新型裝配式通道的研發和設計分析

文/陳露曄、陳瑤、廖劉算、吳淀杭

1 前言

通道是公路工程中一種十分常見的結構，以人、車通行或過水為主要功能。作為公路工程中的重要組成部分之一，通道量大面廣，投資較大，在施工建設中，往往會成為影響整個工程造價、質量和工期的重要因素之一。

目前，國內的通道普遍以現澆鋼筋混凝土結構為主，現澆通道在施工過程中容易受到地理環境、季節氣候及原材料等條件的限制，加上施工方法、工藝、材料單一，存在一定局限性，不適應新時期我國交通強國建設、打造品質工程對結構構件實現工廠化生產、機械化裝配、標準化施工的要求[1]。

2 研發目標

為完成新型預制裝配式通道的研發，實踐交通強國戰略，提高交通建設行業工業化、裝配化、智慧化水平，本文制定了三個目標，并可細分為九個方面。

2.1 目標一：通道種類歸并、尺寸優化、環境適用

影響通道種類、尺寸的因素如下：功能（機通、人通、排水），通道埋深（明涵、暗涵），運輸吊裝條件（起重設備、道路情況、超限上路審批），凈空要求。裝配式通道不僅需要適應各種環境下（山區、平原）的運輸、吊裝，而且還應減少現場施工對環境的污染[2]。

2.2 目標二：施工全過程的便利性

現澆通道施工必須在地基處理完后進行，換填或管樁處理本身需要一定時間，而現澆作業工藝復雜無法利用地基處理前期的時間；現場勞動力多，機械化程度低；現場施工場地占用大，原材料堆放難以管理。為了實現施工全過程的便利性，工廠制造簡捷高效、預制構件運輸便利、現場裝配快速可靠的研究不可缺少。

2.3 目標三：通道結構經濟、可靠、耐久

通道的耐久性和可靠性，除了與結構尺寸外，還與構件的連接方式、防水措施等有關，只有上述都滿足施工、運營需求，才能達到可靠耐久。

3 方案設計

3.1 裝配式通道斷面類型和尺寸

裝配式通道按其斷面形狀可分為箱形、拱形和異形通道三種結構。根據其功能，裝配式通道可分為人通、機通和排水。根據實際使用情況，可以單獨或者混合使用其功能。

圖1 新型裝配式通道斷面透視圖

通道斷面類型選擇應保證：用于人通、機通時，保證其凈空滿足使用要求；用于排水時，盡可能提高其過水能力；通道類型形式簡單、斷面規整、造價經濟[3]。

表1 斷面類型方案比選

經過上表對比分析，為了提高裝配式通道對使用功能的適應性，從方便施工、降低造價的角度出發，最終確定采用“箱形通道”作為人通、機通的通道斷面類型，“拱形通道”作為純過水的通道斷面類型。

通過對既有項目的大數據統計分析，凈寬4m、5m、6m，凈高3.5m、4m、4.5m 占比最大，凈高分布大致服從0.5m 等差變化。考慮到減少模板尺寸、提高利用率，標準凈寬采用4m 和6m，標準凈高采用3.5m和4.5m，最終確定兩種標準通道：6×4.5m 及4×3.5m通道，側墻以0.5m 為模數，根據實際需求進行調整，滿足不同凈高的要求。

實際工程應用中直徑為1m、1.5m、2m 的圓管涵均為常見橫斷面，預制工藝已經成熟，考慮到較大過水斷面的需求，確定拱形通道尺寸3×2m，過水面積為5m2。

3.2 縱橫向節段劃分

裝配式通道縱向節段的劃分，首先，既要能根據通道長度靈活調節，又要保證拼裝工序少，而這就要求縱向節段長度需合適；其次，吊裝重量不能過大，控制在30t 以下為宜；最后，考慮減少構件運輸上路審批流程，構件節段盡量控制在超限運輸尺寸以內。綜上所述，縱向標準節段長度取2.5m，為了靈活調節通道長度，增加1m 長度的調整節段，可實現0.5m 級的長度調整。

