黃劍

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司 200092）

引言

綜合管廊具有保障市政管線安全、提高地下空間利用率、美化城市環(huán)境、避免路面重復(fù)開挖等優(yōu)點，是新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的需要。2013年我國開始明確提出綜合管廊的建設(shè)要求，隨后多部門、省市各級政府相繼發(fā)布相關(guān)政策。2015年開始我國興起綜合管廊工程的建設(shè)熱潮，截止2016年底我國累計開工建設(shè)2005km綜合管廊，2017年將繼續(xù)開工建設(shè)綜合管廊2000km以上，到2020年我國綜合管廊建設(shè)規(guī)模將超過8000km。

綜合管廊工程技術(shù)在建設(shè)過程中不斷發(fā)展?！秶鴦?wù)院辦公廳關(guān)于推進城市地下綜合管廊建設(shè)的指導(dǎo)意見》（國辦發(fā)〔2015〕61號）中指出：“推進地下綜合管廊主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化，積極推廣應(yīng)用預(yù)制拼裝技術(shù)，提高工程質(zhì)量和安全水平，同時有效帶動工業(yè)構(gòu)件生產(chǎn)、施工設(shè)備制造等相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展”。預(yù)制拼裝作為新型、綠色、環(huán)保的施工技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域。預(yù)制裝配的施工工藝在建筑工程中已經(jīng)較為普遍，研究成果較為豐富、施工工藝趨于成熟。到2025年，我國裝配式建筑占新建建筑的比例將達到30%。由于綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)化程度高的工程特點，預(yù)制裝配技術(shù)已成為綜合管廊工程建設(shè)的新趨勢和研究熱點。相比于建筑工程，我國在綜合管廊預(yù)制拼裝技術(shù)方面的研究才剛剛起步，多數(shù)工程項目也是在建設(shè)過程中同時著手研究關(guān)鍵技術(shù)。

本文首先概述了國內(nèi)外預(yù)制拼裝綜合管廊建設(shè)現(xiàn)狀，介紹了預(yù)制拼裝綜合管廊的分類和特點。然后從預(yù)制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)的受力性能、防水性能和施工工藝等方面總結(jié)了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并介紹了典型工程案例。最后對我國預(yù)制拼裝綜合管廊的發(fā)展趨勢作了展望。

1 預(yù)制拼裝綜合管廊的分類和特點

1.1 混凝土預(yù)制拼裝綜合管廊

混凝土預(yù)制拼裝綜合管廊按照構(gòu)件的預(yù)制程度可以分為全預(yù)制和半預(yù)制。

1.全預(yù)制混凝土綜合管廊

全預(yù)制混凝土綜合管廊指的是全部構(gòu)件在工廠加工預(yù)制完成、運輸?shù)浆F(xiàn)場就位安裝，構(gòu)件安裝過程中無需采用混凝土澆筑。其特點為：整體性好，構(gòu)件質(zhì)量高，施工現(xiàn)場環(huán)境好。全預(yù)制混凝土綜合管廊按照截面拼縫形式又可分為整節(jié)段預(yù)制拼裝綜合管廊和分塊預(yù)制拼裝綜合管廊。

整節(jié)段預(yù)制拼裝綜合管廊是將綜合管廊結(jié)構(gòu)在縱向上進行分段，每一段一次預(yù)制成型，在施工現(xiàn)場通過承插口或者預(yù)應(yīng)力筋的形式在縱向連接，如圖1所示。該預(yù)制拼裝方式是我國管廊項目中最常用的一種形式。管段的運輸和安裝受到起重設(shè)備起吊能力的限制，通常將管廊在縱向分割成2m～3m的預(yù)制管段。對于預(yù)制拼裝施工，構(gòu)件的制造、吊裝、運輸、安裝都要求預(yù)制構(gòu)件能盡可能輕量化［1］。預(yù)制構(gòu)件的劃分不僅要考慮合理的受力狀態(tài)，更要考慮構(gòu)件制造和安裝的可行性。

