大尺寸熱力管溝設(shè)計與施工技術(shù)初探

胡彥迪

（太原市熱力設(shè)計有限公司，山西太原 030000）

0 引言

為配合汾河三期治理，太原熱力南部長輸供熱項目迎賓橋段直埋DN1400mm 供/回管道（共402m）需原管位下放約7m，同時建造鋼筋混凝土管溝、檢查井。考慮到管溝上部覆土較深，采用了SMW 工法樁結(jié)合鋼管支撐進行基坑支護。現(xiàn)澆混凝土管溝達到設(shè)計強度后，回填恢復原河道。現(xiàn)場按變形縫分倉澆筑，每段之間采用橡膠止水帶防水處理，管溝正中間設(shè)置現(xiàn)澆固定墻，同時預(yù)留一定尺寸通道。

管溝內(nèi)部凈尺寸為5.4m×3m，管溝施工如圖1 所示。規(guī)劃汾河東、西岸堤二級平臺高程772.8m，西側(cè)管溝頂板高程763m，東側(cè)管溝頂板高程（763+1.54744）m。考慮最不利荷載，本文以西側(cè)暗涵為研究對象。避免結(jié)構(gòu)形成塑性鉸以致出現(xiàn)過寬裂縫，對工程壽命具有重大意義，因此從基礎(chǔ)墊層處理到混凝土原材料控制，模板制作，混凝土澆筑、振搗、養(yǎng)護，防水卷材施工，每一道環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量應(yīng)得到保證。

圖1 管溝施工

1 管溝荷載工況分類

管溝主體結(jié)構(gòu)上有永久荷載、可變荷載與偶然沖擊荷載；永久荷載含土壓力、結(jié)構(gòu)主體、管道（靜水壓力）及附件自重、混凝土收縮及徐變作用、預(yù)應(yīng)力和地基沉降影響、地表河流或地下水浮力等；可變荷載包括消防車荷載、凍脹力和施工過程荷載等；偶然荷載包括偶然沖擊力及地震荷載等。

研究了熱力管溝在上述各類荷載作用下的受力形態(tài)，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]對活荷載組合系數(shù)、荷載分項系數(shù)和準永久值系數(shù)進行取值。

2 荷載標準值取值

2.1 永久荷載計算

（1）混凝土管溝自重如式（1）所示。

式中：Gg——單元段混凝土管溝自重，kN；γ1——單元段管溝重度，kN/m3；V1——單元段管溝體積，m3。

（2）土壓力如式（2）所示。

式中：GT——單位土體自重壓力，kN/m2；γ2——單位土體有效重度，kN/m3；tc——土荷載系數(shù)，取值1.1；h——覆土厚度，m。

2.2 可變荷載計算

包含消防車荷載、導向支撐引起的底板集中荷載（注水試運行、采暖季期間）。

3 荷載設(shè)計值

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]3.2.3 條：由永久荷載控制的設(shè)計值，如式（3）和式（4）所示。

永久荷載分項系數(shù)按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]第3.2.4 條取值：當永久荷載作用對受力結(jié)構(gòu)不利時，對由可變荷載作用控制的組合取值1.2，對由永久荷載作用控制的組合取值1.35。

可變荷載作用分項系數(shù)的取值應(yīng)符合以下要求：對標準值大于4kN/m2的工業(yè)建筑樓面的可變荷載作用，應(yīng)取1.3；其余情形，應(yīng)取值1.4。

4 結(jié)構(gòu)配筋驗算

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（2015 年版）》[2]計算：

（1）單向板的彎曲受壓區(qū)高度x：

（3）依據(jù)ξ 與ξb對比：若ξ≤ξb，則滿足要求。

ASmin=ρminbh＞ASbh＞A，按截面最小配筋率選取鋼筋面積，反之取AS。

5 管溝結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

5.1 管溝尺寸

圖2 為管溝斷面。凈寬B=5400mm，凈高H=3000mm，頂板厚TD=450mm，底板厚TB=500mm，側(cè)墻厚TC=500mm。取管溝單位長度b=1000mm 作為計算單元，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（2015 年版）》[2]9.1.1 條，管溝頂板應(yīng)按單向板計算。

圖2 管溝斷面（單位：mm）

5.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)取值

鋼筋混凝土材料：重度γ1=25kN/m3。

混凝土強度等級：C30，fc=14.3N/mm2，ft=1.43N/mm2。

鋼筋強度等級：HRB400，fy=360N/mm2。

壓實黏土：重度γ2=20kN/m3，土壓力荷載系數(shù)tc=1.1，土體內(nèi)摩擦角φ=30°，考慮地下水位，按浮重度γ'2=γ2-γw=20-10=10kN/m3。

5.3 結(jié)構(gòu)荷載計算

5.3.1 結(jié)構(gòu)標準值取值

（1）混凝土管溝自重。①管溝頂板自重GDB=0.45×6.4×1.0×25=72kN，等 效 均 布 荷 載72/（6.4×1.0）=11.25kN/m2。②混凝土側(cè)墻自重GCQ=0.5×1.0×3×25=37.5kN，等效均布荷載37.5/（6.4×1.0）=5.86kN/m2。采用DN1400mm 預(yù) 制 保 溫 管[3]，標 準 自 重：553.96kg/m（5.54kN/m），采暖季管中含水量：GS=πγ2ρS=15.1kN/m。GS+g=5.54+15.1=20.64kN/m，對底板施加布荷載為3.82kN/m2。

