綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

2 管廊電力艙增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)

該工程主要特點(diǎn)是入廊管線種類及數(shù)量較多，導(dǎo)致電力艙室高度較高（4.6 m），對(duì)管線安裝帶來了不便。因考慮到熱力管道尺寸也較大（DN1200），艙室高度不便降低，若將電力艙室分隔兩層，對(duì)通風(fēng)、逃生設(shè)置均提高了難度。該工程在實(shí)施中增設(shè)了鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)，平時(shí)開啟，用時(shí)合蓋，既方便了電纜的安裝，對(duì)通風(fēng)、照明、逃生也均無影響。

3 管廊熱力艙室配筋處理

當(dāng)管廊內(nèi)敷設(shè)熱力管線時(shí)，艙室側(cè)壁內(nèi)外溫差產(chǎn)生的內(nèi)力須另行計(jì)算。參照《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程（CECS 138：2000）》6.1.9條[1]，如考慮內(nèi)外壁溫差在40℃情況下，若h=300 mm，得 M0=63 kN·m/m，裂縫 ω=0.14，原有設(shè)計(jì)配筋滿足規(guī)范要求。另外，在一般情況下，還可以通過通風(fēng)來消除內(nèi)外壁溫差產(chǎn)生的不利作用，且熱力艙室溫度過高也會(huì)對(duì)給水管道輸水不利。所以，正常情況下是安全的。

此外，還需考慮熱力管道在固定支座處產(chǎn)生的對(duì)主體結(jié)構(gòu)水平推力作用的影響。經(jīng)類似工程經(jīng)驗(yàn)，熱力管道固支推力隨管材規(guī)格不同有50 kN~2 000 kN不等，考慮到縱向配筋均為構(gòu)造配筋，對(duì)熱力管道處的縱向鋼筋需進(jìn)行加強(qiáng)。該工程暫按2 000 kN固支推力考慮，經(jīng)驗(yàn)算對(duì)原有構(gòu)造配筋16@150提高一檔為18@150，已能夠滿足承載力及裂縫要求。因該工程在設(shè)計(jì)時(shí)，入廊管線未同步參與設(shè)計(jì)，還未得知后續(xù)入廊管線的實(shí)際推力，在后續(xù)管線入廊設(shè)計(jì)時(shí)，還可以通過支墩調(diào)整及補(bǔ)償器的設(shè)置來消除部分推力的作用。

4 管廊投料口大開洞的處理

該工程熱力管道和燃?xì)夤艿拦芄?jié)長度為8~12 m（數(shù)據(jù)由熱力辦和燃?xì)饧瘓F(tuán)公司提供），投料口開洞較大，且上下均對(duì)齊開洞，對(duì)側(cè)墻受力影響較大。一般投料口的開洞位置布置有如圖3和圖4兩種。在無其他特殊原因情況下，一般在總體布置時(shí)，就應(yīng)建議選擇圖3橫斷面A將艙內(nèi)通道設(shè)置于艙室內(nèi)側(cè)。此外，在滿足工藝投料的條件下，應(yīng)使其開洞長度和寬度盡量小，以提高頂板和中板對(duì)側(cè)墻的側(cè)向剛度。

側(cè)墻受力計(jì)算主要有兩種方法：理論計(jì)算法和三維有限元法。理論計(jì)算法可參照《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程（CECS 138：2000）》6.1.4條[1]，當(dāng)ng≥0.25 m4（HB/b），開洞頂板或中板可視作側(cè)墻的不動(dòng)鉸支承。由公式可知，增加平臺(tái)板的寬度和提高平臺(tái)板的厚度均對(duì)側(cè)墻受力較好，且增加平臺(tái)板的寬度對(duì)側(cè)墻受力影響更明顯。經(jīng)計(jì)算比較，該工程無法滿足不動(dòng)鉸支承條件，即開洞頂板和中板對(duì)側(cè)墻受力均有削弱影響，需按彈性支承考慮。從圖5外側(cè)墻豎向彎矩云圖也可以看出，開洞處側(cè)墻的正彎矩最大值位置上移，且中板處的反彎矩點(diǎn)已不明顯了。此時(shí)，外側(cè)墻的豎向及縱向配筋均需加強(qiáng)。