圖1 整節(jié)段預(yù)制拼裝綜合管廊Fig.1 Segmental precast assembled utility tunnel

分塊節(jié)段預(yù)制拼裝綜合管廊是將綜合管廊結(jié)構(gòu)按部位、受力等特點進行分塊并預(yù)制，形成預(yù)制塊，然后將預(yù)制塊拼裝，在縱向上形成管段，再將管段沿縱向拼裝形成整體，如圖2所示。分塊節(jié)段預(yù)制拼裝綜合管廊拼縫較多，除了有管段之間的橫向拼縫以外，還有沿管廊長度方向、由構(gòu)件組成管段時產(chǎn)生的縱向拼縫。

圖2 分塊節(jié)段預(yù)制拼裝綜合管廊Fig.2 Piecewise-combination precast assembled utility tunnel

以上兩種預(yù)制拼裝形式通常在單艙和雙艙綜合管廊工程中應(yīng)用較多。為滿足多艙室的需要，目前有一種新興的做法為“集裝箱式”的單艙預(yù)制多艙組合式的預(yù)制拼裝綜合管廊，其做法靈感來源于堆放的集裝箱。各艙室相互獨立，組合形式靈活，在縱向和橫向施加預(yù)應(yīng)力，可形成單層多艙或多層多艙的綜合管廊斷面，如圖3所示。

圖3 多艙組合預(yù)制拼裝綜合管廊Fig.3 Multi-compartment-combined precast assembled utility tunnel

2.半預(yù)制混凝土綜合管廊

半預(yù)制混凝土綜合管廊指的是結(jié)構(gòu)構(gòu)件部分通過工廠預(yù)制，運輸至現(xiàn)場，安裝就位后澆筑混凝土，形成廊體。

疊合裝配式為目前國內(nèi)廣泛應(yīng)用的一種半預(yù)制綜合管廊建造方式。借鑒建筑工程中疊合裝配式高層建筑的建造方式，將工廠預(yù)制的混凝土疊合板件運輸至現(xiàn)場，待拼裝就位后，以疊合板件為模板綁扎鋼筋澆筑混凝土形成結(jié)構(gòu)整體，如圖4所示。

另一種半預(yù)制拼裝綜合管廊為底板采用現(xiàn)澆或預(yù)制方式，壁板和頂板采用預(yù)制方式，在壁板與底板、壁板與頂板的連接處通過預(yù)埋鋼筋構(gòu)件及現(xiàn)澆帶形成剛性整體，如圖5所示。

圖4 疊合裝配式綜合管廊Fig.4 Composite-slab precast assembled utility tunnel

圖5 節(jié)點現(xiàn)澆裝配式綜合管廊Fig.5 Node-cast-in-place precast assembled utility tunnel

半預(yù)制方式兼有現(xiàn)澆式和裝配式混凝土綜合管廊的優(yōu)點：相比于現(xiàn)澆綜合管廊工程，在施工過程中大大減少模板工程量，機械化定位安裝提升工程品質(zhì)，改善現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，減少施工作業(yè)量，減少工期；相比于全預(yù)制裝配式綜合管廊，由于其現(xiàn)場澆筑混凝土實現(xiàn)各部分構(gòu)件之間連接并形成整體，避免橫向和縱向拼縫的存在，結(jié)構(gòu)整體性能好，防水性能也較優(yōu)。

1.2 鋼制綜合管廊

鋼制波紋管綜合管廊是一種新型預(yù)制裝配綜合管廊形式（圖6）。鋼制波紋管具有良好的受力和變形性能：管段的軸向和徑向可同時承擔(dān)外部荷載，有效傳遞應(yīng)力，發(fā)揮鋼材強度優(yōu)勢；管段適應(yīng)土層位移，可避免地基不均勻沉降的影響。相比于現(xiàn)澆混凝土綜合管廊，鋼制波紋管綜合管廊結(jié)構(gòu)受力均勻，施工速度快，能降低鋼鐵行業(yè)過剩產(chǎn)能，減少了碎石、砂礫等原材料的開采，符合我國節(jié)能減排的社會理念，具有廣闊的應(yīng)用前景。但鋼制波紋管綜合管廊也存在一些局限性：

（1）無成熟的結(jié)構(gòu)理論計算體系，暫無適用的結(jié)構(gòu)計算方案。

（2）結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計和施工是難點，斷面以圓形、管拱形、橢圓形、馬蹄形為主，導(dǎo)致管廊分支口、投料口、通風(fēng)口、出入口等設(shè)計與加工復(fù)雜。

