基于烏魯木齊市某綜合管廊項目的相關設計問題探討

2021-04-26 09:46:06張海銀

城市道橋與防洪 2021年4期

張海銀

（上海市政工程設計有限公司，上海市200092）

0 引言

地下綜合管廊因其集約化容納各類管線，避免了由于單獨敷設和維修地下管線頻繁挖掘道路而對交通和居民出行造成影響和干擾。綜合管廊內管線布置緊湊合理，有效利用了城市地下空間，節約城市用地，美化城市環境。綜合管廊是保障城市運行的重要基礎設施和“生命線”，在對滿足民生基本需求和提高城市綜合承載力方面發揮著重要作用。作為國家“一帶一路”發展戰略的核心地區，烏魯木齊市響應國家相關政策，大力投資發展綜合管廊建設，積累了諸多經驗。但因工程地質、項目特點、邊界條件等不同，新的項目在建設過程中也會面臨新的問題。諸如投料口常規設計為每個艙室上方均設置相互獨立的投料口部，一定程度上增加投資及設計難度，且出地面的可開啟蓋板也會對城市景觀產生諸多不利影響；隨著城市地下空間的進一步開發，綜合管廊與隧道、地鐵等地下建（構）筑物臨近或交叉的情況也會越來越多，在進行結構設計時受力如何考慮等。論文依托具體工程實例，對相關設計問題提出解決方案，以期為類似工程項目提供參考借鑒。

1 工程概況

擬建綜合管廊工程位于烏魯木齊市經濟技術開發區，是與道路、橋梁等同步建設的綜合管廊工程。管廊總長度約11.3 km，采用兩艙矩形斷面，艙室劃分為電力艙、綜合艙，入廊管線有給水、中水、電力、通信等四類管線，如圖1 所示。管廊標準段結構外尺寸為6.1 m×4.2 m，基底埋深約8.0 m。管廊沿線除標準段外還設置了通風口、投料口、人員出入口、引出口、交叉口、端頭井、變電所、消防泵房等非標節點。管廊基本位于60 m 寬度的道路紅線范圍內，并布置在道路北側綠化帶及機動車道下。

圖1 綜合管廊標準斷面圖（單位：mm）

2 管廊投料口的新做法

綜合管廊投料口的常規做法為在每個艙室上方均設置一個獨立的地面投料口，地面投料口需設置于綠化帶或人行道范圍內以便安裝及檢修，如圖2 所示。給水、中水等成品管道的管節長度為8～10 m（產權單位提供），因此需要開設上下對齊的較大洞口。按照常規做法，該類型的投料口存在如下問題：（1）較多較長的地面投料口對綠化帶或人行道景觀效果產生更多不利影響，口部設置于人行道下會因拆除及恢復人行道鋪裝而增加后期檢修的成本。（2）因平行的上下開長洞導致頂板、中板對側墻的約束減弱，按照《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》（CECS138—2002）[1]6.1.4 條，經計算包括該工程在內的多數管廊均不滿足當ng≥m4（HB/b）時開洞頂板或中板可作為側墻不動鉸支承的條件，即需按照彈性支承考慮，此時計算出的側墻受力結果偏大，縱、橫向配筋均需加強。

圖2 投料口橫斷面示意圖A（單位：mm）

鑒于以上問題，本文提出了投料口的新做法，地面僅在綠化帶內保留一個投料口部，各類管線均通過該口部下料，非垂直下方的管材則通過在中板上進行橫向運輸后再行下料（如圖3 所示），至于防火分區的問題則可以通過在中板上方加設防火蓋板來解決。該投料口做法能夠有效減小地面口部對景觀及后期運維的不利影響，同時頂板一側能對側墻起到有效支承，經計算，該投料口的配筋量及混凝土用量均有所減少，相比常規做法更經濟合理。該投料口的做法目前已應用到多個工程項目中。

圖3 投料口橫斷面示意圖B（單位：mm）

3 標準段支座處的縱筋錨固

綜合管廊的標準段支座處的縱向受力鋼筋錨固問題是在設計過程中遇到并值得討論的問題，綜合管廊的結構模型類似于城市車行地道，屬于矩形單孔或多孔閉合框架。不同在于其外荷載、結構高度、跨度均相對較小，因此頂底板、側墻等結構厚度也相對較小，常規的市政綜合管廊頂底板及側墻厚度約300～500 mm。本文管廊設計壁板厚度為400 mm，受拉鋼筋基本錨固長度labE=33d，按照國家規范及相關圖集的要求，支座處縱筋錨固采用直錨顯然不能滿足要求，必須通過彎錨形式，但彎錨的平直段長度是否能滿足錨固的強度和抗滑移剛度值得探討。

綜合管廊屬閉合框架結構，頂、底板與側墻之間的連接類似于90°折梁的節點連接，《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）（2015 版）[2]中9.3.7 條頂層端節點梁柱連接與之原理相同。梁、柱端均主要承受負彎矩，該節點外側鋼筋不是錨固受力，而屬于搭接傳力問題（圖4 和圖5 中為規范給出的兩種搭接方式，圖4 為搭接接頭沿頂層端節點外側及梁端頂部布置，圖5 為搭接接頭沿節點外側直線布置）。若采用常規的梁錨柱做法，將無法保證節點區的搭接傳力從而無法發揮所需的正截面受彎承載力。因此在管廊頂、底板與側墻支座處的外側縱筋連接可以理解為通過搭接的方式進行互錨，類似于《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》（CECS138—2002）[1]7.1.11 條指出的水池池壁拐角處的鋼筋應有足夠長度錨入相鄰池壁內。

