箱式市政工作井預制拼裝方案對比分析及接口構(gòu)造設(shè)計
——以南寧五象新區(qū)1號路電力直線工作井為例

□ 江懷雁

1 引言

給排水、電、氣和通信管網(wǎng)是現(xiàn)代城市的生命線工程，新城區(qū)建設(shè)和舊城區(qū)改造均離不開此類市政基礎(chǔ)設(shè)施。市政工作井按材料種類可分為砌體結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)兩種類型，鋼筋混凝土工作井目前主要采用整體現(xiàn)澆的方式建造，施工效率較低、建造周期長、對地面交通影響大、模板重復利用率低、人工成本高、噪聲和粉塵污染大等主要缺點。如將施工方法改進為工廠預制、再現(xiàn)場拼裝，將很好地克服上述缺點，預制件的混凝土質(zhì)量更有保證，可取得良好的社會效益、經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。但預制拼裝式混凝土結(jié)構(gòu)也有其不足之處，如拼接接口或接縫易成為受力和抗?jié)B漏的薄弱部位、整體性下降等。如將預制廠的開模—澆筑—養(yǎng)護、預制件的吊運—堆放—拼裝的成本及占用工時計入，那么預制拼裝式工作井的優(yōu)勢將不會那么明顯。因此，研究市政鋼筋混凝土工作井的預制拼裝方案，盡可能降低預制拼裝式工作井的造價，方可充分發(fā)揮出工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)勢。

筆者前期研究表明，從受力的角度而言，箱式市政工作井預制拼裝化具有較好的可行性[1]。現(xiàn)有文獻[2-11]對市政工作井這類中小型地下淺埋混凝土中厚壁箱式結(jié)構(gòu)的預制拼裝方案缺少綜合比較分析研究。本文以電力直線工作井為例，對箱式混凝土市政工作井進行多種預制拼裝方案的概念設(shè)計和較全面的對比分析，以尋求相對較優(yōu)的方案，并對接口形式和構(gòu)造進行概念設(shè)計。

2 預制拼裝方案設(shè)計

箱式工作井預制拼裝方案即箱體分割方案，通過對整體現(xiàn)澆井體進行合理地分割，使分割后的預制單元（預制件）盡量滿足以下要求：一是類型數(shù)少，易于標準化，模具簡單，重復利用率高；二是易于產(chǎn)業(yè)化，以實現(xiàn)工廠批量預制生產(chǎn)；三是預制件自重輕，吊裝噸位小，對現(xiàn)場吊裝設(shè)備要求低，降低拼接難度；四是拼裝接口長度短，盡量減少受力薄弱部位和漏水點；五是現(xiàn)場工作量小，所需人工數(shù)量少等。但這些要求之間存在一定矛盾，如當滿足接口長度短的要求時，往往會帶來預制單元體量大、自重大、吊裝難度大等問題；當單元形狀為一字形或“L”形時，雖可滿足類型數(shù)少、自重適中、預制難度小、堆放空間小的要求，但拼裝接口總長度長、現(xiàn)場拼接工作量大的問題會突顯出來，因此方案設(shè)計時需在各要求之間取得平衡。

圖1為南寧五象新區(qū)1號路某常用規(guī)格的電力直線工作井，該工作井的外輪廓尺寸為長6.5m×寬1.8m×高2.4m，原設(shè)計頂、底板厚250mm，側(cè)壁和端板厚為200mm，頂部人孔920mm×920mm×2個，端孔為920mm×920mm。針對此工作井，本文設(shè)計6種預制拼裝方案進行比較，各方案的拼裝接口布置、預制拼裝件組裝方式如圖2所示。圖2中，除方案5和方案6外，其余方案縱向水平接口沿厚度方向的形狀一律采用外低內(nèi)高的階梯形，以抵擋井外地下水的滲入，并使板件相互咬合，防止發(fā)生滑動。

圖1 電力直線工作井施工現(xiàn)場

3 預制拼裝方案比選

為便于比較，將該電力直線工作井的井壁厚度統(tǒng)一調(diào)整為200mm，鋼筋混凝土容重取25kN/m3。分別采用以上6種預制拼裝方案進行分割，預制拼裝件分割尺寸示意圖詳見圖3，綜合性能比較詳見表1。

