俞 翔,陳振農(nóng),王偉棟,張國(guó)偉,相玉成,余建民

(1.杭州市城鄉(xiāng)建設(shè)設(shè)計(jì)院股份有限公司，浙江 杭州 310004;2.杭州市市政工程集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310014;3.杭州市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站，浙江 杭州 310004;4.杭州建工建材有限公司，浙江 杭州 311107)

目前,杭州市燃?xì)庑袠I(yè)使用的燃?xì)夤艿篱y門檢查井均為磚砌結(jié)構(gòu),磚砌井是我國(guó)長(zhǎng)期沿用的修建井室方式,盡管具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的優(yōu)點(diǎn),但“磚砌井”存在問題較多：由于它主要由黏土燒制的紅磚修建而成,容易出現(xiàn)縫隙間砂漿不密實(shí)現(xiàn)象。一般井體建成后的一兩年就易出現(xiàn)沉降、塌陷,造成路面不平,加之維修作業(yè)面大、施工周期長(zhǎng)、綜合維護(hù)成本高等缺點(diǎn),給車輛通行及市民出行帶來很大不便,也給市政管理維護(hù)部門造成很多困難。同時(shí)，普遍使用紅磚會(huì)造成大量取用消耗表土資源,浪費(fèi)燃煤,不符合建設(shè)“節(jié)約型、環(huán)保型”社會(huì)的要求。與傳統(tǒng)的磚砌閥門檢查井相比,預(yù)制整體式鋼筋混凝土閥門檢查井具有資源消耗低、整體穩(wěn)定性和抗?jié)B漏性能好、可減少施工環(huán)境影響等諸多優(yōu)點(diǎn),特別是與近年來我國(guó)推進(jìn)新型建筑工業(yè)化的指導(dǎo)思想相吻合。本文主要探討燃?xì)忾y門井在杭州市現(xiàn)行市政道路下新建或改造燃?xì)忾y門井的應(yīng)用。

1 傳統(tǒng)磚砌閥門井設(shè)計(jì)計(jì)算

磚砌閥門井主要由鋼筋混凝土基礎(chǔ)底板、磚砌側(cè)壁、預(yù)制混凝土蓋板、復(fù)合纖維(或鑄鐵)井蓋組成,見圖1。

圖1 磚砌閥門井結(jié)構(gòu)圖

鋼筋混凝土底板主要采用四邊簡(jiǎn)支雙向板進(jìn)行計(jì)算,地面荷載按20 kN/m2進(jìn)行取值,底板配筋主要按地基反力計(jì)算工況和水浮力計(jì)算工況兩個(gè)最不利工況下計(jì)算所得。

磚砌側(cè)壁按受彎構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算,須計(jì)算磚砌體受彎構(gòu)件的受彎承載力及受剪承載力,計(jì)算公式詳見《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50003—2011)》第5.4.1、5.4.2條。

受彎構(gòu)件承載力應(yīng)滿足下式要求：

M≤ftmW；

受彎構(gòu)件的受剪承載力應(yīng)按下列公式計(jì)算：

V≤fVbz。

磚砌側(cè)壁承載力主要控制條件為磚砌材料及砂漿強(qiáng)度等級(jí),主要通過砂漿與磚結(jié)構(gòu)的粘結(jié)力承受水土側(cè)向壓力。側(cè)壁配筋計(jì)算工況主要按側(cè)向水土壓力工況設(shè)計(jì),根據(jù)杭州當(dāng)?shù)氐闹饕刭|(zhì)情況進(jìn)行設(shè)計(jì),被動(dòng)土壓力系數(shù)按0.33取值,設(shè)計(jì)水位按地面以下-0.5 m取值。

預(yù)制混凝土蓋板也采用四邊簡(jiǎn)支雙向板進(jìn)行計(jì)算,地面活載按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(CJJ 11—2011)》中城-A級(jí)荷載取值,城-A級(jí)汽車荷載單輪最大輪壓100 kN,根據(jù)閥門井埋置深度不同,考慮土層對(duì)荷載的擴(kuò)散作用,轉(zhuǎn)化成作用在井蓋頂面的等效荷載,最后以該荷載計(jì)算預(yù)制混凝土蓋板配筋。

磚砌閥門井基礎(chǔ)地基承載力計(jì)算通常按80 kPa進(jìn)行設(shè)計(jì),基底設(shè)置100 mm素混凝土墊層或設(shè)置300 mm碎石墊層。

根據(jù)磚砌閥門井的計(jì)算原理,傳統(tǒng)磚砌閥門井側(cè)壁部分強(qiáng)度僅靠砂漿與磚砌體的粘結(jié)強(qiáng)度承載側(cè)向水土壓力,造成了井體埋深越深井壁厚度越厚的情況,在長(zhǎng)期地下水環(huán)境及車型荷載的持續(xù)作用下,井體本身存在較大安全隱患,防水效果也差,同時(shí)井體的占地面積增大,給道路施工同樣造成了麻煩；還為后期的運(yùn)行維護(hù)人員維修或搶修閥門造成了操作不便,甚至危及人身安全。

