市政排水檢查井及其井周路面不均勻沉降研究

李 幸,陸 斯,鄢 丹

(廣西交通設(shè)計集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

隨著城市交通建設(shè)日益發(fā)展,市政管網(wǎng)配套設(shè)施逐步完善。排水檢查井是市政排水管網(wǎng)工程重要的附屬構(gòu)筑物,其中有相當(dāng)數(shù)量的排水檢查井布設(shè)于市政道路行車道下方。在車載的反復(fù)作用下,檢查井及其井周路面出現(xiàn)不均勻沉降的病害現(xiàn)象時常發(fā)生,不僅影響城市風(fēng)貌,更嚴(yán)重影響行車安全。近年來,城市道路路面質(zhì)量及養(yǎng)護(hù)的要求越來越高,解決排水檢查井及井周路面不均勻沉降問題迫在眉睫。

現(xiàn)有對排水檢查井及井周路面不均勻沉降的相關(guān)研究多為對施工技術(shù)改進(jìn)的探討,以及對檢查井井蓋材料的優(yōu)化研究,而對井座結(jié)構(gòu)優(yōu)化及提高承載力應(yīng)對車載影響的研究較少。本文結(jié)合南寧市軌道交通5號線沿線道路整治工程(南段)項目實例,分析檢查井及其井周路面發(fā)生不均勻沉降的主要原因,針對要因提出改造方案,以達(dá)到降低車行道上排水檢查井及其井周路面不均勻沉降的效果。

1 工程概況

軌道交通5號線沿線道路整治工程(南段)項目(以下簡稱軌道5號線項目),沿軌道5號線路線自北向南穿越南寧市西鄉(xiāng)塘片區(qū)及江南片區(qū),整治范圍包括明秀西路及壯錦大道,道路等級為城市主干路,實施長度約為8.85 km。

整治范圍內(nèi)道路投入使用已達(dá)10年以上。明秀西路沿線分布多個學(xué)校、醫(yī)院、公園等人流密集的功能板塊,壯錦大道向南連接機場高速公路,為南寧市南邊門戶進(jìn)出的重要干路,車流量較大。

經(jīng)現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn),行車道下現(xiàn)狀排水管線眾多,檢查井井蓋多分布于非機動車道、輔道及主車道,現(xiàn)狀路面結(jié)構(gòu)為復(fù)合路面,部分路段檢查井及井周路面發(fā)生不均勻沉降。根據(jù)項目的設(shè)計原則,對現(xiàn)狀路面及排水設(shè)施病害進(jìn)行改造處理。

2 現(xiàn)狀沉降情況

根據(jù)《市政道路工程質(zhì)量檢查評定標(biāo)準(zhǔn)》中對瀝青道路面層“井框與路面高差”的要求,允許偏差為5 mm,井與周邊平整路面高差>5 mm,即為發(fā)生沉降。本文以軌道5號線項目明秀西路及壯錦大道全線作為調(diào)查對象,對整治范圍內(nèi)排水檢查井及其井周路面沉降情況進(jìn)行記錄,調(diào)查結(jié)果如下:

(1)整治范圍全線排水檢查井共計934座,其中,位于行車道上的檢查井共792座,位于人行道上的檢查井共140座;發(fā)生沉降的檢查井共計626座,其中,位于車行道上檢查井共583座,位于人行道上的檢查井共43座。

經(jīng)數(shù)據(jù)分析可得,檢查井及井周路面發(fā)生沉降的檢查井個數(shù)占現(xiàn)狀排水檢查井總數(shù)的67.02%。位于車行道上的排水檢查井發(fā)生沉降的檢查井占比較大,約為73.43%,而位于人行道上的排水檢查井發(fā)生沉降的概率較小,約為30.71%。

(2)在發(fā)生沉降的排水檢查井中,檢查井及井周路面發(fā)生沉降且沉降值為5～10 mm的檢查井有375座,沉降值>10 mm的檢查井有251座。其中,在沉降值>10 mm的檢查井中,位于車行道上的檢查井占比為89.2%,位于人行道上的檢查井占比為10.8%。

由此可見,在道路使用時間相同的情況下,位于車行道上的排水檢查井發(fā)生沉降的概率較大,且沉降值高于位于人行道上的排水檢查井。

3 成因分析

相關(guān)研究表明,檢查井及其井周路面發(fā)生不均勻沉降的影響因素較多,而較大的車輛沖擊荷載是導(dǎo)致檢查井及其井周路面沉降的主要影響因素。根據(jù)上述現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果,軌道5號線項目范圍內(nèi),發(fā)生沉降的檢查井多位于車行道上。明秀西路與壯錦大道為城市主干路,且臨近那洪收費站,車流量多、時速較高,檢查井及其井周路面沉降受車載影響較大。本文根據(jù)項目原設(shè)計及施工情況,分析車行道上的檢查井及其井周路面發(fā)生不均勻沉降的主要原因。

