預制“管片”拼裝技術在綜合管廊中的應用
——以蜀龍路五期綜合管廊為例

鐘 翔，張 果，汪 強

（成都市市政工程設計研究院，四川 成都 618000）

1 概述

1.1 綜合管廊建設政策及形式

綜合管廊,又稱共同溝,是將燃氣、電力、電信、給排水等兩種或兩種以上的生命線工程設施共同敷設于其中的地下結構。

2015年8月3日，國務院下發了《關于推進城市地下綜合管廊建設的指導意見》（國發【2015】61號）。指導意見指出：適應新型城鎮化和現代化城市建設的要求，把地下綜合管廊建設作為履行政府職能、完善城市基礎設施的重要內容，在繼續做好試點工程的基礎上，總結國內外先進經驗和有效做法，逐步提高城市道路配建地下綜合管廊的比例，全面推動地下綜合管廊建設。要將地下綜合管廊建設納入政府績效考核體系，建立有效的督查制度，定期對地下綜合管廊建設工作進行督促檢查。

2015年4月10日公布了10個城市進入2015年綜合管廊試點范圍，并計劃3年內建設地下綜合管廊389 km，總投資351億元，其中中央財政投入102億元，地方政府投入56億元。

2016年4月25日，公布第二批15個綜合管廊試點城市，其中包括成都市。蜀龍五期綜合管廊作為成都試點工程之一，其獨特的預制“管片”拼裝技術得到了高度重視。

綜合管廊集約利用城市地下空間，建設后大幅降低對環境及城市功能的影響，適應低影響開發要求。

1.2 綜合管廊發展歷程

綜合管廊應用最早的是歐洲。1832年法國巴黎霍亂大流行，為了改善城市環境，1833年巴黎在系統規劃排水管網的同時，開始興建綜合管廊。之后，英國、德國、西班牙、蘇聯、匈牙利、美國及日本等亞洲國家都相繼建設綜合管廊。自20世紀開始，日本、美國和加拿大等國家開始大規模建設綜合管廊系統。1963年，日本頒布了《綜合管廊實施法》，并在1991年成立了專門的綜合管廊管理部門，負責推動綜合管廊的建設工作。

國內第一條綜合管廊是天安門廣場地下敷設的一條長約1 076 m的綜合管廊。1977年，配合“毛主席紀念堂”施工，又敷設了一條長500 m的綜合管廊。1994年底，上海浦東新區初步建成了國內規模較大的綜合管廊，全長11.125 km。近兩年，在國家政策推動下，全國掀起了新一輪的綜合管廊建設熱潮。

綜合管廊的建設方式有傳統的現場澆筑方式。這種方式需現場進行支護開挖，模板工程量大，現場作業量大，對現場場地要求高（見圖1）。

現場澆筑的弊端很明顯，不太適合已建城區。隨著技術發展，預制化、工業化已成為綜合管廊建設的新方向。現有工程采用較多的是預制管節拼裝（見圖 2）

圖1 綜合管廊現場澆筑示意圖

圖2 預制管節綜合管廊示意圖

預制“管片”拼裝技術有別于普通節段拼裝，對吊裝口、出入口等節點亦能實現工業化，大幅提高工業化率，配合特制機器實現基坑土方開挖、管片吊裝、拼裝、回填等功能于一體，無需支護結構。

2 工程概況

蜀龍路五期綜合管廊主體結構為地下鋼筋混凝土結構，總長約1.1 km，其中G12+45～10+05為預制拼裝段落，長760 m，采用預制“管片”拼裝技術。該技術采用專用裝備進行施工，集基坑土方開挖、管片吊裝、拼裝、回填等功能于一體，無需支護結構。

該工程設計使用年限為100 a，安全等級為一級。結構重要性系數為1.1。結構抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10 g，反應譜特征周期為0.45 s。地震分組為第三組。結構抗震設防分類為乙類。抗震等級為三級。地基基礎設計等級為乙級。主要受力構件耐火等級為一級。鋼筋混凝土最大裂縫寬度的允許值為0.2 m m。設計抗浮水位按地面下2 m考慮。在不考慮側壁摩阻力時，其抗浮安全系數不得小于1.05。

3 分塊尺寸

管廊主體結構按作用在彈性地基上的平面結構進行內力分析，采用荷載-結構模型，取縱向2 m計算，將結構覆土換算成上覆土荷載和側土壓力，采用水土合算。雙艙管廊內徑為6.215 m（寬）×2.74 m（高），外徑為 6.815 m（寬）×3.34 m（高）。結構厚度為300 m m，環寬2 000 m m。兩個艙的內徑均為2.982 m（寬）×2.74 m（高）。頂板覆土4 m。地下水位-2 m。土容重取20 kN/m3，水容重取10 kN/m3。

