李 健
(山西省城市規(guī)劃設(shè)計研究院工程設(shè)計中心,山西 太原 030001)
地下綜合管廊是指在城市地下用于集中敷設(shè)電力、通信、廣播電視、給水、排水、熱力、燃氣等市政管線的公共隧道。推進城市地下綜合管廊建設(shè),統(tǒng)籌各類市政管線的規(guī)劃、建設(shè)和管理,解決反復(fù)開挖路面、架空線網(wǎng)密集、管線事故頻發(fā)等問題,管道不接觸土壤和地下水因此避免了酸堿物質(zhì)的腐蝕延長了管道的使用壽命。有利于保障城市安全、完善城市功能、美化城市景觀,有利于提高城市綜合承載能力和城鎮(zhèn)化發(fā)展質(zhì)量。代表著城市地下管線建設(shè)和發(fā)展的方向,是城市市政基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化的標(biāo)志之一。本文對某綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中要點的總結(jié),為地下綜合管廊工程設(shè)計提供了技術(shù)依據(jù)。
該綜合管廊為三艙布置,以滿足給水管線、熱力管線、燃氣管線、污水管道入廊使用要求。管廊建設(shè)長度13.5km,布置在道路東側(cè)綠化帶、非機動車道、人行道下。管廊基坑深度7.5 米左右。
依據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》,工程結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為100 年??拐鹪O(shè)防按乙類建筑物進行設(shè)計。結(jié)構(gòu)安全等級為一級。防水等級標(biāo)準(zhǔn)不低于Ⅱ級。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫控制等級為三級,最大裂縫寬度限值不大于0.2mm。
綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)對承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行計算。(1)承載力極限狀態(tài):包括結(jié)構(gòu)的承載力計算、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性驗算(滑移、抗浮等)。(2)正常使用極限狀態(tài):對結(jié)構(gòu)構(gòu)件分別按作用效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合或長期效應(yīng)的準(zhǔn)永久組合進行驗算。
計算模型:結(jié)構(gòu)的截面內(nèi)力計算模型采用閉合框架模型。
綜合管廊在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)考慮永久荷載、可變荷載。
(1)永久荷載包括結(jié)構(gòu)自重、土壓力、水壓力、混凝土收縮和徐變產(chǎn)生的荷載等。
(2)可變荷載包括道路人群荷載、車輛荷載、施工荷載等。管廊頂板活荷載按城-A 級汽車車輛荷載設(shè)計。
本工程混凝土強度等級選取不低于C35。墊層采用 C15 素混凝土???jié)B等級P6。鋼筋采用HPB300、HRB400。
綜合管廊的標(biāo)準(zhǔn)斷面選取應(yīng)根據(jù)使用要求、結(jié)構(gòu)類型、受力條件和所處環(huán)境來確定,并考慮耐久性、可靠性和經(jīng)濟性以及施工難度、地基處理等方面因素。本工程為滿足給水管線、熱力管線、燃氣管線、污水管道入廊使用要求,以及規(guī)范對天然氣管道應(yīng)獨立設(shè)艙、熱力管道不應(yīng)與電力電纜同艙敷設(shè)的要求,采用混合艙、燃氣艙、電力電信艙三艙布置形式。
根據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》,燃氣艙、電力電信艙斷面內(nèi)部凈高,不小于2.4m 即可滿足規(guī)范要求,但為滿足工藝要求,混合艙凈高需達到3.3m。如此出現(xiàn)不等高斷面。盡管不等高斷面混凝土用量少,經(jīng)濟性好,但存在結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中、剛度突變、施工及防水處理難度大等諸多缺點,因此選取了等高斷面。根據(jù)工藝要求,標(biāo)準(zhǔn)斷面三艙跨度分別設(shè)為5750mm、1900mm、2600mm。因三艙跨度差異較大,跨度最大的混合艙位置居中或居側(cè)布置,各有利弊。如下圖所示,若混合艙居中(方案一),頂板跨中彎矩和壁板支座彎矩均較小,結(jié)構(gòu)受力較均勻,結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性較好;若混合艙居側(cè)(方案二),管廊的檢查井、通風(fēng)井、安裝口設(shè)置簡單,與地面聯(lián)系便捷,管線接入方便,投入使用后維護管理方便。綜合考慮其他相關(guān)專業(yè)設(shè)計、施工需求,以及日后維護管理方便等諸多因素,最終選擇方案二。
