裝配式波紋鋼方拱形地下綜合管廊
——以南京江北新區(qū)綜合管廊二期工程為例

陸長(zhǎng)兵

（南京市江北新區(qū)公共工程建設(shè)中心，南京 210000）

1 背景技術(shù)

目前的地下綜合管廊結(jié)構(gòu)多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但存在造價(jià)高、工期長(zhǎng)、易滲漏、砂石料的大量使用影響生態(tài)環(huán)保、施工污染、對(duì)基礎(chǔ)要求高、對(duì)地質(zhì)狀況敏感等問題。針對(duì)該問題，國內(nèi)外許多機(jī)構(gòu)展開了對(duì)鋼結(jié)構(gòu)地下綜合管廊的研究及使用。以利用鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)代替鋼混結(jié)構(gòu)，國外最早的應(yīng)用是在德國耶拿市（見圖1），建于1945年，已使用77年，該項(xiàng)目采用熱浸鍍鋅防腐，目前應(yīng)用狀態(tài)良好。

2017年以前，國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)地下綜合管廊技術(shù)有許多技術(shù)瓶頸，影響了鋼結(jié)構(gòu)管廊的推廣應(yīng)用，問題如下：（1）圓形斷面，空間利用率低，線管布設(shè)難，開挖超寬，侵占設(shè)計(jì)紅線；（2）采用搭接連接，連接螺栓貫穿結(jié)構(gòu)體內(nèi)外，漏水嚴(yán)重；（3）無法提前在生產(chǎn)制作過程中進(jìn)行反向預(yù)變形，結(jié)構(gòu)變形大；（4）楔形部位回填空間受限，回填密實(shí)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，變形嚴(yán)重；（5）多艙結(jié)構(gòu)的艙間間距大，施工不便；（6）難以設(shè)置抗浮裝置；（7）結(jié)構(gòu)下部貫穿結(jié)構(gòu)體的連接螺栓，外側(cè)為地基，無螺栓操作空間；（8）只能逐片拼裝施工，不能整節(jié)對(duì)接，進(jìn)度受限。

針對(duì)以上種種缺陷，以及國家、省、市鼓勵(lì)在綜合管廊建設(shè)中應(yīng)用新技術(shù)、新材料、新工藝的政策要求，南京江北新區(qū)公共工程建設(shè)中心組織東南大學(xué)、上海市政設(shè)計(jì)研究總院、中鐵十七局、南京聯(lián)眾工程技術(shù)有限公司，進(jìn)行裝配式鋼結(jié)構(gòu)地下綜合管廊的研究，在江北新區(qū)進(jìn)行裝配式鋼結(jié)構(gòu)地下綜合管廊的試驗(yàn)性及示范性應(yīng)用，進(jìn)行了裝配式鋼結(jié)構(gòu)地下綜合管廊原型試驗(yàn)，并于南京江北新區(qū)綜合管廊二期工程浦濱路團(tuán)結(jié)路口（樁號(hào)C6+045~A0+041段）綜合管廊采用成品鋼結(jié)構(gòu)綜合管廊。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

斷面形式：采用方拱形斷面（見圖2、圖3）代替?zhèn)鹘y(tǒng)圓形斷面。

主體材料：采用Q355低合金結(jié)構(gòu)鋼材，制成波紋鋼結(jié)構(gòu)。

連接形式：采用高強(qiáng)螺栓將型鋼法蘭平面對(duì)接并緊固。

抗浮設(shè)計(jì)：采用配重及外挑飛邊結(jié)構(gòu)。

3 原型試驗(yàn)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

本項(xiàng)目依托南京江北新區(qū)核心區(qū)二期綜合管廊建設(shè)工程，設(shè)置12 m長(zhǎng)的試驗(yàn)管廊進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)管廊為雙艙（見圖4），采用兩節(jié)裝配式波形鋼方拱形結(jié)構(gòu)拼裝而成。管廊凈空尺寸為2 050 mm×3 100 mm+2 050 mm×3 100 mm。波紋板選用的波形為400 mm×150 mm[4]，波紋板的厚度為（4.5±0.15）mm；鋼板材質(zhì)為Q355，單節(jié)長(zhǎng)度為6 m，按原設(shè)計(jì)荷載3 m覆土的3倍工況（10 m覆土堆載）進(jìn)行破壞試驗(yàn)。

