雙倉綜合管廊結構設計優化研究

李肖華，孫建波，賀鳳春，王立勇，柳明祥，陳 靜

（1.中信建設有限責任公司，北京；2.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢）

前言

地下綜合管廊對提高城市地下空間的有效利用率、提升市容市貌和美化環境有著至關重要的作用，同時能夠有效避免道路重復開挖和市政管線隔空敷設的缺點，也為城市管線未來的檢修提供了便利[1-2]。近年來，隨著我國地下空間開發與應用的飛速發展，地下綜合管廊建設也在如火如荼地進行中[3]。然而，建設中也出現了諸多的問題，例如設計規范與實際施工技術存在不匹配的問題，難以有效指導施工[4]，各部門之間協調溝通困難，而地下綜合管廊的投資模式、建成以后運營維修等諸多問題也需深入研究[5]。

本文以某地下綜合管廊為例，構建了標準段主體結構的有限元模型，對整體結構進行了各種荷載組合作用下的受力性能分析，以便于更好地指導地下綜合管廊后續施工，同時也對地下綜合管廊設計規范的完善起到了一定借鑒作用[6]。

1 概述

1.1 項目背景

內江市位于天府之國東南部，是川內第二大交通樞紐，是川東南乃至西南各省交通的重要交匯點。國道321 線現為四車道一級過境公路，缺失市政管網、人行及景觀設施，不具備城市道路功能。路線基本沿現狀溝谷地帶布置，總體線位標高較低，與兩側山體間高差較大，最大約45 m，造成南北片區隔離，周邊土地場平棄方多，局部地區兩側地塊與道路間成“V”形倒坡等不利情況。G321 管廊本次實施范圍為站二路北至成渝高鐵東側，與G321 西林大道至花園灘大橋段管廊相接，為雙艙管廊，全長2.733 km；綜合管廊布置于道路西（南）側綠化帶內。

1.2 設計原則

根據“經濟適用、適當預留”的原則和管線規模，確定G321 綜合管廊標準斷面：10 kV 電纜、通信線纜、給水及中水位于電力綜合艙，艙內為10 kV 電力電纜預留5 排支架，為通信線纜預留4 排支架，給水及中水布置于支墩上；電纜綜合艙凈結構尺寸為3.6 m×3.2 m；110 kV 電纜電纜布置于高壓艙，艙室凈結構尺寸為1.7 m×3.2 m。結構設計使用年限100 年。裂縫寬度不得超過0.2 mm。抗浮水位為設計地面±0.000，整體抗浮安全系數取為1.05。管位橫斷面如圖1 所示。

圖1 G321 管位橫斷面

2 有限元模型建立

2.1 土層參數

地下綜合管廊所經處的土體相關參數見表1。

表1 土層參數

2.2 結構計算參數

（1）填土與結構材料特性。混凝土采用C40 防水混凝土。鋼筋采用普通鋼筋HRB400，迎土面縱筋保護層厚度為50 mm，其余保護層厚度30 mm。壓實回填土天然容重取為19.00 kN/m3，壓實回填土飽和容重取為20.00 kN/m3，填土的內摩擦角取φ=30°，側壓系數λ=tan2（45°-φ/2）=0.333，水容重取10 kN/m3。

（2）結構形式。以內江G321 國道綜合管廊標準段節點為例，結構為兩層雙倉管廊，底板厚度為0.4 m，側壁板厚0.4 m，中板厚0.25 m，頂板厚0.4 m。

2.3 模型建立

采用MidasGen 對綜合管廊標準段進行建模，考慮到土體只受壓的特性，對管廊底板施加面彈性支撐，豎向基床系數K=20 000 kN/m3，水平基床系數取6 500 kN/m3，有限元模型及邊界條件如圖2 所示。

圖2 模型及邊界條件

荷載施加:

結構自重取γ=26 kN/m3，結構重要性系數取1.1；底板鋪裝層按厚0.1 m 計入，則重度為26k N/m3。頂板以上覆土深度為5 m～8 m，按8 m覆土壓實填土重力的豎向土壓力和側向土壓力，即最不利情況計算。綠化帶按1.3 m 覆土厚度計入地面堆載作用，按24 kN/m2加載。根據水位線位置計入水壓力及浮力，采用水土分離模式計算豎向水壓力底板水浮力和側向水壓力，地下水則按靜水壓力加載。將車輛等效為填土層厚度，施加于相應的構件上。人群荷載按2.5 kN/m2計入。