（3）滲漏問題，管段通常采用板片搭接、螺栓連接緊固，在板片搭接處、螺栓孔連接處不能避免有空隙的存在，難以保證防水效果。

（4）材料耐久性問題，綜合管廊長期受地下水侵蝕，根據(jù)規(guī)范要求，城市地下綜合管廊的設(shè)計使用年限為100年，而截止目前我國使用鍍鋅波紋鋼結(jié)構(gòu)才不足20年，雖然通過各種耐久性試驗得出的600g／m2的鍍鋅鋼板可以達到75年以上的使用壽命，但仍需調(diào)整工藝增強鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)的防腐能力。

（5）結(jié)構(gòu)斷面問題，由于受力特點，鋼制波紋管綜合管廊不能像混凝土那樣做成矩形斷面，因此空間利用率不高，且以單艙、雙艙為主，隨著多種管線的納入并考慮適度超前，鋼制波紋管無法適應(yīng)三艙及以上斷面。

（6）抗浮問題，由于鋼制波紋管綜合管廊自重僅為混凝土綜合管廊的1／5，在地下水位較高的地區(qū)，抗浮問題值得關(guān)注。

圖6 鋼制波紋管綜合管廊Fig.6 Steel corrugated pipe assembled utility tunnel

1.3 新材料綜合管廊

除了混凝土和鋼材兩種常見的工程建設(shè)材料，目前已有一些研究機構(gòu)和企業(yè)致力于綜合管廊結(jié)構(gòu)新材料的研發(fā)。

1.竹制綜合管廊

我國是竹產(chǎn)量大國，約占世界產(chǎn)量的1／3。國內(nèi)首創(chuàng)，以竹材為基體材料，以熱固性樹脂為粘結(jié)劑，采用纏繞工藝制作綜合管廊本體結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施。竹制綜合管廊具有以下優(yōu)勢：材料可再生，材料加工過程和管廊建造過程低碳環(huán)保，綜合成本低；輕質(zhì)高強，綜合性能好；防火耐水，使用年限長；力學(xué)性能好，穩(wěn)定性高；抗地震、抗地質(zhì)沉降性能優(yōu)異；生產(chǎn)效率高，施工安裝方便；供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，帶動相關(guān)竹材行業(yè)發(fā)展。圖7為竹制綜合管廊模型。

2.高分子材料綜合管廊

以高分子材料作為結(jié)構(gòu)主體（圖8），利用其良好的力學(xué)性能和耐久性能，有能力使綜合管廊達到100年的使用壽命。

圖7 竹制綜合管廊Fig.7 Bamboo utility tunnel

圖8 高分子材料綜合管廊Fig.8 Polymermaterial utility tunnel

以上各種形式預(yù)制拼裝綜合管廊的特點總結(jié)于表1。各種預(yù)制拼裝綜合管廊各具特點：整節(jié)段預(yù)制綜合管廊設(shè)計技術(shù)和建造工藝較為成熟，在國家標(biāo)準(zhǔn)［2］中有具體規(guī)定。但由于運輸、吊裝條件限制，目前適用于截面較小的單雙艙斷面；疊合裝配式綜合管廊目前應(yīng)用較為廣泛，并且對于多艙、多層斷面形式具有明顯優(yōu)勢；多艙組合式綜合管廊的結(jié)構(gòu)拼裝形式較為靈活，也可適用于各艙截面較小的多艙和多層斷面；分塊節(jié)段預(yù)制和節(jié)點現(xiàn)澆裝配式綜合管廊將標(biāo)準(zhǔn)斷面拆分為多個構(gòu)件，適用于中、小斷面綜合管廊，但對于多艙、多層斷面現(xiàn)場拼裝或澆筑的工作量增大，快速化施工優(yōu)勢明顯降低；鋼制波紋管綜合管廊由于其受力特點，較為適用于中、小型單艙圓形斷面；新材料綜合管廊在某些較小的單艙圓形斷面中較為適用。

