泵站地下池體結構形式及施工方案對比分析

馬 超

（河北銳馳交通工程咨詢有限公司，河北 石家莊050021）

0 引 言

近些年，隨著城鎮化進程的全面推進，越來越多的道路與既有鐵路進行交叉。道路與鐵路交叉的形式主要為平面交叉和立體交叉。當鐵路路線等級低、道路交通量小，且場地地勢平坦、視野好的地方，才會設置平面交叉，其余地方均采用立體交叉。立體交叉根據道路的使用功能要求和場地地質情況，可分為下穿地道橋和上跨高架橋[1]兩種形式。當采用下穿式地道橋形式時，一般會設置雨水泵站，以解決雨天積水問題，保障道路交通安全[2]。目前，我國建設項目中，泵站地下池體部分通常采用明挖現澆施工和預制沉井施工[3]兩種工藝。每種工藝伴隨著不同的結構設計形式。不同的結構形式和施工方案，在工程造價、對周邊環境的影響、施工工期等方面均有所不同。因此，如何合理選用雨水泵站結構形式和施工方案,是進一步研究的方向。

1 工程概況

某市政道路與京滬鐵路交叉，采用地道框架橋形式下穿鐵路。道路采用城市快速路標準，主路為雙向6車道，輔路為雙向4車道，道路紅線寬度70 m，瀝青混凝土路面。主路設計速度為60 km/h，輔道設計速度為40 km/h。下穿鐵路框架橋設計凈高：機動車道不小于5.0 m，非機動車道和人行道不小于3.0 m。兩側引道設計縱坡分別為-2.87%、+3.07%，凹形豎曲線半徑R=3 500 m，如圖1所示。

圖1 道路縱段示意圖

為排除下穿鐵路段道路范圍內雨水，新建一座雨水泵站。泵站位置距鐵路邊線70 m，泵房選用半地下室泵房。根據當地暴雨強度計算，地下池體結構尺寸為9 m×12 m，深11.6 m。為了合理選取泵站地下池體的結構形式和施工方案，本項目從結構計算、施工質量、施工工期、工程造價等方面對比分析明挖和沉井兩種施工工藝，分別如圖2和圖3所示。

圖2 地下池體明挖結構示意圖

圖3 地下池體沉井結構示意圖

2 結構受力分析

2.1 作用荷載

根據《給水排水工程鋼筋混凝土水池設計規程》（CESC 138：2002）[4]和《給水排水工程鋼筋混凝土沉井設計規程》（CESC 137：2015）[5]相關規定，明挖形式和沉井形式的地下池體，所受荷載作用類型相同。除自重外，側壁所受荷載為側土壓力、池體內外側水壓、地面堆載引起的側向壓力[6]，底板受到地基反力和地下水浮力的作用。

荷載組合應根據地面堆載情況、地下水位變化情況、池內蓄水情況分別進行荷載組合計算，取其最不利組合。

2.2 計算重點

2.2.1 穩定性驗算

雨水泵站地下池體尺寸較大，項目場地地下水位較高，運營階段結構有出現上浮的可能性。因此，《給水排水工程鋼筋混凝土水池設計規程》（CESC 138：2002）[4]和《給水排水工程鋼筋混凝土沉井設計規程》（CESC 137：2015）[5]均對抗浮穩定性提出了相應要求，在不計側壁摩阻力的情況下，抗浮穩定系數不應小于1.05。本項目明挖式池體采用增大底板襟邊尺寸來滿足抗浮要求，沉井式池體通過增加池體內空腔尺寸回填素土以增大配重來滿足抗浮穩定性要求。

2.2.2 正常使用極限狀態驗算

明挖形式和沉井形式的地下池體在運營階段均應按正常使用極限狀態驗算，對軸心受拉和小偏心受拉部位進行抗裂度驗算；對受彎和大偏心受拉部位進行裂縫寬度驗算，最大裂縫寬度不超過0.2 mm。

2.2.3 承載能力極限狀態驗算

明挖形式和沉井形式的地下池體在運營階段均應按承載能力極限狀態驗算，選取最不利荷載組合進行計算。

2.2.4 施工過程驗算

明挖式池體結構本身無須進行驗算，但因尺寸較大，開挖基坑深度超過12 m，需進行基坑支護設計。本項目采用土釘墻防護[7]，邊坡開挖坡率為1∶1，噴射10 cm厚掛網混凝土。

沉井式池體在下沉過程中應進行下沉穩定性驗算，以避免出現突沉事故。同時進行豎向抗拉計算，以及控制裂縫寬度不超過0.3 mm。

3 工程造價對比

因兩種形式池體的受力模式和抗浮方式不同，使其材料用量有所差異。根據計算，明挖式池體所用C30混凝土795.4 m3，鋼筋159.1 t，同時考慮基坑支護相關費用，共計370萬元。沉井式池體所用C30混凝土1 189.6 m3，鋼筋263.5 t，共計270萬元。

4 施工工期對比

表1中列出了明挖式池體和沉井式池體的主要施工流程。

表1 施工流程

對比可見，沉井式池體工序較多，工期約為明挖式池體的2倍。

5 施工技術要求與施工質量對比

明挖式池體基坑開挖后直接模板澆筑即可，基坑采用土釘墻支護。此施工方案對施工技術要求不高，可以很好地保證池體標高和傾斜度。

沉井式池體依靠自重（有時需增加配重或采用減阻措施）克服側壁摩阻力[8]下沉至設計標高。本項目場地土層摩阻力較大，下沉速度較慢。下沉過程中，需時時觀測沉井位置和方向，準確分析偏斜原因，及時糾正偏差。地下水位較高，沉井式池體排水和封底施工均有一定難度。因此，沉井式池體施工對技術人員有較高的水平和經驗要求。借助之前的項目經驗，沉井施工時標高和傾斜度較難控制，一般會有10 cm左右誤差，有時甚至會達到20～30 cm誤差，同時會存在一定傾斜。

6 對周邊環境影響

明挖式池體基坑放坡開挖，需較大的開挖工作面，對周邊建筑、地下管網等均有不同程度的影響。同時，在開挖回填范圍內，新建地上建筑也會受到回填土壓實質量的影響。

沉井式池體不需要擴大開挖工作面，對周邊環境幾乎沒有影響。

7 結 語

本文從結構受力、工程造價、工程工期、施工技術和施工質量等方面對比分析了明挖式池體和沉井式池體兩種形式，綜合評價見表2。

表2 明挖式池體和沉井式池體兩種形式對比

在征求鐵路管理部門意見后，本項目最終采用沉井式池體方案。借助本項目的對比結果，可為今后下穿鐵路項目雨水泵站地下池體結構形式設計和施工方案提供參考。