圖2 6種預制拼裝方案示意圖

圖3 直線形工作井實例：6種預制拼裝方案的預制件分割尺寸示意圖

表1 6種預制拼裝方案的綜合性能比較一覽表

表1中，空間效應和整體性對用鋼量有直接影響：空間效應和整體性越強，內(nèi)力相對越小，所需配筋量也越少。接口總長度關(guān)系到拼裝時需處理的接口總量及薄弱部位的長度，可表征拼裝速度、人工成本和防水性、抗?jié)B性、耐久性的水平。對6種拼裝方案的優(yōu)缺點做如下綜述。

3.1 方案1

優(yōu)點：單塊預制件自重較輕，吊裝設(shè)備噸位要求小，生產(chǎn)模具簡單、體量小，運輸和堆放時占地少，空間利用率高；缺點：接口長度較長，預制件的類型數(shù)較多，拼裝總件數(shù)多，整體性差，用鋼量大，在車—土—水壓力共同作用下縱向水平接口外側(cè)有張開趨勢，對抗?jié)B性和耐久性不利。

3.2 方案2

優(yōu)點：預制件類型數(shù)少，接口總長度短，拼裝復雜程度小，箱體整體性好，用鋼量少，由于無縱向水平接口，在車—土—水壓力共同作用下不存在水平接口外側(cè)張開的薄弱環(huán)節(jié)，但該方案不足是預制件自重大，對吊裝設(shè)備的起吊噸位要求較高。當需要控制預制件單體自重時，可減小縱向長度，但接口長度會相應增加。

3.3 方案3

該方案以“瓶+蓋”的組合方式，其優(yōu)點是縱向水平接口位于箱體上部位置，水壓力最大的下部無縱向水平接口，可減少滲水的可能性，而且拼裝難度小，拼裝速度快，但預制件類型數(shù)和總塊數(shù)、單件預制件自重、接口總長度、箱體整體性，在車—土—水壓力共同作用下縱向水平接口開閉性等指標均無優(yōu)勢。

3.4 方案4

該方案是現(xiàn)澆與預制拼裝相結(jié)合的方案，相當于在現(xiàn)澆底板上扣上一個“蓋子”，預制件類型數(shù)和總件數(shù)最少，單片預制件的自重較方案2輕，并具有整體性較好、用鋼量適中、拼裝難度小、拼裝速度快等優(yōu)點；與其他方案相比，該方案底板上無接口，可最大程度保證底板的抗?jié)B性。不足是需在現(xiàn)場澆筑底板，施工工期和人工成本稍有增加，而且縱向水平接口位于水壓較大的箱體底部位置，在井側(cè)水、土壓力作用下該接口有張開趨勢。從受力而言，現(xiàn)澆底板為板類構(gòu)件，當其厚度較薄時，由于剛度小，對地基不均勻變形的抵抗能力較弱，因此對地基條件要求較高；當?shù)鼗^軟弱時，在拼裝不同位置的Π形預制件時，底板可能容易開裂，需要通過增加板厚和配筋加以解決，但會增加造價；對此，可在底板兩側(cè)邊增加適當高度的反邊（或反梁），則可利用板件的空間效應增加底板剛度，而不需增加板厚和配筋。值得注意的是，底板雖需現(xiàn)澆，但僅需側(cè)模板，模板用量很少，并可重復利用，施工總體比較簡便。

3.5 方案5

該方案能夠控制單片預制件的自重，是各方案中的最輕者，可降低對吊裝和運輸設(shè)備的要求，但預制件總數(shù)增多，類型數(shù)也不少，接口總長度達各方案的最大值，箱體整體性、拼裝難度和荷載作用水平接口開閉性也無優(yōu)勢，由于側(cè)壁高度中間設(shè)置水平接口，并位于同一直線上，在非均勻的水、土壓力作用下，箱體上、下半部分容易發(fā)生水平錯動，出現(xiàn)裂縫。總體來看，該方案的缺點多于優(yōu)點。

3.6 方案6

該方案的特點與方案5相近，僅側(cè)壁的水平接口相互錯開，起咬合作用，可防止上半部分與下半部分在側(cè)向土壓力和水壓力梯度作用下出現(xiàn)水平錯動而發(fā)生水平剪切撕裂，但因此也增加了一種預制件類型，總體上略優(yōu)于方案5。