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包含：鋼結(jié)構(gòu)板片應(yīng)力（分布式光纖監(jiān)測(cè)和應(yīng)變片監(jiān)測(cè)）；螺栓孔局部應(yīng)力；焊縫應(yīng)力；螺栓應(yīng)力；土壓力；艙間及底板混凝土應(yīng)力；鋼結(jié)構(gòu)板片收斂、沉降、水平位移；管段接頭位變；底板下不同深度孔隙水壓力及滲漏水試驗(yàn)；外部動(dòng)載。

鋼結(jié)構(gòu)板片應(yīng)力監(jiān)測(cè)：（1）分布式光纖監(jiān)測(cè)：10 m填土（原設(shè)計(jì)荷載3倍工況），1 720με應(yīng)變（約340 MPa）。（2）應(yīng)變片監(jiān)測(cè)：10 m填土（原設(shè)計(jì)荷載3倍工況），斷面的最大應(yīng)力約為332 MPa。

鋼結(jié)構(gòu)板片變形監(jiān)測(cè)：10 m填土（原設(shè)計(jì)荷載3倍工況）左艙凈空尺寸累計(jì)垂直方向變化值為-7.8 mm，右艙凈空尺寸累計(jì)垂直方向變化值為-9.8 mm。

4 有限元數(shù)值分析

鑒于該方拱形結(jié)構(gòu)，為國際原創(chuàng)結(jié)構(gòu)，在初期，難以采用現(xiàn)有經(jīng)典計(jì)算公式計(jì)算和驗(yàn)算，所以，在原型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，先行采用有限元數(shù)值分析的方法對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算[1]和驗(yàn)算。

1）針對(duì)試驗(yàn)段雙艙綜合管廊模擬計(jì)算：波形參數(shù)400 mm×150 mm×4.5 mm，荷載工況按10 m填土（見圖5）。

有限元數(shù)值分析結(jié)果（見圖6）：10 m填土（原設(shè)計(jì)荷載3倍工況）拱頂部位最大應(yīng)力318.9 MPa。與原型試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合度高。

2）針對(duì)南京江北新區(qū)綜合管廊二期工程浦濱路團(tuán)結(jié)路口采用的三艙結(jié)構(gòu)，進(jìn)行有限元數(shù)值模擬計(jì)算：波形參數(shù)375 mm×125 mm×6.5 mm，荷載按7.3 m填土（見圖7）。

有限元數(shù)值分析結(jié)果（見圖8）：7.3 m填土拱頂部位最大應(yīng)力222.3 MPa。根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2]Q355鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為305 MPa。而該結(jié)構(gòu)拱頂部位最大應(yīng)力值為222.3 MPa＜305 MPa，該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

5 結(jié)論

1）裝配式鋼結(jié)構(gòu)綜合管廊，以其標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化智能化制造、裝配化施工、綠色建筑、造價(jià)節(jié)省、工期短、施工污染減少等優(yōu)勢(shì)，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

2）裝配式鋼結(jié)構(gòu)綜合管廊在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、整體抗浮設(shè)計(jì)、防腐設(shè)計(jì)、防水設(shè)計(jì)、耐火設(shè)計(jì)等方面均滿足GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》[3]等相關(guān)技術(shù)規(guī)范，為全面推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

3）依托南京江北新區(qū)綜合管二期工程所開展的雙艙鋼管廊原型試驗(yàn)，通過全面的受力與變形觀測(cè)分析，驗(yàn)證了預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)管廊方案的可行性，為進(jìn)一步大面積推廣應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)依據(jù)。

4）依據(jù)原型試驗(yàn)+理論分析，工程方案設(shè)計(jì)論證及工程領(lǐng)域的應(yīng)用案例佐證，該裝配式箱拱形結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的技術(shù)創(chuàng)新性、先進(jìn)性和實(shí)用性，符合我國綠色發(fā)展、智能制造、供給側(cè)改革以及預(yù)制裝配式建筑發(fā)展方向，預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益顯著，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。