表1 各種預(yù)制拼裝綜合管廊特點對比Tab.1 Comparison of precast assembled utility tunnels

2 結(jié)構(gòu)受力性能

2.1 靜力性能

由于運輸條件和施工工藝的限制，預(yù)制拼裝綜合管廊一般存在著大量的拼縫和接頭。在工作階段，預(yù)制拼裝綜合管廊發(fā)生變形，并會在接頭處產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，如果變形過大，則可能導(dǎo)致接頭處開裂，從而影響整個結(jié)構(gòu)的使用性能和受力性能。薛偉辰等［3，4］通過足尺模型單調(diào)靜力試驗分別研究采用彎曲螺栓方式連接和預(yù)應(yīng)力筋方式連接的預(yù)制綜合管廊接頭和結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)性能，對綜合管廊接頭的破壞形態(tài)與破壞機制、特征荷載、拼縫面變形形態(tài)、抗彎剛度和抗彎承載力等力學(xué)性能指標(biāo)進行了較為系統(tǒng)的研究，并提出了預(yù)制預(yù)應(yīng)力綜合管廊的抗彎模型。

接頭剛度kθ是預(yù)制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)計算中的關(guān)鍵參數(shù)，取值一般根據(jù)接頭受力試驗、有限元分析或建立力學(xué)模型，根據(jù)概念、通過公式推導(dǎo)而得到，尚無公式或圖表可循。K.Mori等［5］對矩形隧道的接頭進行了性能試驗，測試了接頭的強度，確保其達到強度要求。目前已有的研究主要考慮了如下幾種模型的計算公式：不考慮混凝土受力的橫向接頭剛度計算公式［6］、考慮混凝土壓應(yīng)力線性分布的橫向接頭剛度計算公式［7］以及考慮混凝土壓應(yīng)力按拋物線分布的橫向接頭剛度計算公式［8］。

2.2 抗震性能

相比于地上建筑，地下結(jié)構(gòu)數(shù)量和規(guī)模較小，所報道的震害事例較少、程度較輕。一般認(rèn)為，土層的約束有利于地下結(jié)構(gòu)抗震。所以，地下結(jié)構(gòu)的抗震研究常常被人們所忽視［9］。我國地震活動較為頻繁，隨著現(xiàn)代城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進，地下空間開發(fā)和建設(shè)規(guī)模不斷加大，地下結(jié)構(gòu)的抗震性能成為近年來國內(nèi)外學(xué)者和工程界廣泛關(guān)注的熱點問題［10］。

1.震害機理

地下結(jié)構(gòu)的震害主要由地震慣性力和土體大變形失穩(wěn)造成［11］。淺埋的地下結(jié)構(gòu)受地震慣性力影響較大，當(dāng)結(jié)構(gòu)自振頻率與地震頻率接近時，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生共振，破壞機理與建筑結(jié)構(gòu)相似。此外，地下結(jié)構(gòu)受土體約束，當(dāng)?shù)卣甬a(chǎn)生過大的土體位移時，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大的變形而產(chǎn)生破壞。一般而言，埋深較大的綜合管廊因地震慣性力造成破壞的可能性較小，而一般淺埋的綜合管廊或地面口部位置受土體約束較弱，破壞將由地震慣性力造成。在地震波作用下，類似于綜合管廊這樣的長線型地下結(jié)構(gòu)的變形可以分為：拉壓變形、彎曲變形、橢圓變形和截面擠壓變形［12］，如圖 9所示。

圖9 地下結(jié)構(gòu)地震變形模式［12］Fig.9 Seismic deformation pattern of underground structure［12］

2.設(shè)計要點

目前綜合管廊建設(shè)重視靜力條件下的設(shè)計與后期運營，對結(jié)構(gòu)及內(nèi)部管道大多未進行專門的抗震設(shè)計。一般來說，綜合管廊及其附屬結(jié)構(gòu)震害特點為：（1）接縫、接頭處通常為薄弱部位，在地震時容易發(fā)生錯位，甚至斷開；（2）管廊受周圍土體變形影響較大，而對加速度并不敏感，震害大多是由于土體變形過大或周圍土體發(fā)生液化；（3）管廊內(nèi)部管道受慣性力影響，對加速度較為敏感；（4）管廊震害極易引發(fā)次生災(zāi)害，且震后修復(fù)與重建難度大、成本高昂。

