基于烏魯木齊市某綜合管廊項(xiàng)目的相關(guān)設(shè)計(jì)問題探討

張海銀

（上海市政工程設(shè)計(jì)有限公司，上海市200092）

0 引 言

地下綜合管廊因其集約化容納各類管線，避免了由于單獨(dú)敷設(shè)和維修地下管線頻繁挖掘道路而對交通和居民出行造成影響和干擾。綜合管廊內(nèi)管線布置緊湊合理，有效利用了城市地下空間，節(jié)約城市用地，美化城市環(huán)境。綜合管廊是保障城市運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和“生命線”，在對滿足民生基本需求和提高城市綜合承載力方面發(fā)揮著重要作用。作為國家“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略的核心地區(qū)，烏魯木齊市響應(yīng)國家相關(guān)政策，大力投資發(fā)展綜合管廊建設(shè)，積累了諸多經(jīng)驗(yàn)。但因工程地質(zhì)、項(xiàng)目特點(diǎn)、邊界條件等不同，新的項(xiàng)目在建設(shè)過程中也會面臨新的問題。諸如投料口常規(guī)設(shè)計(jì)為每個(gè)艙室上方均設(shè)置相互獨(dú)立的投料口部，一定程度上增加投資及設(shè)計(jì)難度，且出地面的可開啟蓋板也會對城市景觀產(chǎn)生諸多不利影響；隨著城市地下空間的進(jìn)一步開發(fā)，綜合管廊與隧道、地鐵等地下建（構(gòu)）筑物臨近或交叉的情況也會越來越多，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)受力如何考慮等。論文依托具體工程實(shí)例，對相關(guān)設(shè)計(jì)問題提出解決方案，以期為類似工程項(xiàng)目提供參考借鑒。

1 工程概況

擬建綜合管廊工程位于烏魯木齊市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，是與道路、橋梁等同步建設(shè)的綜合管廊工程。管廊總長度約11.3 km，采用兩艙矩形斷面，艙室劃分為電力艙、綜合艙，入廊管線有給水、中水、電力、通信等四類管線，如圖1 所示。管廊標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)外尺寸為6.1 m×4.2 m，基底埋深約8.0 m。管廊沿線除標(biāo)準(zhǔn)段外還設(shè)置了通風(fēng)口、投料口、人員出入口、引出口、交叉口、端頭井、變電所、消防泵房等非標(biāo)節(jié)點(diǎn)。管廊基本位于60 m 寬度的道路紅線范圍內(nèi)，并布置在道路北側(cè)綠化帶及機(jī)動車道下。

圖1 綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面圖（單位：mm）

2 管廊投料口的新做法

綜合管廊投料口的常規(guī)做法為在每個(gè)艙室上方均設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的地面投料口，地面投料口需設(shè)置于綠化帶或人行道范圍內(nèi)以便安裝及檢修，如圖2 所示。給水、中水等成品管道的管節(jié)長度為8～10 m（產(chǎn)權(quán)單位提供），因此需要開設(shè)上下對齊的較大洞口。按照常規(guī)做法，該類型的投料口存在如下問題：（1）較多較長的地面投料口對綠化帶或人行道景觀效果產(chǎn)生更多不利影響，口部設(shè)置于人行道下會因拆除及恢復(fù)人行道鋪裝而增加后期檢修的成本。（2）因平行的上下開長洞導(dǎo)致頂板、中板對側(cè)墻的約束減弱，按照《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（CECS138—2002）[1]6.1.4 條，經(jīng)計(jì)算包括該工程在內(nèi)的多數(shù)管廊均不滿足當(dāng)ng≥m4（HB/b）時(shí)開洞頂板或中板可作為側(cè)墻不動鉸支承的條件，即需按照彈性支承考慮，此時(shí)計(jì)算出的側(cè)墻受力結(jié)果偏大，縱、橫向配筋均需加強(qiáng)。

圖2 投料口橫斷面示意圖A（單位：mm）

鑒于以上問題，本文提出了投料口的新做法，地面僅在綠化帶內(nèi)保留一個(gè)投料口部，各類管線均通過該口部下料，非垂直下方的管材則通過在中板上進(jìn)行橫向運(yùn)輸后再行下料（如圖3 所示），至于防火分區(qū)的問題則可以通過在中板上方加設(shè)防火蓋板來解決。該投料口做法能夠有效減小地面口部對景觀及后期運(yùn)維的不利影響，同時(shí)頂板一側(cè)能對側(cè)墻起到有效支承，經(jīng)計(jì)算，該投料口的配筋量及混凝土用量均有所減少，相比常規(guī)做法更經(jīng)濟(jì)合理。該投料口的做法目前已應(yīng)用到多個(gè)工程項(xiàng)目中。