目前,國內(nèi)投入使用的管廊分現(xiàn)澆混凝土綜合管廊和預(yù)制拼裝混凝土綜合管廊。
現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)是綜合管廊的主要結(jié)構(gòu)形式,其優(yōu)點包括:(1)截面變化靈活,可以根據(jù)管廊設(shè)計進行現(xiàn)場支模澆筑生產(chǎn);(2)原地施工,減掉了預(yù)制工法需要運輸和安裝的步驟;(3)施工方法成熟,對于異形段和分支段處理靈活。但是現(xiàn)場制作的管廊伸縮縫采用橡膠止水帶連接,抗地基不均勻沉降能力差,接口易發(fā)生上下錯位和變形;同時現(xiàn)澆施工需留支??臻g,土方量增大,對周邊環(huán)境破壞也大,不利于生態(tài)環(huán)境的保護。
預(yù)制綜合管廊結(jié)構(gòu)在我國起步較晚,但也在多個大型工程中得到應(yīng)用,其優(yōu)點包括:(1)將現(xiàn)場支模澆筑工程放在了工廠進行統(tǒng)一生產(chǎn),施工人員工作環(huán)境較好,施工安全系數(shù)提高,減掉了現(xiàn)場多次支模、多次澆筑的麻煩,大大縮短施工周期;(2)工業(yè)化批量生產(chǎn),質(zhì)量可控性強,保證了產(chǎn)品規(guī)格質(zhì)量的統(tǒng)一,提高了綜合管廊的生產(chǎn)效率;(3)工程開挖量小,提高了施工速度,降低了對周圍環(huán)境的影響。
綜合比較,預(yù)制管廊優(yōu)于現(xiàn)澆管廊。但在山西境內(nèi)無預(yù)制綜合管廊生產(chǎn)基地,如果選用預(yù)制管廊,需要從外省進行長途運輸,造成工程造價的提高。綜合分析考慮,本工程采用現(xiàn)澆混凝土綜合管廊結(jié)構(gòu)。
根據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》,沿線每隔20m 左右應(yīng)設(shè)置一道伸縮縫,伸縮縫中間設(shè)置橡膠止水帶,并用低發(fā)泡塑料板和雙組份聚硫密封膏嵌縫處理。處理好伸縮縫兩側(cè)地基,避免在變形縫處產(chǎn)生不均勻沉降。另外還采取在變形縫處加設(shè)墊塊等構(gòu)造措施減小管廊接縫處沉降差。
(1)地基處理:本工程場地深度范圍內(nèi)地基土自上而下可分為5 層,分別為雜填土和素填土、濕陷性粉土、粉土、中砂、圓礫。其中從北向南約10.5km 的長度區(qū)間內(nèi),管廊的基礎(chǔ)持力層為第2 層濕陷性粉土,濕陷性等級為非自重Ⅰ級(輕微)和自重濕陷Ⅱ級(中等),由于《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》未涉及地基處理,根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》可選擇灰土換填或灰土擠密樁地基處理方案。采用灰土換填處理需擴出基礎(chǔ)外緣寬度為2.0m,需要有較寬的施工場地,而本工程緊鄰既有國道,難以外擴;同時換填厚度為2.0m,使得基坑支護深度超過鋼板樁長度,支護難度明顯加大,反而增加工程造價;采用灰土擠密樁,雖然工程周期長,但對施工場地要求小,支護難度小,故選用此法處理地基。
(2)邊坡支護:本工程地下管廊分為標(biāo)準(zhǔn)段和下穿箱構(gòu)段兩部分,標(biāo)準(zhǔn)段基底埋深在6.5-10 米之間,下穿箱構(gòu)段基底呈梯形狀,埋深在10-15 米之間,且基坑深度范圍內(nèi)為新近堆積土、砂類土和砂卵石層,土質(zhì)穩(wěn)定性較差,為保證施工安全、可靠,采取相應(yīng)支擋措施。標(biāo)準(zhǔn)段基坑范圍內(nèi)采用鋼板樁或者拉森鋼板樁加內(nèi)支撐,樁長12 米,鋼板樁和拉森鋼板樁支護結(jié)束后均可拔出重復(fù)利用。下穿段采用鋼筋混凝土灌注樁加內(nèi)支撐的支護方案,采用灌注樁支護時開挖遇到地下水的情況,在灌注樁之間采用高壓旋噴樁止水,樁徑500mm,樁長為開挖深度加5 米。要求在正式打樁前應(yīng)進行試樁,驗算其在卵石層中打樁的可能性。
當(dāng)前,我國正處于城鎮(zhèn)化與現(xiàn)代化的快速發(fā)展時期,城市對地下管線需求將越來越大,傳統(tǒng)的管線敷設(shè)方法已不能滿足使用要求,城市綜合管廊將是未來的發(fā)展方向,但綜合管廊在我國仍處于起步階段,相關(guān)的規(guī)范及理論還不成熟,這就需要我們相關(guān)人員共同努力,早日形成完善的關(guān)于綜合管廊設(shè)計及施工的理論體系。