3.1 井座承載力不滿足行車動載作用要求

軌道5號線項目道路沿線現(xiàn)狀排水檢查井采用重型球墨鑄鐵井蓋,井座包括井蓋支座及鋼筋混凝土座圈兩部分,井蓋支座通過膨脹螺栓與座圈固定,座圈為環(huán)狀柱體,內(nèi)徑與井蓋相同。井座與井蓋配套使用,設(shè)計荷載為城—A級,承載能力應(yīng)達(dá)到《鑄鐵檢查井蓋》(CJ/T 511-2017)中的D400標(biāo)準(zhǔn),試驗荷載≥400 kN。

軌道5號線沿線道路使用已超過10年,原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低,檢查井井座按標(biāo)準(zhǔn)荷載值設(shè)計,但當(dāng)車輛快速進(jìn)入檢查井井周路面范圍時,車載對檢查井及井周路面產(chǎn)生明顯的沖擊荷載作用。相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明,車輛進(jìn)入井周路面區(qū)域時,車輛沖擊荷載可達(dá)靜荷載的1.29倍[1]。當(dāng)車輪在路面正常行駛時,車輪與路面的接觸面積約為0.12 m2,而當(dāng)車輪經(jīng)過排水檢查井時,其有效接地面積減少為0.09 m2,作用于井座的荷載遠(yuǎn)大于在路面行駛時的計算值。

當(dāng)現(xiàn)狀井座承載能力不能滿足車輛快速通行產(chǎn)生的集中荷載時,井座即發(fā)生破壞或整體沉降。同時,檢查井井座直接搭接在檢查井井筒上方,井筒橫截面積與井座相同,當(dāng)井座承載力不足而發(fā)生破壞時,車輛荷載垂直向下傳遞至井筒,長期積累,會導(dǎo)致檢查井整體下沉。行車動載路面?zhèn)鬟f方式與井座傳遞方式不同,在行車動載長期作用下,檢查井井座與路面結(jié)構(gòu)的變形存在差異,道路使用時間越長,檢查井井蓋沉降值較周圍路面沉降值差異越明顯,從而產(chǎn)生不均勻沉降[2]。

3.2 井周密實度不足導(dǎo)致路基沉降

現(xiàn)狀井蓋支座在路面表層寬度僅為80 mm,支座與座圈通過螺栓固定,支座周邊路面結(jié)構(gòu)回填瀝青材料。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),在軌道5號線項目沿線道路發(fā)生沉降的檢查井中,部分檢查井井蓋支座與井座連接不夠穩(wěn)固,或井周路面瀝青材料壓實度不足,從而產(chǎn)生井蓋與其周邊路面連接處密實度差、井蓋松動等現(xiàn)象。整治工程項目位于南寧市,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,常年雨水充足。當(dāng)井蓋松動或密實度不足時,在雨水作用下,積水通過井蓋松動處往下滲漏,并向井周路基滲透,使路基長期在水中浸泡,造成土層松動,路基密實度發(fā)生改變,導(dǎo)致路基強度與穩(wěn)定性降低,從而不能有效承受行車動載;在長期雨水滲漏影響下,行車荷載作用導(dǎo)致井周路基下沉明顯,從而造成井周路面沉降[3]。

綜上,該項目檢查井沉降主要原因為:(1)由于井座承受行車荷載沖擊能力不足;(2)現(xiàn)狀球墨鑄鐵井蓋設(shè)計支座連接方式不佳,容易引起井蓋松動,造成雨水滲漏,引起路基松動下沉。

4 改造措施

針對上述排水檢查井及井周路面不均勻沉降產(chǎn)生的原因,本文結(jié)合軌道5號線項目實例,從提高檢查井井座承載力及改進(jìn)井蓋支座穩(wěn)定性、提高井周路面壓實度等方面,提出改造措施。

項目現(xiàn)狀重型球墨鑄鐵井蓋配套井座,車載作用面積小,車載較集中,且車載通過井座直接傳導(dǎo)到井筒,從而引起井體整體沉降。改造措施考慮采用加寬井座結(jié)構(gòu)的處理方案,增加井座面積,同時增加承壓措施分散車輛荷載,加強井座整體結(jié)構(gòu)承受行車動載沖擊能力。

結(jié)合本項目為現(xiàn)狀道路改造工程,從減少工程投資及施工便捷性方面,提出兩個方案進(jìn)行比選。

4.1 方案一:對座圈進(jìn)行加寬處理,同時增設(shè)混凝土承壓圈(下頁圖1)