由上述分析可知，方案1、5、6的優(yōu)勢不太明顯，方案2、3、4在吊裝設(shè)備噸位滿足的前提下，方案2各方面優(yōu)勢較為明顯；當?shù)跹b設(shè)備噸位較低，且地基條件滿足要求時可選用方案4。應注意的是，方案2須保證底板接口的抗?jié)B性；方案4可將預制件拼裝與底板混凝土澆筑緊密配合，利用預制件自重壓緊底板未完全硬化的混凝土增強兩者間的黏結(jié)力，并通過柔性防水構(gòu)造措施保證底部縱向水平接口的抗?jié)B性能。

4 拼裝接口構(gòu)造設(shè)計

地下工作井的拼裝接口應滿足抗?jié)B性好、承載力高、傳力效率高、耐久性好和制作難度低、拼裝便捷等多項要求，需從連接方式和接口形狀兩方面進行設(shè)計。在連接方式上，目前有干接、濕接和膠接3種類型可供選擇。其中，膠接接口以抗拉強度高于混凝土的環(huán)氧樹脂膠為接口黏結(jié)材料，通過施加預應力將預制件拼裝成整體，環(huán)氧樹脂膠具有找平、填縫、緩沖、均勻傳力、防水的作用，因此膠接在承載力、整體性、傳力性能、抗?jié)B性和施工便利性等各方面無明顯短板，綜合性能最優(yōu)。地下淺埋預制市政工作井因同時承受汽車荷載、土壓力和水壓力，對承載力和防水性能要求較高，以膠接最為合適。

圖4 預制件接口構(gòu)造詳圖

接口形狀對相鄰預制件之間剪力的傳遞能力、接口的抗剪承載力具有控制作用，采用圖4（a）、（b）所示的齒狀剪力鍵接口形狀較為合理。由于市政工作井長度較短（一般在10m以內(nèi)），預應力損失大，故施加預應力的作用有限。盡管如此，由于膠接預制件仍需通過縱向通長鋼筋連成整體，因此筆者建議沿井體縱向采用環(huán)氧涂層預應力螺紋鋼筋作為縱向通長鋼筋（見圖4a、b），兩端通過螺母加墊片的螺紋錨具施加初始預應力，待工作井拼裝完畢后再補張拉一次，使接口膠體結(jié)合緊密，提高整體性，再在孔道內(nèi)灌漿，使預應力螺紋鋼筋與混凝土之間產(chǎn)生黏結(jié)力，以保護鋼筋不易銹蝕，并保證在預應力被混凝土和膠體的收縮徐變抵消而損失殆盡后，該縱向通長預應力鋼筋仍可作為接口抗裂鋼筋發(fā)揮重要作用，同時起一定的抗彎和抗剪作用。井體寬度和高度方向因尺寸較小，預應力效果不明顯，加之預制件厚度有限，不建議設(shè)置預應力鋼筋，相應的縱向水平接縫依靠預制件自重和覆土壓力保持閉合狀態(tài)。環(huán)向接口的剪力鍵加強鋼筋構(gòu)造詳見圖4（c）。

5 結(jié)語

本文針對市政管線地下箱式工作井設(shè)計6種預制拼裝方案，以實際電力工作井為例，對比分析各方案的綜合性能，并對接口構(gòu)造進行概念設(shè)計，得到以下結(jié)論：

（1）在吊裝設(shè)備滿足起重噸位要求的前提下，箱形預制件拼裝方案在拼裝難度、拼裝工作量、防水抗?jié)B性、整體性、經(jīng)濟性等各方面性能優(yōu)勢較明顯，可作為較優(yōu)方案推薦使用，其次是現(xiàn)澆底板+Π形頂板—側(cè)板預制件方案，但對地基條件要求較高，且需要現(xiàn)場澆筑作業(yè)。

（2）環(huán)向和縱向水平拼裝接口建議采用帶剪力鍵的膠接形式，并沿工作井縱向均勻布置通長的環(huán)氧涂層預應力螺紋鋼筋，通過螺母+墊片錨具施加預應力，并在拼裝施工過程中反復張拉；待預應力筋張拉完畢后，宜在孔道內(nèi)灌漿，以保護鋼筋并發(fā)揮抗裂和提高整體性的作用。