圖3 投料口橫斷面示意圖B（單位：mm）

3 標(biāo)準(zhǔn)段支座處的縱筋錨固

綜合管廊的標(biāo)準(zhǔn)段支座處的縱向受力鋼筋錨固問題是在設(shè)計(jì)過程中遇到并值得討論的問題，綜合管廊的結(jié)構(gòu)模型類似于城市車行地道，屬于矩形單孔或多孔閉合框架。不同在于其外荷載、結(jié)構(gòu)高度、跨度均相對較小，因此頂?shù)装濉?cè)墻等結(jié)構(gòu)厚度也相對較小，常規(guī)的市政綜合管廊頂?shù)装寮皞?cè)墻厚度約300～500 mm。本文管廊設(shè)計(jì)壁板厚度為400 mm，受拉鋼筋基本錨固長度labE=33d，按照國家規(guī)范及相關(guān)圖集的要求，支座處縱筋錨固采用直錨顯然不能滿足要求，必須通過彎錨形式，但彎錨的平直段長度是否能滿足錨固的強(qiáng)度和抗滑移剛度值得探討。

綜合管廊屬閉合框架結(jié)構(gòu)，頂、底板與側(cè)墻之間的連接類似于90°折梁的節(jié)點(diǎn)連接，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）（2015 版）[2]中9.3.7 條頂層端節(jié)點(diǎn)梁柱連接與之原理相同。梁、柱端均主要承受負(fù)彎矩，該節(jié)點(diǎn)外側(cè)鋼筋不是錨固受力，而屬于搭接傳力問題（圖4 和圖5 中為規(guī)范給出的兩種搭接方式，圖4 為搭接接頭沿頂層端節(jié)點(diǎn)外側(cè)及梁端頂部布置，圖5 為搭接接頭沿節(jié)點(diǎn)外側(cè)直線布置）。若采用常規(guī)的梁錨柱做法，將無法保證節(jié)點(diǎn)區(qū)的搭接傳力從而無法發(fā)揮所需的正截面受彎承載力。因此在管廊頂、底板與側(cè)墻支座處的外側(cè)縱筋連接可以理解為通過搭接的方式進(jìn)行互錨，類似于《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（CECS138—2002）[1]7.1.11 條指出的水池池壁拐角處的鋼筋應(yīng)有足夠長度錨入相鄰池壁內(nèi)。

圖4 搭接接頭方式a

圖5 搭接接頭方式b

針對以上問題，本文針對綜合管廊的設(shè)計(jì)特點(diǎn)提出一種解決方案?？紤]到多數(shù)市政綜合管廊的結(jié)構(gòu)高度及跨度均不大，單個(gè)艙室的凈高及凈寬均在2.0～5.0 m 范圍內(nèi)。在進(jìn)行管廊外側(cè)受力鋼筋配筋設(shè)計(jì)時(shí)，并不需要進(jìn)行分段配筋，可采用通長配筋，然后將頂、底板及側(cè)墻的外側(cè)縱筋焊接成環(huán)，既解決了支座節(jié)點(diǎn)處的連接問題，也方便現(xiàn)場施工。同時(shí)，為了讓水平段黏結(jié)錨固和彎弧- 垂直段擠壓錨固雙管齊下以達(dá)到錨固強(qiáng)度及抗滑移剛度的要求，需控制平直段最小長度≥0.4labE。若平直段長度不夠，則可通過增加壁板厚度或在保證配筋面積的前提下調(diào)小鋼筋直徑減少鋼筋間距的方式來解決。

4 管廊下穿新建車行地道時(shí)的受力

擬建綜合管廊需下穿新建雙向八車道的車行地道，位置關(guān)系如圖6 所示，綜合管廊與上部車行地道豎向凈距為1.0 m。該工程地道為常規(guī)單箱雙室斷面，在進(jìn)行地道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要驗(yàn)算承載力是否滿足，利用Midas Civil 有限元軟件進(jìn)行計(jì)算（地基基床基數(shù)采用地勘建議值取K= 值60 000 kN/m3）得出如圖7 所示基底壓力圖。

圖6 綜合管廊下穿新建車行地道示意圖（單位：mm）

圖7 車行地道基底壓力計(jì)算結(jié)果（單位：kP a）

從圖7 中可以看出，基底壓力在地道側(cè)墻及中隔墻處存在應(yīng)力集中，中隔墻處基底壓力為289.0 kPa，而基底深度處等厚土體的壓力約為252.0 kPa。對比兩個(gè)數(shù)據(jù)可知，若在進(jìn)行下穿管廊的受力計(jì)算確定恒載時(shí)直接采用上覆土厚度對應(yīng)荷載來考慮，則計(jì)算結(jié)果偏不安全。在以上計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上延伸考慮，相同條件下采用不同的基床系數(shù)計(jì)算地道基底壓力，得出如表1 的結(jié)果，對比中隔墻處的基底壓力，可知基床系數(shù)越小，基底壓力越趨近于平均壓力，基床系數(shù)越大越容易產(chǎn)生中隔墻和側(cè)墻底的應(yīng)力集中。對于烏魯木齊市乃至大多新疆地區(qū)的地質(zhì)情況，地基土承載力較高，基床系數(shù)較大，基底壓力的應(yīng)力集中現(xiàn)象相對亦更加明顯，故遇到類似工程情況，在進(jìn)行管廊結(jié)構(gòu)受力計(jì)算時(shí)，建議考慮地道基底局部壓力的不利影響，并與上覆土重按照最不利情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5 臨近高架橋引道擋墻引起的管廊附加荷載