圖3 投料口橫斷面A示意圖

圖5 外側(cè)墻豎向彎矩云圖（單位：kN·m）

另外在ng≥0.25 m4（HB/b）條件較接近時(shí)，也可采用增加頂板和中板的寬度（即如圖6所示），但此時(shí)對(duì)防水設(shè)置有一定的影響，可在實(shí)際工程中進(jìn)行取舍。

5 管廊抗震設(shè)計(jì)

該工程擬建場地抗震設(shè)防烈度為8度，基本地震加速度值為0.20 g；屬于設(shè)計(jì)地震分組第二組，建筑場地類別為Ⅱ類?？拐鹪O(shè)防類別：綜合管廊為重點(diǎn)設(shè)防類；抗震等級(jí)為二級(jí)，抗震構(gòu)造措施須按9度考慮。

綜合管廊現(xiàn)暫無專項(xiàng)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)時(shí)可參考《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2010）》（2016版）、《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范（GB50032-2003）》和《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50909-2014）》。按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2010）》（2016版）第 14.2.2條和14.2.3條及《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50909-2014）》第6.1.5條規(guī)定，綜合管廊可視為平面應(yīng)變模型，8度區(qū)時(shí)可僅計(jì)算橫向的水平地震作用，必要時(shí)宜同時(shí)計(jì)算結(jié)構(gòu)縱向水平地震作用[2]~[4]。因綜合管廊內(nèi)部無拱式結(jié)構(gòu)、長懸臂結(jié)構(gòu)或大跨度結(jié)構(gòu)，對(duì)豎向地震作用影響不敏感，可不用考慮豎向地震作用。

一般地下構(gòu)筑物按抗震性能要求可分為三個(gè)等級(jí)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，綜合管廊為重點(diǎn)設(shè)防類，參照《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50909-2014）》第3.2.4條所示地震計(jì)算需考慮：E2地震作用滿足結(jié)構(gòu)抗震性能Ⅰ和E3地震作用滿足結(jié)構(gòu)抗震性能Ⅱ[4]，此要求比《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（征求意見稿）》標(biāo)準(zhǔn)要高，故暫按《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50909-2014）》設(shè)計(jì)是偏安全的。具體計(jì)算可按反應(yīng)位移法或時(shí)程分析法，其中時(shí)程分析法比反應(yīng)位移法更符合實(shí)際情況，但時(shí)程分析法取值參數(shù)較困難，而反應(yīng)位移法比較偏向于理論分析解。在采用時(shí)程分析法時(shí)，需與反應(yīng)位移法計(jì)算作為對(duì)比[4]。

圖6 投料口橫斷面C示意圖

經(jīng)規(guī)范設(shè)計(jì)驗(yàn)算，該工程標(biāo)準(zhǔn)段按照裂縫考慮尺寸及配筋，能同時(shí)滿足水平橫向地震作用的影響，無需特殊提高處理；但非標(biāo)準(zhǔn)段如交叉口在有框架柱的情況下，須對(duì)柱尺寸進(jìn)行加強(qiáng)，必要時(shí)需對(duì)中隔墻進(jìn)行局部加厚處理；而在其他非標(biāo)準(zhǔn)段無框架梁柱僅為箱型結(jié)構(gòu)情況下，原有按裂縫考慮尺寸及配筋也能滿足水平橫向地震作用的影響。究其原因分析，主要是綜合管廊艙室尺寸較小，側(cè)墻抗剪能力相對(duì)較強(qiáng)，只有在交叉口等跨度較大需設(shè)置中間柱的時(shí)候才有可能會(huì)發(fā)生柱子的側(cè)向剪切破壞。此外，在設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)該注意中隔墻的厚度，一般中隔墻受力較小，較小的寬度即能滿足正常承載力及裂縫要求，但在地震作用下如果中隔墻厚度較薄，也容易產(chǎn)生剪切破壞。這也與1995年日本阪神地震中地鐵站受災(zāi)最嚴(yán)重的大開站實(shí)例符合，中柱先出現(xiàn)剪切破壞，從而導(dǎo)致頂板發(fā)生坍塌，底板出現(xiàn)反彎點(diǎn)裂縫[5]。所以，中柱及較薄的中隔墻在抗震要求較高的地區(qū)保證其軸壓比滿足一定的要求極為重要。此外，還需注意柱子部分構(gòu)造措施：如柱不能僅僅設(shè)置封閉式箍筋，還須加設(shè)聯(lián)系箍筋，滿足箍筋的肢距以形成網(wǎng)式箍筋；箍筋的間距還要適當(dāng)?shù)丶用?，尤其是在柱子的上下端；要保證柱子的截面要求，保證柱子不發(fā)生脆性破壞[5]。

