裝配式預(yù)制箱涵通道設(shè)計(jì)

甘水飛，王雪峰

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

0 引言

傳統(tǒng)的箱涵通道施工主要采用現(xiàn)澆方式，但受工點(diǎn)分散、施工水平等因素，施工質(zhì)量往往難以控制。此外，受天氣、材料周轉(zhuǎn)、混凝土養(yǎng)護(hù)等影響，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度[1]。

近年來(lái)，我國(guó)大力極倡導(dǎo)綠色建筑，使其成為一個(gè)建筑新理念。而采用標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝，可確保工程質(zhì)量，控制施工工期，減少施工場(chǎng)地占用和環(huán)境污染[2]。

1 項(xiàng)目背景

金山立交于2009 年建成通車，是一座連接惠州市江北、東平、河南岸、水口及金山湖片區(qū)的五路交叉3 層全互通立交，交通組織較為復(fù)雜。現(xiàn)狀立交缺少獨(dú)立的非機(jī)動(dòng)車道，隨著城市的快速發(fā)展，現(xiàn)狀機(jī)動(dòng)車和電動(dòng)車與日俱增，且車速較快。目前電動(dòng)車?yán)米钔鈧?cè)硬路肩通行，若需要前往其他方向時(shí)，必須橫穿機(jī)動(dòng)車道，這與來(lái)往的機(jī)動(dòng)車易發(fā)生沖撞，目前已造成多起交通傷亡事故。

為解決現(xiàn)狀問(wèn)題，由于土地受限，本工程只能沿金山立交匝道最外側(cè)新建3.5 m 凈寬慢行道或慢行橋，通過(guò)新建5 座6 m 凈寬下穿通道與內(nèi)側(cè)環(huán)形新建6 m 凈寬慢行道或慢行橋相連，形成全互通立體交叉慢行系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，真正實(shí)現(xiàn)人車分流，保障非機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)藛T生命安全。通道布置平面效果見(jiàn)圖1。

圖1 通道布置平面效果圖

2 地質(zhì)條件

由于項(xiàng)目場(chǎng)地位于現(xiàn)有金山立交位置上，原金山金山立交施工時(shí)，已進(jìn)行大量土方回填，回填時(shí)間已過(guò)16 a，已基本完成自固結(jié)作用。根據(jù)地勘報(bào)告顯示，通道位置下10 m 范圍內(nèi)均為由砂礫石風(fēng)化土回填土，稍密狀態(tài)，地下水位于回填土頂面以下約8 m 位置。因此，本項(xiàng)目地質(zhì)條件較好，不存在地下水對(duì)通道的抗浮影響。項(xiàng)目地質(zhì)剖面見(jiàn)圖2。

圖2 項(xiàng)目地質(zhì)剖面圖

3 總體設(shè)計(jì)

（1）通道結(jié)構(gòu)方案比選

通道主要采用箱涵、橋梁兩種結(jié)構(gòu)形式（方案比選見(jiàn)表1）。

表1 通道結(jié)構(gòu)形式方案比選

a.箱涵結(jié)構(gòu)：頂板、底板與側(cè)壁形成框架結(jié)構(gòu)。

b.橋梁結(jié)構(gòu)：上部采用板式結(jié)構(gòu)、下部采用蓋梁接灌注樁，通道內(nèi)路面采用道路路面結(jié)構(gòu)。

根據(jù)物探調(diào)查，道路兩側(cè)存在多種管線，施工過(guò)程中涉及到雨水、電力、通信管線的遷改，因此，推薦采用箱涵結(jié)構(gòu)。

（2）箱涵結(jié)構(gòu)方案比選

目前，箱涵結(jié)構(gòu)通常采用整體現(xiàn)澆箱涵、裝配式箱涵、疊合箱涵三種樣式（方案比選見(jiàn)表2）。

表2 箱涵結(jié)構(gòu)方案比選

a.整體現(xiàn)澆箱涵：現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖、綁扎鋼筋、澆筑箱涵主體，箱涵間隔一定距離在縱向設(shè)置變形縫。

b.裝配式箱涵：由若干預(yù)制箱節(jié)組成，在預(yù)制廠制成成品后，運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼接。預(yù)制箱節(jié)之間通過(guò)特殊的拼縫接頭構(gòu)造，將箱涵拼成整體[3]。

c.疊合箱涵：將箱涵結(jié)構(gòu)拆分為頂板和部分側(cè)壁預(yù)制拼裝，底板和部分側(cè)壁現(xiàn)澆。預(yù)制拼裝工藝與裝配式箱涵類似。

