分塊式預制管廊的關鍵技術

譚琳 勞偉康 高振宇

(1.北京市市政工程設計研究總院有限公司廣東分院 廣州510060;2.廣東首匯藍天工程科技有限公司 廣州510060)

引言

城市地下綜合管廊(簡稱“管廊”),作為保證城市運行的重要基礎設施和“生命線”,近年在我國得到了大力且快速的發展。目前,管廊的結構型式主要分為現澆和預制兩種。雖然現澆管廊仍是運用較廣泛的結構形式,但在當前產業升級改造的大浪潮下,預制工藝也在市政行業大力推行,并在我國多個大型市政工程中得到了運用,如： 上海世博園區預制預應力綜合管廊、貴州都勻勻楊大道及環東路地下綜合管廊工程、湖南省吉首市地下綜合管廊工程、貴州六盤水市人民東路綜合管廊工程等。

預制管廊又根據其接頭位置的不同,分為整體式預制管廊與分塊式預制管廊兩類。整體式預制管廊僅有縱向接頭,而分塊式預制管廊同時具有縱向與橫向接頭,如圖1 所示。本文以廣州市天河智慧城分塊式預制管廊為背景,從接頭防水、接頭力學計算和人防工況下力學計算三個方面對分塊式預制管廊進行闡述。

1 預制管廊接頭防水

預制管廊具有施工周期短、施工場地綠色環保、施工質量標準化等優點,但由于生產工藝、運輸要求、吊裝安全等因素的影響,預制管廊具有較多接頭。對于地下工程,接頭設計制作工藝的優劣影響其對地下水的控制作用,接頭防水是預制管廊成敗的關鍵因素。接頭的設計根據預制工藝、安裝工藝、防水工藝等不同,可分為平口式、承插式、企口式等[1,2]。

圖1 預制管廊示意Fig.1 Diagram of the precast municipal tunnel

1.1 預制管廊接頭形式

本文以廣州市天河智慧城管廊工程為例,其為干線管廊,入廊管線較大、艙室截面較大,如采用整體式預制管廊其單節重量和截面尺寸都較大,生產和運輸、安裝將很難實現,故該項目采用分塊式預制管廊。以其中一路段三艙管廊為例,每隔2.4m 設置一道縱向接頭,并且在截面中部設置橫向接頭,使得單節管廊重量控制于40t 之內,以方便生產、運輸、吊裝。

鑒于縱向接頭可能因場地發生不均勻沉降易造成接頭防水破壞,且對于墊層找平質量控制精度要求高等因素,同時考慮接頭構造宜簡單、方便生產及安裝止水帶等特點,故縱向接頭采用了企口的形式,如圖2 所示。而對于橫向接頭,不受地基沉降及墊層找平的影響,但需考慮控制豎向預應力鋼棒(以下簡稱“PC 鋼棒”)的安裝精度,盡量減少PC 鋼棒張拉時預應力損失的要求,橫向接頭采用了平口的形式,如圖3 所示。

圖2 縱向企口接頭構造Fig.2 Detailed drawing of longitudinal joint

1.2 縱向企口接頭構造

縱向企口接頭如圖2 所示,在接頭承口處迎水面與背水面均設置凹槽,以便填入高彈性密封膠,作為第一、三道止水措施。該高彈性密封膠的強度等性能指標見表1,且根據相關檢測試驗報告,在20℃時其預估壽命約為97年。同時也知,該密封膠與混凝土結合后其抗拉強度≥0.4MPa,是一般聚氨酯密封膏拉伸粘結強度2 倍以上,與結構本體結合性較好,能達到設計要求的密水性等要求。

在承口內側,距高彈性密封膠約50mm 處設置一道止水膠條(豎向止水膠條),作為第二道止水措施,如圖2 所示。止水膠條是由彈性橡膠與遇水膨脹橡膠制成的復合密封墊,彈性橡膠采用三元乙丙橡膠。該止水膠條通過縱向鋼絞線的張拉,使其得到充分壓縮,使得止水膠條的界面應力能夠抵抗足夠的水壓作用。在插口處設置上下兩道檢查孔,作為在構件安裝完成后檢測接頭的防水密閉性的用途,而且還能在接頭出現滲漏的情況下注入密封膠,作為接頭防水的應急措施之一,起到補漏作用。

1.3 橫向平口接頭構造

橫向平口接頭如圖3 所示,在上下管節接頭處迎水面與背水面均設置凹槽,以便填入高彈性密封膠,作為第一、三道止水措施。該高彈性密封膠與縱向企口接頭使用的材料一致。在下管節內側,距高彈性密封膠約50mm 處設置一道止水膠條(縱向止水膠條),如圖3 所示,該止水膠條與縱向企口接頭使用的材料一致。該止水膠條通過豎向PC 鋼棒的張拉,使其得到充分壓縮,使得止水膠條的界面應力能夠抵抗足夠的水壓作用。

分塊式管廊的接頭最薄弱點為橫向接頭與縱向接頭在十字交叉處的止水膠條與高彈性密封膠相互關系的處理。該處縱向與橫向迎水面與背水面的凹槽尺寸均為一致,該凹槽處理比較簡單、質量容易保證; 但較容易出現設計盲點的是中間處縱向與豎向止水膠條,該處縱向膠條需預留出構件,與豎向膠條位置重合、發生搭接關系,這個節點是分體式預制管廊設計的關鍵點之一。因此,在設計時考慮橫向接頭的縱向止水膠條須預留出5cm ～10cm,以便與縱向接頭的豎向橡膠止水帶搭接,其剖面如圖4 所示。并且在該節點處在承口和插口處均設置橫向止水膠條,使得該節點成為閉合的空間,以便做閉水試驗、也利于解決日后可能會出現節點滲漏問題。對于該分體式預制管廊,將存在三處完全閉合的止水措施,適用于地下水豐沛且水位較高的地區。