地震作用計(jì)算，可參照《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50909-2014）》采用反應(yīng)位移法[4]，將周圍土體作為支撐結(jié)構(gòu)的地基彈簧，結(jié)構(gòu)可采用梁單元進(jìn)行建模，對(duì)管廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平橫向地震作用計(jì)算，計(jì)算簡圖如圖7所示。另外，還須驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的層間位移角以滿足限值要求。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)地震工況計(jì)算簡圖

綜合管廊水平縱向地震作用可按照《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范（GB50032-2003）》第 5.2.2節(jié)及附錄 C.1計(jì)算[3]。經(jīng)驗(yàn)算，可得出管廊每節(jié)段的長度與縱向變位限值的關(guān)系。管廊節(jié)段越短，越容易滿足縱向變位限值要求，其縱向地震能量被變形縫接頭所吸收；但是節(jié)段越短，對(duì)防水設(shè)計(jì)不利。該工程節(jié)段按常規(guī)取值30 m，均能夠滿足水平縱向地震作用。圖8為綜合管廊沿道路分布范圍圖。

此外，該工程管廊內(nèi)裝配式支吊架在設(shè)計(jì)時(shí)，也需要滿足《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50981-2014）》的相關(guān)要求[6]。

6 深厚采砂坑地基處理

圖8 綜合管廊沿道路分布范圍圖

根據(jù)地勘資料，篩砂坑范圍主要分布于北疆鐵路東側(cè)至北京北路、長春北路至田園路、河灘快速路東側(cè)華凌市場區(qū)域三段，共約2.0 km，基本各呈連貫狀態(tài)，與擬建管廊近垂直相交，其開采時(shí)間集中于2002年~2010年。擬建場地附近最大開采深度達(dá)48 m，開采后經(jīng)篩選取砂后余料（篩余料）直接回填，其組成物單一，主要為缺少細(xì)粒成分的卵石，粒徑集中于20 mm、40 mm及60 mm附近，回填物具大孔隙，呈松散狀態(tài)。經(jīng)現(xiàn)場勘探，認(rèn)為井孔壁極易坍塌，探井僅能揭露淺層地層。

該工程管廊基礎(chǔ)埋深9~14 m，根據(jù)地勘資料，篩砂坑范圍外基礎(chǔ)座落于③卵石及④層卵石層，無需進(jìn)行地基處理，可作為良好天然地基；篩砂坑范圍內(nèi)基礎(chǔ)座落于②層素填土，穩(wěn)定性差、密實(shí)度差，欠固結(jié)，尚未完成自重固結(jié)，屬欠固結(jié)土，需進(jìn)行地基處理。

篩沙坑范圍內(nèi)的②素填土（篩沙坑篩余料）穩(wěn)定性差、密實(shí)度差欠固結(jié)，尚未完成自重固結(jié)，屬欠固結(jié)土，自身沉降變形尚未完成，力學(xué)性質(zhì)極差，且厚度較大（最大層厚為48 m）。其實(shí)景見圖9所示。

該工程篩余料具有孔隙大，缺少細(xì)粒成分的卵石等特點(diǎn)?；陧?xiàng)目特點(diǎn)和周邊構(gòu)筑物情況，并結(jié)合烏魯木齊采砂坑常規(guī)地基處理經(jīng)驗(yàn)[7]，對(duì)篩沙坑提出了四種地基處理方案進(jìn)行比選：注漿法、全部置換+強(qiáng)夯補(bǔ)強(qiáng)、部分置換+強(qiáng)夯法、樁基礎(chǔ)法，方案比選見表1所列。

圖9 ②素填土（篩沙坑篩余料）之實(shí)景

因該工程篩余料空隙大，注漿法難以控制；全部置換代價(jià)高，且實(shí)施操作性較難；部分置換對(duì)于對(duì)沉降控制要求較高的管廊工程難以保證；而樁基礎(chǔ)法需采用鋼護(hù)筒，造價(jià)較高，故四種方法均有其優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也有明顯的局限性和不足之處。考慮到東進(jìn)場高架橋基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)法，同時(shí)從經(jīng)濟(jì)合理的角度對(duì)比分析，最終選用部分置換強(qiáng)夯（基底填土厚度≤3 m）+樁基礎(chǔ)法（基底填土厚度＞3.0 m）。