2 鋼筋混凝土預(yù)制閥門井優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算

鋼筋混凝土預(yù)制閥門井主要由預(yù)制鋼筋混凝土井室、預(yù)制鋼筋混凝土井蓋、預(yù)制鋼筋混凝土井筒調(diào)節(jié)塊、預(yù)制鋼筋混凝土井圈、防沉降鋼筋混凝土井座等組成。

預(yù)制鋼筋混凝土井室由側(cè)壁和底板兩部分做成,側(cè)壁按兩邊簡(jiǎn)支,一邊自由,一邊固接的雙向板進(jìn)行計(jì)算,底板按四邊簡(jiǎn)支的雙向板進(jìn)行計(jì)算。側(cè)壁配筋計(jì)算工況主要按側(cè)向水土壓力工況設(shè)計(jì),根據(jù)杭州當(dāng)?shù)氐闹饕刭|(zhì)情況進(jìn)行設(shè)計(jì),土體內(nèi)摩擦角取Ф=20°,設(shè)計(jì)水位按地面以下0.5 m取值,地面荷載按20 kN/m2進(jìn)行取值。底板配筋按基底凈反力工況、水浮力工況兩種工況計(jì)算。井室結(jié)構(gòu)見圖2、圖3。

圖2 井室平面

圖3 井室斷面

預(yù)制鋼筋混凝土井蓋按四邊簡(jiǎn)支雙向板進(jìn)行計(jì)算,井蓋頂面荷載由覆土荷載及地面活荷載兩部分組成,地面活載可按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(CJJ 11—2011)》中城-A級(jí)荷載取值,城-A級(jí)汽車荷載單輪最大輪壓100 kN；同時(shí)考慮不同狀況下的車輪布置情況,根據(jù)閥門井埋置深度不同,考慮土層對(duì)荷載的擴(kuò)散作用,從而轉(zhuǎn)化成作用在井蓋頂面的等效均布荷載,最后以該等效荷載計(jì)算預(yù)制混凝土蓋板配筋。閥門井蓋板結(jié)構(gòu)見圖4和圖5。

圖4 閥門井蓋板平面

圖5 閥門井蓋板斷面

預(yù)制鋼筋混凝土井筒主要按環(huán)形受力構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算,荷載取值同樣按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(CJJ 11—2011)》中城-A級(jí)荷載取值,城-A級(jí)汽車荷載單輪最大輪壓100 kN。作用在井筒周圍的水平荷載按豎向荷載的1/2折算。井筒在本次工程中的主要作用為調(diào)節(jié)閥門井埋深,實(shí)際用戶可根據(jù)閥門井埋深的不同,選擇不同種高度的井筒進(jìn)行調(diào)節(jié),既方便又快捷,本次工程中主要設(shè)計(jì)了高度100、150、350 mm三種不同規(guī)格的井筒。井筒調(diào)節(jié)塊見圖6、圖7，井圈見圖8、圖9。

圖6 井筒調(diào)節(jié)塊平面

圖7 井筒調(diào)節(jié)塊斷面

圖8 井圈平面圖

圖9 井圈斷面圖

防沉降鋼筋混凝土井座的設(shè)置主要結(jié)合了上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司于2016年9月設(shè)計(jì)的《杭州市城市道路檢查井蓋防沉降設(shè)計(jì)圖集》，當(dāng)燃?xì)忾y門井設(shè)置深度較深時(shí)，在未完成沉降的新建道路上新建燃?xì)忾y門井時(shí)，在已完成沉降的道路上新建或改造閥門井時(shí),在預(yù)制鋼筋混凝土井筒的上方設(shè)置防沉降井座。它的計(jì)算模型主要為四邊簡(jiǎn)支的雙向板,荷載取值同樣按照《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(CJJ 11—2011)》中城-A級(jí)荷載取值。它的作用機(jī)理為通過井座與市政道路基礎(chǔ)面的銜接,達(dá)到蓋板與道路共同沉降的目的,而并非為保證閥門井不發(fā)生沉降。同時(shí),通過井座與預(yù)制井筒交接部位柔性防水耐腐蝕材料的設(shè)置,為道路及閥門井、均勻及不均勻沉降起到一定的緩沖及協(xié)同作用。防沉降鋼筋混凝土井座的具體設(shè)計(jì)依據(jù)參數(shù)及使用范圍可參見《杭州市城市道路檢查井蓋防沉降設(shè)計(jì)圖集》。

3 預(yù)制閥門井地基處理方式設(shè)計(jì)計(jì)算

預(yù)制閥門井基礎(chǔ)地基承載力計(jì)算主要根據(jù)目前杭州地區(qū)較為典型的地質(zhì)情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。杭州地區(qū)較為普遍的地質(zhì)情況是以淤泥質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土層為主,淤泥質(zhì)黏土以城西區(qū)域更為突出,蕭山及大江東地區(qū)以砂質(zhì)粉土、砂質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土等土質(zhì)情況為主。