2 預制管廊接頭力學計算

分塊式預制管廊縱向采用預應力鋼絞線進行連接,預應力鋼絞線的張拉力主要受控于縱向接頭止水橡膠的界面應力控制,且縱向連接采用的企口接頭為柔性接頭,能較好地承受地基不均勻沉降及地震力的影響,故在此對縱向接頭不過多敘述。而橫向接頭一般均設置在側壁的跨中,該處為側壁受力最大處[3],故橫向接頭采用剛度較大的PC 鋼棒進行連接,下文將對橫向接頭的力學設計計算進行論述。

2.1 橫向接頭承載力極限狀態驗算

根據文獻[4]的要求,分塊式橫向接頭需進行承載力極限狀態及正常使用極限狀態的驗算。對于承載力極限狀態驗算,考慮管廊為整體結構,采用MIDAS GEN 對其進行受力計算,計算模型如圖5所示。取該模型下基本組合時的跨中彎矩、剪力、軸力,此時因中部是完全分離的,因此僅考慮PC 鋼棒與受壓區混凝土共同承受此部分力,按式(1) ～式(3)計算PC 鋼棒直徑D。

式中： M 為接頭彎矩設計值; fpy為PC 鋼棒抗拉強度設計值; Ap為PC 鋼棒截面面積; h 為構件截面高度; b 為構件截面寬度; x 為構件受壓區高度; a1為混凝土系數; fc為混凝土軸心抗壓強度設計值; D 為PC 鋼棒直徑。

圖5 預制管廊整體計算結果(單位： kN·m)Fig.5 Recults of integral calculation for precast municipal tunnel(unit： kN·m)

2.2 橫向接頭正常使用極限狀態驗算

分塊式預制管廊橫向接頭考慮MIDAS GEN模型下的標準組合效應,并考慮長期作用影響對該接頭的外緣張開量進行驗算,見公式(4)。根據規范[1]的要求 Δmax一般取2mm。而旋轉彈簧常數K 的取值受到接頭構造、裝配應力和裝配方式等因素的影響,一般需要通過相關試驗確定。參考國際隧道協會的指南[5],K 值一般為25000kN·m/rad ～50000kN·m/rad 之間。

式中： Δ 為接頭外緣張開量; Mk為接頭彎矩標準值; K 為接頭旋轉彈簧常數; Δmax為接頭外緣最大張開量。

3 預制管廊人防工況下力學計算

3.1 管廊人防設計的基本要求

管廊作為城市基礎工程的“生命線”應該充分考慮戰時的人防需求,天河智慧城管廊作為全國試點管廊項目,首次嘗試全線進行人防設計。對綜合管廊進行防護設計的目的,是在戰時遭受預定的核武器及常規武器襲擊產生的破壞效應及其次生災害環境下,保障管理內各種城市工程管線的安全,利于戰后恢復使用[6]。管廊的人防設計只是針對管線的防護而非人員的防護,無需進行防化要求且允許染毒。所以管廊可根據防火分區的劃分進行防護單元的劃分,同時本工程管廊的防常規武器抗力級別和防核武器抗力級別均為6 級。

3.2 預制管廊關鍵人防計算要點

本工程因其中間艙室存在污水管,污水管需要設置較多出線口,故中間艙室不設置人防要求為非人防區,兩側艙室為人防區,因此內壁均為臨空墻,如圖6 所示(填充區為人防區)。對于分塊式預制管廊,內壁均設置PC 鋼棒進行拉結,對于人防設計可只進行結構承載力驗算。又根據相關要求[7],在進行驗算時,混凝土的材料強度可以考慮材料強度綜合調整系數γd,但對于高強的預應力鋼棒不考慮調整系數γd。人防工況下的荷載簡圖見圖7,計算結果見圖8。以右側外側壁為例,在基本荷載組合下常規荷載工況下跨中彎矩為129kN·m,而人防荷載工況下為126kN·m,側壁人防計算時綜合考慮調整系數γd并采用式(1) ～式(3)可計算PC鋼棒直徑。由計算結果可知對于預制管廊外側壁及頂底板常規荷載為控制工況,而對于中壁(即臨空墻)人防荷載為控制工況。

圖6 預制管廊人防區示意Fig.6 Diagrammatic sketch for civil air defence of precast municipal tunnel

圖7 預制管廊人防荷載簡圖Fig.7 Civil air defense load for precast municipal tunnel

圖8 預制管廊人防計算結果(單位： kN·m)Fig.8 Results of civil air defense calculation for precast municipal tunnel(unit： kN·m)

4 結語

1.分塊式預制管廊縱向接頭宜采用對變形有更好的適應能力、對細節要求高的企口接頭;橫向接頭宜采用構造簡單、施工便捷的平口接頭。

2.縱向接頭及橫向接頭設計時應考慮相互搭接,形成一個閉合空間,并須考慮接頭拼裝完成后的檢測及加固需求。

3.橫向接頭力學計算應考慮強度及使用狀態下的相關計算,以此選取PC 鋼棒。

4.管廊人防設計是對管線的防護,并非對人員的防護。設計時,綜合考慮不同艙室的人防需求,是否能夠滿足設防的要求。在進行人防力學設計時,只需考慮強度計算,無需考慮長期使用狀態下的計算。

廣州市天河智慧城分塊式預制管廊接頭的防水性能在實踐檢驗中取得較好成果,橫向接頭在管廊安裝完成后其變形等監測指標均滿足相關要求。