該工程在實(shí)施前采用試夯，夯擊能分別選取2 000 kN、4 000 kN和6 000 kN，夯間距均為4.5m。試夯后依據(jù)《建筑地基檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 340—2015）并結(jié)合地基平板載荷試驗(yàn)檢測確定：夯擊能2 000 kN的試驗(yàn)區(qū)夯后承載力特征值為120 kPa~150 kPa；夯擊能4 000 kN的試驗(yàn)區(qū)夯后承載力特征值為150 kPa~300 kPa；夯擊能6 000 kN的試驗(yàn)區(qū)夯后承載力特征值為300 kPa。結(jié)合現(xiàn)場動(dòng)探擊數(shù)判定：2 000 kN夯擊能的試驗(yàn)區(qū)地基土夯后0~3m深度內(nèi)呈稍密~中密，3.0 m以下為松散~稍密，影響深度約3.0 m；4 000 kN夯擊能的試驗(yàn)區(qū)地基土夯后0~1 m深度內(nèi)呈稍密~中密，1~4 m深度內(nèi)呈中密~密實(shí)，4.0 m以下為松散~稍密，影響深度約4.0 m；6 000 kN夯擊能的試驗(yàn)區(qū)4.0 m以上填土主要為卵石及漂石，4.0 m以下為天然卵石層，地質(zhì)條件較好，0~6 m深度內(nèi)土體呈中密~密實(shí)。

表1 采砂坑地基處理方案比選一覽表

從試夯結(jié)果也可看出，強(qiáng)夯影響深度范圍有限。該工程周邊雖無較密的建構(gòu)筑物，但局部區(qū)域有地下管線且有高壓鐵塔，夯擊能較大會(huì)對(duì)周邊有影響，原設(shè)計(jì)方案（3 m以內(nèi)換填夯實(shí)）是可行的。同時(shí)樁基礎(chǔ)采用鋼護(hù)套筒施工也可以防止篩余料塌孔的問題出現(xiàn)。

另外，在樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，還需要考慮篩余料為欠固結(jié)土對(duì)樁基樁側(cè)負(fù)摩阻力的影響。同時(shí)，試樁時(shí)也須注意其不利因素的影響。

縱觀可看出，采砂坑地基處理的選取與項(xiàng)目特點(diǎn)、周邊構(gòu)筑物情況及篩余料的特點(diǎn)有很大關(guān)系。該工程篩余料空隙率大，注漿難以控制，但若在篩余料范圍小或空隙率還可以的情況下，注漿法也可以選取，烏市城北主干道綜合管廊工程采砂坑處理即是選用的注漿法；而同樣的烏市某住宅小區(qū)即是采用的全部置換碾壓+部分強(qiáng)夯+復(fù)合地基的處理方法[7]。以上所列實(shí)際案例地基處理方式最終選取也有因其他原因所致。

7 結(jié)論

本文通過對(duì)烏市某具體工程案例結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中所遇到的實(shí)際問題的探討，提出相應(yīng)的處理方案，以便為后續(xù)類似工程提供借鑒，主要結(jié)論如下：

（1）管廊艙室高度不宜過高，但若實(shí)際條件不允許情況下，也可以通過設(shè)置可開啟的鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)以解決此問題。

（2）熱力管道入艙時(shí)，熱力艙室內(nèi)的側(cè)壁及頂?shù)装寰毧紤]溫差及管道支座推力的影響。

（3）投料口大開洞對(duì)側(cè)墻受力影響較大，且開洞宜設(shè)置在靠艙室內(nèi)側(cè)。

（4）管廊抗震設(shè)計(jì)須著重注意中柱和中隔墻的受力。結(jié)構(gòu)抗震情況下除須滿足承載力的要求，還須滿足軸壓比和層間位移角限值。另外，須注意柱子箍筋的肢距和間距，提高柱子的抗剪能力，避免柱子發(fā)生脆性破壞。

（5）對(duì)于烏市普遍會(huì)遇到的采砂坑的問題，要結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)和周邊構(gòu)筑物情況，并針對(duì)篩余料的特點(diǎn)，選取合適的地基處理方案。地基處理結(jié)束后，還須重視并加強(qiáng)沉降變形觀測，以確保工程建設(shè)安全。