3.國內(nèi)外抗震研究

至今綜合管廊的震害記錄較少。在1995年阪神大地震中，大部分直埋式管線遭到了破壞，但綜合管廊內(nèi)部管線完好，僅有管廊本體局部位置出現(xiàn)輕微裂縫［13］。但國內(nèi)外學(xué)者仍然對綜合管廊抗震進行了一些非常有意義的研究。1960年左右，日本學(xué)者開展了綜合管廊的抗震設(shè)計、施工方法和抗震加固等方面的研究。1994年北嶺地震后，美國對全國范圍內(nèi)已建綜合管廊開展了大規(guī)模的加固，許多大學(xué)開展了抗震加固技術(shù)的研究。

雖然從2015年開始我國掀起了綜合管廊的建設(shè)熱潮，但綜合管廊抗震研究水平比較落后。一些國內(nèi)學(xué)者已開展綜合管廊抗震問題研究。李杰等［14－18］和 Chen等［19－21］先進行多點激勵的綜合管廊模型振動臺試驗研究，然后基于試驗研究成果，并采用數(shù)值方法，研究了均勻場地中綜合管廊在一致激勵、非一致激勵和瑞利波作用下的地震響應(yīng)規(guī)律。王會波等［22］對與綜合管廊類似的地下箱涵結(jié)構(gòu)的震害、反應(yīng)特點、地震分析方法等概述，并給出了結(jié)構(gòu)不同設(shè)計階段所采用的設(shè)計方法。湯愛平等［23，24］采用土箱振動臺試驗研究了綜合管廊結(jié)構(gòu)本體和內(nèi)部管線的地震響應(yīng)。由浩宇［25］基于綜合管廊內(nèi)部管線的地震響應(yīng)研究提出了管道隔震裝置。

隨著我國綜合管廊工程的大量建設(shè)，尤其是在高抗震設(shè)防烈度區(qū)的工程項目，亟需研究預(yù)制拼裝綜合管廊抗震技術(shù)。預(yù)制拼裝綜合管廊存在大量接頭，相比于現(xiàn)澆整體式綜合管廊，在橫斷面平面內(nèi)，拼裝處很可能成為地震薄弱部位；另一方面，沿管廊縱向，由于預(yù)制管廊縱向接頭存在一定柔性，反而有利于減輕結(jié)構(gòu)震害。需要進行相關(guān)研究，進一步為工程設(shè)計提供指導(dǎo)。

3 防水性能

地下水的侵蝕是地下結(jié)構(gòu)常常面臨的問題。由于存在大量橫向和縱向接頭，防水性能是預(yù)制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。目前，預(yù)制拼裝綜合管廊接頭防水性能的試驗研究較少。此外，對預(yù)制混凝土構(gòu)件材料也提出了防水性能要求。

3.1 接頭防水

綜合管廊通常位于新建道路下方，且埋深較淺，地面荷載對結(jié)構(gòu)的影響較大。車輛循環(huán)荷載的長期作用下，接頭承載能力將下降，接觸狀態(tài)劣化，并發(fā)生滲漏。特別在軟土地基下，管廊結(jié)構(gòu)不均勻沉降會產(chǎn)生縱向變形曲率，如果該縱向變形曲率過大，將造成管廊接頭張開或開裂。若水位較高，將容易產(chǎn)生滲漏現(xiàn)象［26］。此外，接頭密封止水條一般為彈性橡膠材料，受到物理化學(xué)作用易發(fā)生老化。老化將造成橡膠止水條密封壓力減小，抗?jié)B能力降低，從而產(chǎn)生滲漏水。

針對地下預(yù)制結(jié)構(gòu)接頭的防水問題，目前所開展的工作主要包括橡膠材料物理力學(xué)性能［27，28］和接頭防水性能的理論分析與試驗研究。胡翔等［29］利用足尺試驗?zāi)Ｐ蛯ι虾Ｊ啦@區(qū)預(yù)制拼裝綜合管廊試驗段接頭的短期和長期防水性能進行研究，建立了遇水膨脹橡膠條壓力計算公式和壓力－變形關(guān)系，基于研究結(jié)果提出了接頭防水構(gòu)造形式與優(yōu)化建議。圖10為遇水膨脹橡膠條示意。投入運營的十年來，上海世博會園區(qū)綜合管廊未有滲漏事故發(fā)生。