本工程工期為首要考慮因素，為盡量縮短工期，推薦裝配式箱涵結(jié)構(gòu)。

（3）施工工法方案比選

箱涵穿越城市道路的施工工法主要有明挖法，頂管法兩種方式（方案比選見(jiàn)表3）。

表3 施工工法方案比選

a.明挖法：從上至下，分段、分層依次開(kāi)挖，直至設(shè)計(jì)要求，然后施工主體結(jié)構(gòu)和防排水設(shè)施，最后回填材料恢復(fù)至現(xiàn)狀地面后通車。

b.頂管法：借助頂進(jìn)設(shè)備產(chǎn)生的頂力，克服箱涵與周圍土壤的摩阻力，將箱涵按設(shè)計(jì)要求，邊挖土、邊頂進(jìn)、邊運(yùn)土。一節(jié)箱涵完成頂入土層之后，再下第二節(jié)箱涵繼續(xù)頂進(jìn)。

由于本項(xiàng)目受作業(yè)空間影響，無(wú)法提供足夠多的空間用于頂管施工，考慮工期和經(jīng)濟(jì)性主要因素，推薦明挖法施工。

（4）基坑開(kāi)挖

基坑開(kāi)挖采用1∶1 放坡開(kāi)挖，為滿足抗?jié)B要求、節(jié)省工期以及兩側(cè)不設(shè)搭板，兩側(cè)回填材料采用C15 素混凝土進(jìn)行澆筑回填，基坑開(kāi)挖坡面采用掛網(wǎng)噴護(hù)，見(jiàn)圖3。

圖3 基坑開(kāi)挖示意圖（單位：mm）

4 箱涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為便于吊裝、防水處理和縮短施工工期，通道主體采用單箱單室鋼筋混凝土框架箱涵結(jié)構(gòu)，箱涵凈高2.8 m，凈寬6 m。側(cè)壁與頂板、底板厚均為50 cm，頂板腋角為50 cm×50 cm，底板腋角為30 cm×20 cm。結(jié)構(gòu)總寬7 m，總高3.8 m，預(yù)制箱節(jié)為2 m一節(jié)，見(jiàn)圖4。

圖4 箱涵橫斷面圖（單位：mm）

（2）主要材料設(shè)計(jì)

a.混凝土

通道主體：采用C50 混凝土，抗?jié)B等級(jí)為P8；預(yù)應(yīng)力孔道壓漿采用M50 無(wú)收縮壓漿料；

通道內(nèi)鋪裝面層采用5 mm 厚丙烯酸樹脂類MMA 彩色防滑粘合物+80 mm 厚AC-20 中粒式瀝青混凝土面層，調(diào)平層采用185～215 mm 厚C30 防水混凝土調(diào)平層。

通道墊層：C30 素混凝土。

b.預(yù)應(yīng)力鋼絞線及錨具

鋼絞線：每孔采用1×7-17.8 高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1 860 MPa，彈性模量EP=1.95×105MPa。

c.普通鋼筋：采用HRB400 鋼筋。

（3）接頭設(shè)計(jì)

采用80 mm 深的承插式接頭，并在箱室接頭部位采用雙膠圈的橡膠密封膠條進(jìn)行防水設(shè)計(jì)[4]，見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 管節(jié)間頂板和側(cè)壁接口（單位：mm）

圖6 管節(jié)間底板接口（單位：mm）

（4）防排水設(shè)計(jì)

a.防水設(shè)計(jì)：根據(jù)規(guī)范[5]，通道防水等級(jí)為一級(jí)。以結(jié)構(gòu)自防水為根本，頂板、底板和側(cè)壁均采用中埋式鋼邊橡膠止水帶和兩道三元乙丙復(fù)合橡膠環(huán)形封條，外側(cè)采用高彈性密封膠和填充泡沫條進(jìn)行封堵，外表面包裹一層3.0 mm 厚改性瀝青聚酯胎防水卷材加強(qiáng)層。頂板防水卷材上澆筑50 mm 厚C50 細(xì)石混凝土，側(cè)壁防水卷材外側(cè)外貼70 mm 厚聚乙烯泡沫板保護(hù)層。

b.結(jié)構(gòu)排水設(shè)計(jì)：通道外雨水、清洗路面污水通過(guò)截水溝收集匯入通道外部雨水邊溝排出，通道內(nèi)設(shè)置跌水溝，用來(lái)匯集通道內(nèi)部的清洗路面污水，并排入通道口的截水溝。