地基承載力的確定主要由幾部分的荷載組成：閥門井井本體(包括井壁、底板、井蓋、井圈),車行道車輛荷載?；椎鼗休d力計(jì)算依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50007—2011)》中第5.2.1條和第5.2.2條確定?；A(chǔ)底面的壓力,當(dāng)軸心荷載作用時(shí)：

式中：Pk為相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí),基礎(chǔ)底面處的平均壓力值(kPa);

fa為修正后的地基承載力特征值；

Fk為相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí),上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的豎向力值(kN);

Gk為基礎(chǔ)自重和基礎(chǔ)上的土重；

A為基礎(chǔ)底面面積。

考慮最大汽車荷載工況與最大覆土荷載工況不同時(shí)存在,預(yù)制閥門井基礎(chǔ)底面處的平均壓力值約為77 kPa。施工現(xiàn)場(chǎng)在基坑開挖至基底設(shè)計(jì)標(biāo)高后應(yīng)先對(duì)基底土層進(jìn)行地基承載力檢測(cè),檢測(cè)方式可采用淺層平板載荷等方式,檢測(cè)完成后根據(jù)不同的檢測(cè)結(jié)果分為以下三類地基處理方案：

1)地基承載力特征值fak≥100 kPa,可不進(jìn)行地基處理。

2)地基承載力特征值100 kPa>fak≥70 kPa,須在井體底標(biāo)高以下設(shè)置200 mm碎石墊層,后施工井體。

3)地基承載力特征值fak<70 kPa,須先進(jìn)行地基處理,處理方法視具體情況而定。建議可采用開挖換填、拋石、松木樁等便于施工且速度較快的地基處理方案。

4 土方回填設(shè)計(jì)計(jì)算

在預(yù)制整體式鋼筋混凝土燃?xì)忾y門井施工完成后,井室四周的回填土回填質(zhì)量是閥門井運(yùn)行期間與市政道路使用期間是否存在不均勻沉降的關(guān)鍵因素。故本次設(shè)計(jì)中對(duì)回填土的性質(zhì)及回填壓實(shí)系數(shù)作了一定的要求。

回填要求采用優(yōu)質(zhì)的粉質(zhì)黏土進(jìn)行分層壓實(shí)回填,分層厚度≤300 mm,且回填壓實(shí)時(shí)應(yīng)對(duì)稱均勻,壓實(shí)系數(shù)≥0.94。井座、井筒調(diào)節(jié)塊、井圈、成品檢查井蓋四周回填時(shí),要求采用與道路基層相同的回填材料進(jìn)行回填,壓實(shí)系數(shù)≥0.94。壓實(shí)過程中如遇場(chǎng)地受限等因素可采用人工夯實(shí)、振搗密實(shí)等方案。

5 預(yù)制閥門井在實(shí)際應(yīng)用中的效果分析

傳統(tǒng)磚砌井結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于砌筑簡(jiǎn)單,采購(gòu)方便,施工周期極短,該種井體被廣泛用于市政道路工程各類地下構(gòu)筑的原因也在于此。但傳統(tǒng)磚砌井也存在諸多的弊端,如側(cè)向抗水平力能力差,耐久性差,井體滲水等原因,在我國(guó)城市建設(shè)化進(jìn)程的加快,城市主干道、快車道的加速建設(shè),道路車輛的急劇增加的現(xiàn)狀下,城市道路下方的各類市政工程井體,發(fā)生了不同程度的破壞,給城市道路的美觀及各類市政單位的維護(hù)、搶修造成了極大的破壞。

傳統(tǒng)的鋼筋混凝土井結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于井體承載能力強(qiáng),耐久性好,防水防滲性能卓越,但施工周期長(zhǎng),少量的商品混凝土采購(gòu)較為麻煩。同時(shí)在已有市政道路上,開挖作業(yè)閥門井會(huì)造成城市道路短暫的交通堵塞,對(duì)城市車輛運(yùn)行造成了極大的困難,這也是鋼筋混凝土井在市政道路中未能全面推行的主要原因。

本次研制的預(yù)制閥門井有效地結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn),不僅滿足了閥門井在城市日益趨增的道路荷載的現(xiàn)狀下安全、穩(wěn)定、持久運(yùn)行的需求,而且也為在新建及改造城市道路下施工閥門井提供了更快捷、更有效、更規(guī)范的施工方法,為燃?xì)鈾z修運(yùn)行單位提供了更安全方便的檢修空間,同時(shí)，也為建設(shè)美麗杭州起到了不可磨滅的作用。

6 結(jié) 語(yǔ)

本次研制的燃?xì)忸A(yù)制閥門井在杭州下沙14號(hào)路(23號(hào)大街至25號(hào)大街以西)中壓燃?xì)夤艿拦こ痰玫搅藢?shí)際應(yīng)用,體現(xiàn)了整體式閥門井足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，足夠的抗?jié)B防漏能力和良好的施工便利性,經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)表明,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足技術(shù)要求。燃?xì)忸A(yù)制閥門井的研制成果,不僅為燃?xì)庑袠I(yè)提供了更規(guī)范、更安全、更快捷的閥門井施工方案,同時(shí)，也為杭州市政各類企業(yè)對(duì)城市道路下各類井體的優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工起到了積極的作用。