（2）土壓力GT=γ'2tch。現(xiàn)澆混凝土頂板上部土壓力GDT=10×1.1×（772.8-763）=107.8kN/m2。

（3）消防車荷載取值：標準值35kN/m2，當考慮覆土對板頂消防車活荷載的影響，折減系數(shù)取0.5。

5.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計值取值

（1）側(cè)墻部分。①管溝側(cè)墻頂部及頂板豎向均布荷載設(shè)計值。由永久荷載控制的組合效應(yīng)設(shè)計值。Q11CZ=1.35×107.8+0.98×0.5×35=162.68kN/m2。由可變荷載控制的組合效應(yīng)設(shè)計值。Q12CZ=1.2×107.8+1.4×0.5×35=153.86kN/m2。取永久荷載控制組合效應(yīng)：Q1CZ=max（Q11CZ，Q12CZ）=162.68kN/m2。②管溝側(cè)墻底部豎向均布荷載設(shè)計值。側(cè)墻底土壓力：Qcd=10×1.1×（9.8+3.95）=151.25kN/m2。管溝側(cè)墻下端垂直均布荷載設(shè)計值Q。由永久荷載控制的組合效應(yīng)設(shè)計值：Q21CZ=1.35×151.25+0.98×0.5×35=221.34kN/m2。由可變荷載控制的組合效應(yīng)設(shè)計值：Q22CZ=1.2×151.25+1.4×0.5×35=206kN/m2。取永久荷載控制組合效應(yīng)：Q2CZ=max（Q21CZ，Q22CZ）=221.34kN/m2。③管溝側(cè)墻上端水平均布荷載設(shè)計值。計算側(cè)向壓力系數(shù)1/3×162.68=54.23kN/m2。管溝側(cè)墻底部水平向均布荷載設(shè)計值。Q2SP=KQ2CZ=1/3×221.34=73.78kN/m2。

（2）底板部分。

管溝底板垂直均布荷載設(shè)計值。

由永久荷載控制的效應(yīng)設(shè)計值：Q31DB=1.35×（107.8 +11.25 +5.86 ×2 +12.5 +3.82）+0.98 ×0.5 ×35 =215.72kN/m2。

由可變荷載控制的效應(yīng)設(shè)計值：Q32DB=1.2×（107.8+11.25+5.86×2+12.5+3.82）+1.4×0.5×35=200.05kN/m2。

取永久荷載控制效應(yīng)Q3DB=215.72kN/m2。

管溝截面受力分布如圖3 所示。

5.4 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算

管溝斷面彎矩如圖4 所示。該管溝對裂縫控制要求嚴格，不得考慮塑性內(nèi)力重分布的設(shè)計原理[2]。現(xiàn)澆鋼筋混凝土綜合管溝的截面內(nèi)力計算模型，可選用閉合框架模型考慮。反作用于結(jié)構(gòu)底板的基底作用效應(yīng)分布情況應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場地基條件確定，并滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（2015 年版）》[2]要求：原地基較堅硬或已加固處理后的地基，基底反力可視作直線分布[4-5]。

圖4 管溝斷面彎矩（單位：kN·m）

取管溝頂板部分作為研究對象。

（1）管溝頂板跨中下層配筋。管溝環(huán)境類別按三類[4]，板的混凝土保護層最小厚度為30cm，設(shè)αS=滿足要求。γS=0.5×（1+

（2）管溝頂板下層固端配筋。MDXD=206.3kN·m，X=36.12mm＜ξbho，AS=1425mm2，AS＞ASmin按AS配筋，實配鋼筋面積：A'S=1901mm2。

6 SMW 工法樁

6.1 工法樁簡介

SMW 工法樁，全稱型鋼水泥土攪拌樁法，通過三軸攪拌樁鉆機機械在地層中向下切削現(xiàn)狀土體，與此同時鉆機鉆頭前部持續(xù)加壓注入水泥漿液，與被切削土體充分攪拌混合，凝固后形成整片水泥土柱列狀擋墻，在水泥漿液徹底硬化前，縱向放入型鋼的一類地下工程施工技術(shù)。

SMW 工法技術(shù)源于基坑工程，并逐漸運用于地基加固、地下壩加固等專業(yè)領(lǐng)域。SMW 工法具有經(jīng)濟效益好、施工工期短、隔水性能強、對生態(tài)環(huán)境影響較小、整體性強等優(yōu)點。在全面建設(shè)可持續(xù)友好型、高效節(jié)約型社會的今天，SMW 工法樁應(yīng)得到大力推廣。

6.2 攪拌樁主要施工工序

攪拌樁施工完成且樁機移位形成工作面后、水泥土攪拌樁固化之前，將型鋼插入攪拌樁內(nèi)。若型鋼插入樁內(nèi)阻力較大，可利用振動擺錘輔助沉樁。

SMW 工法樁施工完成之后，破樁頭浮漿至設(shè)計標高施工面→施工墊層→冠梁內(nèi)型鋼包裹塑料薄膜→綁扎冠梁鋼筋→布設(shè)冠梁側(cè)模→澆筑冠梁混凝土。

7 結(jié)語

綜上可知，在該管溝主體設(shè)計過程中，充分考慮永久荷載、可變荷載、堆載等多種不利變量的影響下，結(jié)構(gòu)的極限承載力遠大于設(shè)計內(nèi)力值，因此結(jié)構(gòu)具有足夠的安全余量。施工過程中，應(yīng)嚴格控制型鋼混凝土支擋結(jié)構(gòu)的水泥流量、注漿壓力，確保樁身強度滿足要求。管道支架的安裝應(yīng)合理施工，避免不均勻受力及變形。地震作用對管溝內(nèi)力的影響，以及管溝的防水性能應(yīng)得到持續(xù)關(guān)注，并制定緊急預(yù)案。