襯砌采用C50混凝土，重度25 kN/m3，泊松比取0.167，管片混凝土抗滲等級為P10。 混凝土抗壓強度設計值fc=23.1 N/m m2，混凝土抗拉強度設計值ft=1.89 N/m m2，混凝土彈性模量Ec=3.45×104N/m m2；鋼筋為H PB300鋼，C為H RB400鋼，均為熱軋鋼筋。主筋采用H RB400E鋼，屈服強度fy=f‘y=360 N/m m2，鋼筋彈性模量Ec=2×105N/m m2；螺栓采用8.8-M 28彎螺栓，抗拉強度設計值ft=640 N/m m2。構造保護層厚度：外弧面內弧面各50mm。

施工階段：水土合算，側壓力系數取0.43，基床系數取20 000 M Pa/m；運營階段：水土分算，側壓力系數取0.43，基床系數取20 000 M Pa/m。

結合斷面尺寸及施工工藝，在彎矩較小部位進行分塊（見圖3）。

圖3 預制段標準斷面結構分塊（單位：mm）

4 結構計算

4.1 計算原則

（1）綜合管廊設計應能滿足城市規劃、施工、抗震、防水、防火（耐火等級為一級）等的要求，保證結構具有足夠的強度和耐久性，以滿足使用期的各種要求。

（2）綜合管廊設計應減少施工中和建成后對環境造成的不利影響，考慮城市規劃對周圍環境的改變和對結構的作用。

（3）綜合管廊應根據環境類別，按主體結構設計使用年限100 a的要求進行耐久性設計。

（4）綜合管廊設計的凈空尺寸應滿足建筑限界和其他使用，以及施工工藝等要求，并考慮施工誤差、結構變形和位移的影響。

（5）綜合管廊抗震設計按7度進行抗震計算，8度進行抗震措施設計，設計地震為第三組。

（6）綜合管廊應就其施工和正常使用階段，進行結構強度計算，必要時也應進行剛度和穩定性計算，同時應進行抗裂驗算或裂縫寬度驗算，最大計算裂縫寬度允許值見表1。

表1 最大計算裂縫寬度允許值

（7）綜合管廊結構設計應按相對地面標高-2.000 m進行抗浮穩定驗算，其抗浮安全系數大于1.05。對該工程而言，可以不考慮永久性結構抗浮措施。

4.2 計算模型

4.2.1 計算模型簡圖

結構計算程序：Ansys 13.0版。

施工階段，進行降水后計算時不考慮地下水作用；運營階段，需考慮地下水作用。故分兩階段就行計算。圖4、圖5為計算模型簡圖。

圖4 施工階段標準斷面計算模型簡圖

圖5 運營階段標準斷面計算模型簡圖

4.2.2 荷載計算

結構外徑為：7 828 m m×3 800 m m；

管片厚度：300 m m；

結構頂部埋深：4 m；

結構底部埋深：4+3.8=7.8 m；

土層平均重度：19.5 kN/m3；

結構自重：25 kN/m3；

地下水位：0 m；

地面超載：20 kPa；

頂部偏載標準值：Pv=30 kPa。

（1）施工工況

隧道頂部水土壓力標準值：P1=20+19.5×4=98 kPa；

拱背水土壓力標準值：Pi=19.5×3.8÷2=37 kPa；

有偏載作用側上部側向土壓力標準值：P2=0.45×[30+20+19.5×（4+0.3÷2）]=58.9 kPa；

有偏載作用側下部側向土壓力標準值：P3=0.45×[30+20+19.5×（7.8-0.3÷2）]=89.6 kPa；

無偏載作用側上部側向土壓力標準值：P2=0.45×[20+19.5×（4+0.3÷2）]=45.4 kPa；

無偏載作用側下部側向土壓力標準值：P3=0.45×[20+19.5×（7.8-0.3÷2）]=76.8 kPa；

同步注漿荷載標準值：Pz=20 kPa，三角形分布，分布范圍1 m。

（2）運營工況

土層浮重度：γ0=19.5-9.8=9.7 kN/m3；

隧道頂部土壓力標準值：P1=20+9.7=9.7×4=58.8 kPa；

拱背土壓力標準值：Pi=9.7×3.8÷2=18.43 kPa；

隧道頂部水壓力標準值：Pw1=9.8×4=39.2 kPa；

隧道底部水壓力標準值：Pw2=9.8×7.8=76.4 kPa；

有偏載作用側上部側向土壓力標準值：P2=0.45×[30+20+9.7×（4+0.3÷2）]=41 kPa；

有偏載作用側下部側向土壓力標準值：P3=0.45×[30+20+9.7×（7.8-0.3÷2）]=55.9 kPa；

無偏載作用側上部側向土壓力標準值：P2=0.45×[20+9.7×（4+0.3÷2）]=27.1 kPa；