圖1 方案一改造示意圖(mm)

基于現(xiàn)狀井座設(shè)計,對位于車行道上的檢查井按《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB50014-2021)要求,并參照檢查井國標(biāo)圖集進(jìn)行井座結(jié)構(gòu)改進(jìn)。井蓋支座與現(xiàn)狀尺寸一致,對鋼筋混凝土座圈進(jìn)行加寬處理,加寬后座圈外徑增加200 mm。此外,在井座下方增設(shè)外邊長為2 600 mm的方形預(yù)制混凝土承壓圈,承壓圈設(shè)置在路基碎石層上方,承壓圈底部高程與路面結(jié)構(gòu)層底部高程一致,其作用為分散車輛荷載,使荷載傳遞至路基,而不直接傳遞到井體。井座與井筒通過聚苯乙烯芯模分離,起緩沖作用,使井體本身不承受來自車輛通過座圈傳遞的集中荷載。

此方案井蓋支座尺寸不變,但由于鋼筋混凝土座圈寬度加寬,路面瀝青材料可通過機械壓實,不易松動。

改造效果:井座加寬改造后,機動車動荷載作用于井座面積增大,同時,在座圈底部增設(shè)鋼筋混凝土承壓圈,起分散荷載作用,井座整體承載力有所提高,且車輛動載通過井座傳遞到承壓圈,不直接作用于井體。

4.2 方案二:井蓋支座改造,座圈與承壓圈結(jié)合為預(yù)制承壓井圈(下頁圖2)

圖2 方案二改造示意圖

基于現(xiàn)狀井座設(shè)計,對井蓋支座進(jìn)行加寬,同時支座加長,與座圈形成承插式連接,更加穩(wěn)固。座圈改造為一個直徑為1 650 mm的圓形預(yù)制混凝土承壓井圈,預(yù)制承壓井圈下設(shè)預(yù)制混凝土擋圈及預(yù)制接口構(gòu)件,不與井筒結(jié)構(gòu)直接連接,構(gòu)件上方設(shè)聚苯乙烯芯膜,起緩沖作用。預(yù)制混凝土擋圈與預(yù)制接口構(gòu)件之間有5 mmPE板隔離層。預(yù)制構(gòu)件整體作用為:當(dāng)上方圓形預(yù)制混凝土承壓井圈受車輛集中荷載時,預(yù)制混凝土擋圈可起到上下移動調(diào)節(jié)作用,減少直接傳遞到井筒的荷載。

改造效果:本方案改造思路同可調(diào)式防沉降井蓋,即將井蓋支座與井座的固定連接改為承插式連接,使支座成為路面的一部分。預(yù)制混凝土承壓井圈上方按道路要求回填瀝青層,面積較大,可用機械壓實,以提高壓實度,有效減少因井蓋松動引起的雨水深度導(dǎo)致路基下沉問題。同時,行車荷載作用分散到承壓圈,來自上部的荷載被分散到道路結(jié)構(gòu)層,共同受力,使井體承受負(fù)荷減少80%以上[4]。

綜合分析:(1)從井座承載力情況分析,通過模擬兩方案均能較大程度地提高承載力;(2)與現(xiàn)行排水檢查井井座造價相比,方案一增加約800元/座,方案二增加約100元/座,方案二較方案一更為經(jīng)濟(jì);(3)從施工條件分析,由于本工程為現(xiàn)狀道路改造,預(yù)制構(gòu)件尺寸大,現(xiàn)狀路面開挖及恢復(fù)面積較大,工程量較大;(4)方案二的井蓋支座改造方式更優(yōu),與井座固定更為穩(wěn)定,后續(xù)路面改造加鋪瀝青施工更為便利。

綜上,項目采用方案二作為井座改造方案,將其應(yīng)用于軌道5號線項目檢查井改造,并檢驗使用成果。截至目前,軌道5號線壯錦大道某路段約1 km主車道上的排水檢查井已按上述提出的推薦方案進(jìn)行改造,并已完成施工,運行通車約1年。經(jīng)現(xiàn)場檢驗,檢查井及井周路面未出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象。

5 結(jié)語

檢查井沉降主要原因包括井座承受行車荷載沖擊能力不足,以及井蓋松動,造成雨水滲漏,引起路基松動下沉等。本文提出井座結(jié)構(gòu)改造方案,通過增加預(yù)制混凝土承壓圈、增加緩沖層,達(dá)到降低市政排水檢查井及其井周路面不均勻沉降效果。

目前,本文提出的井座加強方案已應(yīng)用于軌道5號線項目中,后續(xù)將跟蹤使用效果,對比同等使用時間的道路項目井蓋及井周路面沉降值,為后續(xù)設(shè)計項目提供借鑒。