裝配式箱式通道橫向節段主要有以下幾種形式：整體式、上下兩部分拼塊式、門形拼裝式、蓋板式等。整體式通道現場拼縫最少，但尺寸超限，起吊重量大，不適合運輸，故不做比選，其余均有現場拼縫，門式有現澆底板[4]。

表2 橫向劃分方案比選

考慮到增加結構整體性和基礎平整度容錯率，底板宜采用部分現澆。蓋板式預制精度要求小、存放所需場地較小、起吊重量小且各構件間的起吊重量差異小，所需起吊設備要求低，因此選擇蓋板式作為裝配式箱形通道橫向節段劃分方案。

拱形通道頂板圓弧段對豎直段有水平推力，為減少現場側墻臨時固定作業量，拱形通道頂板宜采用整體預制，因此選擇門形拼裝式作為裝配式拱形通道橫向節段劃分方案。

3.3 縱向連接方式

裝配式通道連接形式主要有兩種：構件間無約束鎖緊裝置的連接和構件間帶有縱向鎖緊裝置的連接。

3.3.1 無約束鎖緊裝置的連接

無約束鎖緊裝置的連接，又分為剛性接口和柔性接口。接口形式主要有以下幾種：小企口接口，用砂漿或彈性材料密封；大企口膠圈密封接口，其分為帶膠圈槽的接口和無膠圈槽接口、單膠圈密封和雙膠圈密封接接口；鋼承口接口。

3.3.2 帶有縱向鎖緊裝置的連接

把每節通道連接成整體，其所用的方法即是在通道中預留穿筋孔道，節段安裝時穿入高強鋼筋螺桿或鋼絞線，經張拉鎖緊，節段就被串聯成有一定剛度的整體通道，用以抗御基礎不均勻沉降。因各節段間縱向具有壓力，故此類通道常用節段端面壓縮膠圈形成接口密封，接口密封材料常用遇水膨脹膠圈。

裝配式通道的連接方式是形成整體質量的重要因素。其連接方式應保證：在通道全壽命過程中接口密封的可靠性；連接方式應能適應施工工藝的要求，簡單方便；連接接口應便于生產制造；連接方式形式簡單、成本低廉。

考慮裝配式通道的適應性及耐久性，從方便施工、降低造價的角度出發，確定采用“柔性大企口”作為實施方案。承插口設置為可豎向插拔式，避免施工中水平頂推作業。

3.4 綜合防水措施

通道一般防水措施有：砂漿或彈性材料密封；膠圈密封接口；鋼承口接口；遇水膨脹膠圈。但效果往往不盡如人意，尤其在裝配式通道施工精度的影響下，在設計時更需注意接縫處防水措施。根據調查資料，實際運營過程中常常會發生接縫處滲水情況，防水措施有待優化。

經過資料查找、研究后，參考水底隧道防水措施，裝配式通道防水采用綜合防水措施，頂板鋪設抗滲砼，側墻接縫內采用膨脹止水條+雙組份聚硫密封膠，接縫外側采用SBS 改性瀝青防水卷材，底板下采用水泥基滲透結晶防水涂料。

4 結語

本文研究和設計的新型裝配式通道，具有如下標準化、工業化特點：構件尺寸整齊劃一，模板種類高效精簡；側墻高度分級可調，涵蓋多種適用范圍；現場裝配零焊接量，環境污染持續降低；產品質量有效保障，通道結構耐久環保；專用定額有據可查，通道造價經濟節省；形成若干技術指南，方便后續推廣應用。

目前，規范對于埋深較大的通道涵洞計算要求并未規定考慮土拱效應，因此本次開發設計尚未考慮該部分的有利影響，而事實上土拱效應在高填深埋路段的通道中普遍存在，后期將依托工程中對實際通道受力的檢測分析，建立結構與土拱聯合作用的實體有限元模型，摸清高填深埋路段的結構受力機理，對薄壁通道進行優化，以進一步提高其經濟型。