無偏載作用側下部側向土壓力標準值：P3=0.45×[20+9.7×（7.8-0.3÷2）]=42.4 kPa。

4.2.3 計算工況

根據上述荷載分布模式分析以及荷載取值，計算工況如下。

（1）施工階段

施工階段采用水土合算模式，側壓力系數取0.43，考慮側抗力，共11個計算工況（見表2）。

（2）運營階段

運營階段采用水土分算模式，按照主要穿越土層取靜止側壓力系數0.43，考慮側抗力，共5個計算工況（見表2）。

4.3 荷載組合

施工階段：對圍護結構應考慮100%的外側主動土壓力。

表2 計算工況對應荷載

使用階段：主要荷載組合見表3（括號內為荷載有利情況）。

表3 荷載組合及組合值系數

4.4 計算方法

本設計按修正慣用法與梁—彈簧法對結構進行設計。其中修正慣用法用于計算所有的13個工況，而梁-彈簧法用于計算控制工況，從而對內力及變形進行包絡設計。

4.4.1 修正慣用法

將由n塊管片構成的管廊襯砌結構看作剛度均勻的勻質環體。考慮管片接頭的存在，在管片抗彎剛度的基礎上乘以一個剛度折減系數η，以此作為整環抗彎的剛度，在荷載和地層抗力的共同作用下得到該圓環上的內力分布，取η=0.7。考慮錯縫拼裝，在共同變形下管片上的彎矩相對于接頭來說要有所提高，因此，將上述勻質環的彎矩乘以一個彎矩提高系數（1+ξ），作為管片上各截面的彎矩，而接頭上的彎矩要乘以彎矩降低系數（1-ξ），從而得到修正后的彎矩分布。

彎矩重分配后：接頭處內力為 Mj=（1-ξ）×M，Nj=N；管片內力為

其中：ξ為彎矩調整系數，本次計算取0；M、N分別為均質圓環計算彎矩和軸力；Mj、Nj分別為調整后的接頭彎矩和軸力；Mz、Nz分別為調整后的接頭彎矩和軸力。

4.4.2 梁-彈簧法

把組成管廊襯砌環的每塊管片劃分成長度不等的直梁單元，當單元劃分得足夠小時，就可以有效地模擬設計管片。管片與管片之間的螺栓連接用彈簧單元模擬。彈簧元具有軸向、切向的剪切剛度以及轉動剛度，分別模擬接頭的抗拉壓、抗剪和抗彎作用。荷載作用在直梁-彈簧結構體上，同時考慮地層抗力的作用，進而通過反復迭代計算求得襯砌管片的內力。旋轉彈簧參考地鐵淺埋工況下的接頭試驗剛度取11 000 kN·m/rad，最后通過蜀龍路五期接頭試驗迭代計算取13 000 kN·m/rad，偏安全起見，軸向剛度和剪切剛度取無限大。圖6為計算包絡圖。

4.5 管片配筋結果

根據管片內力表中的剪力最大值，基于斜截面配筋計算方法，對于管片進行配箍計算。

4.5.1 管片主筋

管片主筋配置情況見表4。

4.5.2 管片配箍

管片箍筋配置情況見表5。

5 現澆、節段預制及管片預制綜合管廊對比

（1）現澆綜合管廊對現場施工條件要求高，現場作業量大，工期較長，對環境影響明顯，技術相對成熟，造價適中，適合于未建成城區等具有大面積作業的區域。但由于其對環境的影響明顯，綜合管廊建設逐步被工業化預制所取代。

圖6 計算包絡圖

表4 管片主筋配置情況表

（2）預制管節拼裝技術體現了預制工業化的優勢，對環境影響較小，現場作業少，對周圍環境影響相對較低。但需要進行支護開挖，造價較大，同時由于吊車起重重量的限制，管節一般2 m左右，接縫多，后期防水不能有效保證。預制而且管節拼裝只適用于標準斷面的施工，在節點處還需現場澆筑，預制化率不高。未將預制工業化的優勢發揮明顯。

表5 管片箍筋配置情況

（3）預制“管片”拼裝技術，能適用于標準斷面及相關節點部位，使用性強，預制化率高。配合特制施工機械，實現基坑土方開挖、管片吊裝、拼裝、回填等功能于一體，無需支護結構，節約支護成本，降低工程造價。同時，在管片周圍采用M 15防水水泥砂漿進行注漿，有效保證管廊的防水。預制管片采用工廠預制，對環境影響較小，現場作業少，對周圍環境影響相對較低，將預制工業化的優勢發揮充分。

6 結語

隨著城市發展與環境保護的矛盾日漸突顯，工程工業化是必然趨勢。預制“管片”拼裝技術，由于其高預制率，以及邊開挖、邊拼裝、邊回填的施工工藝，從而大大減少了城市綜合管廊施工對環境及城市交通的影響。本文以蜀龍路五期綜合管廊“管片”預制拼裝為例，對其計算模型、計算方法、荷載工況進行分析，并得到各管片的配筋結果，應用于實際工程，說明了“管片”預制拼裝的實用性。為今后國內綜合管廊工程工業化提供了寶貴經驗。