管道內設置有給水管DN300 和DN600，管道水重取滿水自重；DN300 支墩尺寸為：0.3 m×0.5 m×0.65 m，DN600 支墩尺寸為：0.6 m×0.8 m×0.8 m，均按4.0 m 間距布置，根據構件實際位置和自重計算。

3 板內力驗算及配筋

標準斷面結構的主要構件包括底板、頂板、外壁板及中壁板，按荷載最不利情況計算，分別對各構件進行應力分析，包括驗算各構件的抗彎、抗剪和抗裂能力并進行配筋等。

3.1 底板內力及配筋

根據基本組合下X、Y 方向的彎矩和軸力對各構件配筋，底板X、Y 方向都屬于大偏拉受壓，板厚40 cm，因此提取管廊底板內力相應數據后計算配筋，具體見表2。

表2 管廊底板內力及配筋

底板的內力在X 和Y 方向上都呈對稱分布，最大彎矩在板底Y 方向，為301.04 kN·m，最大剪力在板頂Y 方向，為462.414 kN·m，最大值都出現在中部偏下位置。

3.2 頂板內力及配筋

頂板X、Y 方向都屬于大偏拉受壓，板厚40 cm，提取最大拉壓應力和彎矩并計算配筋，結果具體見表3。

表3 管廊頂板內力及配筋

頂板的內力變化與底板相似，在X 和Y 方向上也都呈對稱分布，最大彎矩在板頂Y 方向，為290.252 kN·m，最大剪力在板底Y 方向，為396.32 kN·m，都出現在中部偏下位置。

3.3 結構板抗剪驗算

管廊各結構板的剪力計算結果云圖如圖3 所示。

圖3 管廊剪力計算結果

標準段管廊最大剪力出現在頂板中部，為474.8 kN，根據規范要求，對于不配置箍筋和彎起鋼筋的一般板類受彎構件，其斜截面受剪承載力應符合即管廊結構斜截面抗剪承載力滿足規范要求。因此，管廊結構斜截面抗剪承載力滿足規范要求。

3.4 結構板裂縫寬度檢驗

根據Midas 運算結果，各構件裂縫寬度見表4。可以看出，結構最大裂縫出現在底板，為0.197 mm，同時底板也是彎矩和剪力最大的位置，而中板裂縫最小，彎矩和剪力也最小。

表4 各構件裂縫寬度

3.5 結構抗浮驗算

土壓力結果如圖4 所示。抗浮設計水位為地下水位位于地面±0.000m 處，根據抗浮驗算可以看出，抗浮基底壓力大于基底水壓力的1.05 倍，所以，管廊抗浮滿足規范要求。

圖4 抗浮工況下基地土壓力

3.6 結構基底應力驗算

對結構進行極限承載能力下的地基土壓力進行驗算，土壓力結果如圖5 所示，由圖5 可知，最大基底壓應力σmax=199.8 kPa，故管廊標準段地基承載力需滿足大于等于199.8 kPa。

圖5 極限承載工況下基地土壓力

綜合以上計算結果，3 m～8 m 覆土標準段管廊結構各板件即整體強度、剛度及穩定性均滿足規范要求。

4 結論

地下綜合管廊往往存在結構受力和變形、混凝土裂縫等多種風險，本文采用有限元軟件對地下綜合管廊標準段主體結構相關構件及整體結構，在多種荷載組合作用下進行了受力性能分析，得到了以下結論：

（1）綜合管廊標準段3 m～8 m 覆土下結構混凝土拉、壓應力均小于強度標準值，鋼筋最大應力均小于設計值，最大變形值均小于規范限定值，各板件抗彎、抗剪和抗裂能力滿足要求，結構整體強度、剛度及穩定性均符合規范要求。

（2）管廊標準段抗浮基底壓力大于1.05 倍水壓力；地基承載力需滿足大于等于199.8 kPa 的要求。