圖4 搭接接頭方式a

圖5 搭接接頭方式b

針對以上問題，本文針對綜合管廊的設計特點提出一種解決方案。考慮到多數市政綜合管廊的結構高度及跨度均不大，單個艙室的凈高及凈寬均在2.0～5.0 m 范圍內。在進行管廊外側受力鋼筋配筋設計時，并不需要進行分段配筋，可采用通長配筋，然后將頂、底板及側墻的外側縱筋焊接成環，既解決了支座節點處的連接問題，也方便現場施工。同時，為了讓水平段黏結錨固和彎弧- 垂直段擠壓錨固雙管齊下以達到錨固強度及抗滑移剛度的要求，需控制平直段最小長度≥0.4labE。若平直段長度不夠，則可通過增加壁板厚度或在保證配筋面積的前提下調小鋼筋直徑減少鋼筋間距的方式來解決。

4 管廊下穿新建車行地道時的受力

擬建綜合管廊需下穿新建雙向八車道的車行地道，位置關系如圖6 所示，綜合管廊與上部車行地道豎向凈距為1.0 m。該工程地道為常規單箱雙室斷面，在進行地道結構設計時需要驗算承載力是否滿足，利用Midas Civil 有限元軟件進行計算（地基基床基數采用地勘建議值取K= 值60 000 kN/m3）得出如圖7 所示基底壓力圖。

圖6 綜合管廊下穿新建車行地道示意圖（單位：mm）

圖7 車行地道基底壓力計算結果（單位：kP a）

從圖7 中可以看出，基底壓力在地道側墻及中隔墻處存在應力集中，中隔墻處基底壓力為289.0 kPa，而基底深度處等厚土體的壓力約為252.0 kPa。對比兩個數據可知，若在進行下穿管廊的受力計算確定恒載時直接采用上覆土厚度對應荷載來考慮，則計算結果偏不安全。在以上計算結果基礎上延伸考慮，相同條件下采用不同的基床系數計算地道基底壓力，得出如表1 的結果，對比中隔墻處的基底壓力，可知基床系數越小，基底壓力越趨近于平均壓力，基床系數越大越容易產生中隔墻和側墻底的應力集中。對于烏魯木齊市乃至大多新疆地區的地質情況，地基土承載力較高，基床系數較大，基底壓力的應力集中現象相對亦更加明顯，故遇到類似工程情況，在進行管廊結構受力計算時，建議考慮地道基底局部壓力的不利影響，并與上覆土重按照最不利情況進行設計。

5 臨近高架橋引道擋墻引起的管廊附加荷載

該工程設計了一條跨越現狀公路及鐵路的高架橋，因道路紅線寬度有限等邊界條件的限制，在進行橋梁和管廊平面布置時，不可避免的產生了如圖8所示的二者臨近的情況。常規高架橋橋臺前會設置一段引道擋墻，高度約2.0～4.0 m。若管廊與擋墻足夠近，則在管廊結構設計時需考慮擋墻和墻后填土及路面車載引起的附加恒、活載作用。

圖8 綜合管廊臨近引道擋墻示意圖

表1 不同基床系數對應的地道中隔墻基底壓力

關于局部附加荷載的規范取值，《建筑邊坡工程技術規范》（GB50330-2013）[3]附錄B.0.2 條及《建筑基坑支護技術規程》（JGJ120—2012）[4]3.4.7 條的計算方法較為相似，區別在于附加荷載的擴散角取值有所不同。前者與土力學[5]保持一致，即擴散角后者取值角θ=45°。對于該工程中的擴散角取值做如下分析，場地地層情況自上而下依次為素填土①、圓礫層②、卵石層③，素填土層厚1.5～8.2 m，主要由粉土、圓礫組成，混少量建筑垃圾和生活垃圾，部分地段植物根系發育，因為其成分相對復雜，通常地勘報告中對首層素填土或雜填土等的力學性能指標不予描述。因此表層土綜合內摩擦角只能依據經驗來取值，取值是否合適較難判定；同時考慮到土壓力計算是個比較復雜的問題，土壓力計算方法的假定均要滿足相應的邊界條件，例如圍護樁側土壓力，若樁頂位置較低時，將樁頂以上土層的自重折算成荷載后計算的土壓力會明顯小于這部分土實際產生的土壓力。因此，本文考慮對附加荷載的擴散角取值進行適當放寬，即按照45°來計算，總體偏安全。

通過以上分析，結合該次工程案例確定臨近高架橋引道擋墻對管廊產生的側向附加荷載，可按下式進行計算：

式中：Δσk為側向附加荷載標準值，kN/m2；Ka 為主動土壓力系數；qL為局部均布荷載標準值，kN/m2。

該項目橋梁寬度為13.5 m，引道擋墻范圍荷載可按照平均均布荷載考慮，不考慮擋墻基底的局部壓應力；擋墻最大高度4.0 m，墻后填土容重約21 kN/m3；管廊與擋墻的凈距a=5.0 m；h=3.5 m、H=4.2 m；Ka 取值0.4；可計算得出引道擋墻恒載對管廊引起的附加荷載如下，活載引起的附加荷載計算方法類似。