（5）箱節(jié)起吊和拼裝設(shè)計(jì)

起吊設(shè)計(jì)：箱節(jié)頂板頂部均衡設(shè)置10 個(gè)10 t 的吊釘，其中8 個(gè)用于吊裝，2 個(gè)用于拆模翻轉(zhuǎn)。箱節(jié)強(qiáng)度達(dá)到混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%方可起吊。本箱涵重52.57 t，吊裝時(shí)用8 個(gè)吊裝孔，52.57/8=6.57 t，安全系數(shù)Fs=10/6.57=1.52＞1.3，滿足規(guī)范要求。

拼裝設(shè)計(jì)：先將1 號(hào)箱涵放在已澆筑完的基礎(chǔ)墊層的起始端，然后按順序?qū)?、2、3、4……號(hào)箱涵依次與之對(duì)接，對(duì)接后的縫隙為5 mm。所有箱涵在腋角處均帶有手孔，每?jī)晒?jié)箱涵對(duì)接后，須用預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行張拉，施加預(yù)應(yīng)力的位置在手孔處。箱節(jié)拼裝順序示意見(jiàn)圖7。

圖7 箱節(jié)拼裝順序示意圖

（6）主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與參數(shù)

工程結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：一級(jí)；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：1.1；設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 a；通道覆土厚度：0.1 m；通道頂部汽車荷載：城-A 級(jí)；通道內(nèi)人群荷載：5 kPa；通道內(nèi)凈空：不小于2.5 m；地基承載力：不小于95 kPa；環(huán)境類別：Ⅰ類；地震動(dòng)峰值加速度0.1g，抗震基本烈度6 度，抗震設(shè)防措施7 度；環(huán)境類別：Ⅰ類。

（7）主體結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)

箱涵骨架鋼筋采用直徑25 mm，縱向間距125 mm。其余鋼筋采用直徑12 mm，橫斷面處間距200 mm，縱向梅花型布置在骨架鋼筋上。

5 箱涵計(jì)算

（1）模型的建立：

為確保箱涵結(jié)構(gòu)尺寸和配筋設(shè)計(jì)的合理性，本文通過(guò)Midas Civil 2019 有限元軟件進(jìn)行受力分析，計(jì)算出各部位內(nèi)力值。計(jì)算時(shí)假使箱涵底部土壓力均勻分布，采用土彈簧進(jìn)行模擬，側(cè)面土壓力均勻變化。箱涵頂板覆土厚度僅為0.1 m（瀝青混凝土面層），計(jì)算車輛荷載時(shí)，按集中荷載進(jìn)行計(jì)算。箱涵計(jì)算模型見(jiàn)圖8。

圖8 箱涵計(jì)算模型圖

（2）計(jì)算結(jié)果

a.整體驗(yàn)算：根據(jù)有限元軟件計(jì)算，得出箱涵各位置計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表5。

表5 箱涵特征斷面計(jì)算表

依據(jù)表5 可知：

承載能力極限狀態(tài)下的彎矩和剪力均滿足規(guī)范要求；

正常使用極限狀態(tài)下的裂縫也滿足規(guī)范要求。

b.局部承壓驗(yàn)算：由于箱涵頂板頂部?jī)H為10 cm瀝青混凝土，箱涵頂板受100 kN 的車輪局部承壓作用，根據(jù)規(guī)范[6]5.7 節(jié)，γ0Fld=110 kN≤3 225.6 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

c.抗浮驗(yàn)算：根據(jù)地質(zhì)條件，本項(xiàng)目地下水在箱涵底板以下，無(wú)需進(jìn)行抗浮驗(yàn)算。

d.地基承載力驗(yàn)算：基底反力在底板兩側(cè)為最大值，為86.6 kPa，小于設(shè)計(jì)要求的95 kPa。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著建筑產(chǎn)業(yè)升級(jí)的影響，裝配式預(yù)制箱涵將逐步取代傳統(tǒng)的現(xiàn)澆箱涵，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也將越來(lái)越激烈。為了更好的相應(yīng)國(guó)家倡導(dǎo)的綠色建筑，我們?cè)O(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)與時(shí)俱進(jìn)，加強(qiáng)學(xué)習(xí)最新的設(shè)計(jì)理念，來(lái)提高我們的設(shè)計(jì)水平，以便更好的適應(yīng)新時(shí)代下的建筑新理念。本文通過(guò)實(shí)際工程案例，將裝配式預(yù)制箱涵通道的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，為同類型的工程具有一定的參考價(jià)值。