圖10 遇水膨脹橡膠條示意（單位：mm）Fig.10 Rubber strip with water expansion（unit：mm）

3.2 結(jié)構(gòu)防水

《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》［2］規(guī)定，綜合管廊結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫控制等級為三級，防水等級標(biāo)準(zhǔn)為二級。綜合管廊結(jié)構(gòu)本體允許帶裂縫工作。由于混凝土的收縮、徐變或預(yù)制構(gòu)件養(yǎng)護不足，導(dǎo)致實際工作狀態(tài)裂縫可能超此限制值，甚至是裂縫貫通，可能發(fā)生滲漏。所以，對防水混凝土設(shè)計抗?jié)B等級提出要求，在結(jié)構(gòu)材料如：混凝土防水劑的選擇和配合比的設(shè)計、原材料的質(zhì)量控制及準(zhǔn)確計量、構(gòu)建制作時的振搗及細部結(jié)構(gòu)處理、構(gòu)建拆模時間及養(yǎng)護等方面詳細規(guī)定。

3.3 外包防水

為了確保管廊結(jié)構(gòu)具有更加可靠的防水性能，除保證接頭和混凝土材料的防水能力外，許多工程在綜合管廊管段拼裝完成后還要進行外包防水施工。外包防水材料包括防水涂料和防水卷材，按照材料主要成分不同，可以分為以下幾類：瀝青類、高聚物改性瀝青類、合成高分子類（合成樹脂類和合成橡膠類）、水泥類、聚合物水泥類等。按照材料特性不同，又可分為剛性和柔性防水材料。剛性防水材料以砂漿和混凝土等為主，柔性防水材料包括涂膜和卷材等。通過在結(jié)構(gòu)表面噴涂或包裹防水材料來阻斷水的通路，達到防水目的或增強抗?jié)B漏的能力。隨著化工行業(yè)的發(fā)展，正在越來越多地出現(xiàn)與混凝土粘結(jié)性能好、耐久性佳、塑性性能和防水性能均優(yōu)，且價格相對低廉的材料作為外包防水層。但外包防水性能在很大程度上受到施工質(zhì)量影響，目前施工技術(shù)很難保證外包防水性能。為體現(xiàn)預(yù)制拼裝綜合管廊優(yōu)勢，充分發(fā)揮構(gòu)件材料質(zhì)量好的特點，應(yīng)盡量弱化外包防水，降低防水施工成本。

4 BIM技術(shù)

BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技術(shù)是繼CAD（計算機輔助設(shè)計）技術(shù)之后工程建設(shè)領(lǐng)域又一重要計算機應(yīng)用技術(shù)，具有高效和直觀的特點。BIM技術(shù)已經(jīng)在建筑工程中廣泛使用。對于綜合管廊工程，BIM技術(shù)也已經(jīng)開始得到關(guān)注。BIM技術(shù)在預(yù)制拼裝綜合管廊建設(shè)不同階段的應(yīng)用包括設(shè)計階段、施工階段和管理運維階段。

4.1 設(shè)計階段

設(shè)計階段包含管廊本體及附屬設(shè)施設(shè)計和入廊管線的設(shè)計兩個方面，涉及管廊復(fù)雜節(jié)點的深化、各項工程量的提取、管廊與已建或已規(guī)劃地下空間、軌道交通的碰撞檢查、入廊管線碰撞檢查等。

4.2 施工階段

BIM技術(shù)在預(yù)制拼裝綜合管廊施工階段的應(yīng)用可確保施工的準(zhǔn)確性、保證施工進度等。BIM技術(shù)模擬預(yù)制拼裝綜合管廊施工如圖11所示。

圖11 BIM施工模擬Fig.11 Construction simulation using BIM

4.3 運維階段

在綜合管廊工程竣工后，BIM技術(shù)結(jié)合GIS（地理信息系統(tǒng)）、自動化控制、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)可實現(xiàn)智慧化管理運維平臺，構(gòu)建完全信息化的、可視可控的管廊運行環(huán)境，并將市政管網(wǎng)變成可視化、數(shù)字化、虛擬化的系統(tǒng)，實現(xiàn)綜合管廊的全生命周期的管控。圖12為綜合管廊BIM＋GIS漫游圖像，結(jié)合綜合管廊中實時監(jiān)控數(shù)據(jù)可實現(xiàn)內(nèi)部環(huán)境和管線狀態(tài)全方位運維管理。