該工程設(shè)計(jì)了一條跨越現(xiàn)狀公路及鐵路的高架橋，因道路紅線寬度有限等邊界條件的限制，在進(jìn)行橋梁和管廊平面布置時(shí)，不可避免的產(chǎn)生了如圖8所示的二者臨近的情況。常規(guī)高架橋橋臺前會設(shè)置一段引道擋墻，高度約2.0～4.0 m。若管廊與擋墻足夠近，則在管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮擋墻和墻后填土及路面車載引起的附加恒、活載作用。

圖8 綜合管廊臨近引道擋墻示意圖

表1 不同基床系數(shù)對應(yīng)的地道中隔墻基底壓力

關(guān)于局部附加荷載的規(guī)范取值，《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330-2013）[3]附錄B.0.2 條及《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120—2012）[4]3.4.7 條的計(jì)算方法較為相似，區(qū)別在于附加荷載的擴(kuò)散角取值有所不同。前者與土力學(xué)[5]保持一致，即擴(kuò)散角后者取值角θ=45°。對于該工程中的擴(kuò)散角取值做如下分析，場地地層情況自上而下依次為素填土①、圓礫層②、卵石層③，素填土層厚1.5～8.2 m，主要由粉土、圓礫組成，混少量建筑垃圾和生活垃圾，部分地段植物根系發(fā)育，因?yàn)槠涑煞窒鄬?fù)雜，通常地勘報(bào)告中對首層素填土或雜填土等的力學(xué)性能指標(biāo)不予描述。因此表層土綜合內(nèi)摩擦角只能依據(jù)經(jīng)驗(yàn)來取值，取值是否合適較難判定；同時(shí)考慮到土壓力計(jì)算是個(gè)比較復(fù)雜的問題，土壓力計(jì)算方法的假定均要滿足相應(yīng)的邊界條件，例如圍護(hù)樁側(cè)土壓力，若樁頂位置較低時(shí)，將樁頂以上土層的自重折算成荷載后計(jì)算的土壓力會明顯小于這部分土實(shí)際產(chǎn)生的土壓力。因此，本文考慮對附加荷載的擴(kuò)散角取值進(jìn)行適當(dāng)放寬，即按照45°來計(jì)算，總體偏安全。

通過以上分析，結(jié)合該次工程案例確定臨近高架橋引道擋墻對管廊產(chǎn)生的側(cè)向附加荷載，可按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Δσk為側(cè)向附加荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；Ka 為主動土壓力系數(shù)；qL為局部均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2。

該項(xiàng)目橋梁寬度為13.5 m，引道擋墻范圍荷載可按照平均均布荷載考慮，不考慮擋墻基底的局部壓應(yīng)力；擋墻最大高度4.0 m，墻后填土容重約21 kN/m3；管廊與擋墻的凈距a=5.0 m；h=3.5 m、H=4.2 m；Ka 取值0.4；可計(jì)算得出引道擋墻恒載對管廊引起的附加荷載如下，活載引起的附加荷載計(jì)算方法類似。

側(cè)向附加荷載在管廊側(cè)墻上的作用范圍，如圖9所示，通過幾何知識可得出作用范圍Δh會隨a值的變化而變化。

圖9 附加荷載示意圖

式中：Δh為管廊上側(cè)向附加荷載的作用高度范圍，m；H為管廊標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)外尺寸高度，m；a為引道擋墻與管廊結(jié)構(gòu)的凈距，m；h為管廊頂板覆土厚度，m；為附加荷載的擴(kuò)散角，°，取θ=45°。

6 結(jié) 語

本文基于烏魯木齊市某綜合管廊工程實(shí)例，對設(shè)計(jì)過程中的相關(guān)問題進(jìn)行探討，提出相應(yīng)的解決方案，為后續(xù)類似工程提供參考借鑒，主要結(jié)論如下：

（1）對兩艙及以上綜合管廊，提出一種新的投料口做法，出地面口部僅保留一個(gè)開洞，通過中板上橫向運(yùn)輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)全部管線的投料，該做法可有效減小地面口部對道路景觀及管廊后期運(yùn)維的影響，同時(shí)相比常規(guī)設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)。

（2）對于綜合管廊頂?shù)装迮c側(cè)墻連接處節(jié)點(diǎn)鋼筋彎錨平直段不足問題，建議將外側(cè)受力鋼筋焊接成環(huán)，同時(shí)控制平直段最小長度≥0.4labE，讓水平段黏結(jié)錨固和彎弧- 垂直段擠壓錨固雙管齊下以達(dá)到錨固強(qiáng)度及抗滑移剛度的要求。

（3）綜合管廊下穿新建車行地道時(shí)，需考慮上方地道在中隔墻或側(cè)墻底基底局部壓力對管廊結(jié)構(gòu)受力的不利影響，地基基床系數(shù)越大，影響越大。

（4）綜合管廊臨近高架橋引道擋墻時(shí)，需考慮擋墻及墻后土對管廊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的側(cè)向附加荷載，文中提出了相應(yīng)的計(jì)算方法供參考。