圖12 BIM＋GIS漫游Fig.12 Virtualwandering using BIM and GIS

5 施工工藝

5.1 明挖法

明挖法是最為常見的一種施工方法，適用于城市新區(qū)的綜合管廊建設(shè)，或與道路、地鐵、等基礎(chǔ)設(shè)施整合建設(shè)。根據(jù)開挖深度和地質(zhì)情況，明挖法基坑支護形式主要有放坡開挖和基坑圍護開挖，如圖13、圖14所示。放坡開挖適用于土質(zhì)情況較好、基坑較淺，且場地較為寬敞的挖方段，可結(jié)合水泥砂漿護坡防止雨水沖刷?；訃o開挖，如鋼板樁加鋼支撐支護、SMW工法樁等，適用于土質(zhì)情況差、基坑較深，鄰近其他結(jié)構(gòu)的情況。明挖法施工需中斷交通設(shè)施，對城市中的交通管理也有著一定的影響，但結(jié)合預(yù)制拼裝綜合管廊施工工藝可大大降低建設(shè)周期。但隨著開挖深度的增加，明挖法土方開挖量比較大，且在回填上有著較高的要求，造價將大大增加。

圖13 放坡開挖Fig.13 Slope excavation

圖14 圍護開挖Fig.14 Enclosure excavation

5.2 非開挖工藝

目前絕大多數(shù)綜合管廊建設(shè)在城市新區(qū)。在舊城區(qū)，人口密集，基礎(chǔ)設(shè)施的落后極大程度限制了城市的發(fā)展，所以綜合管廊的建設(shè)需求更加迫切。但相比于城市新區(qū)具有的良好施工場地和建設(shè)條件，在舊城區(qū)實施綜合管廊項目采用明挖法施工需要考慮現(xiàn)有市政管線、建筑、道路、隧道等市政基礎(chǔ)設(shè)施的保護和避讓，涉及到社會利益的方方面面，從而建設(shè)難度較大。在建造方式上，須采用非開挖方式進行綜合管廊施工，避免對城市交通的影響，保證穿越對象的正常運行。非開挖施工方式已廣泛應(yīng)用于地鐵、公路、電力、熱力、排水等城市隧道工程，包括淺埋暗挖、頂管和盾構(gòu)等方式。

在綜合管廊施工中，暗挖法使用較少。頂管法適用于綜合管廊穿越鐵路、公路、河流、建筑物等情況，可采用圓形、矩形和異形預(yù)制綜合管廊斷面，適用土層為非巖石性土層。頂管法也有一些不足，如對縱向曲率半徑小而且多曲線組合的綜合管廊適應(yīng)性差；在軟土層中頂進易發(fā)生偏差，且糾正偏差難度較大，管廊易發(fā)生不均勻沉降；頂進時遇到障礙物處理困難。盾構(gòu)法在地鐵、地下隧道的施工中較為常用，目前也有越來越多的城市采用盾構(gòu)法進行綜合管廊施工。盾構(gòu)法適合較深層次的地下綜合管廊工程，目前盾構(gòu)綜合管廊斷面主要為圓形，雙層四艙的標(biāo)準(zhǔn)斷面使用較多。但盾構(gòu)法主要缺點是施工費用較高。

5.3 新型施工工藝

除了傳統(tǒng)的施工工藝外，企業(yè)正致力于綜合管廊新型施工工藝的研發(fā)。U型盾構(gòu)設(shè)備就是結(jié)合明挖和盾構(gòu)施工工藝的特點研制的新型施工設(shè)備，在明挖施工的基礎(chǔ)上大大增加了機械化程度，利用類似于盾構(gòu)機的掘進設(shè)備作為開挖后的基坑支護結(jié)構(gòu)，大大降低基坑支護帶來的施工周期和費用。綜合管廊管段在掘進設(shè)備后部拼裝，掘進設(shè)備以拼裝完成結(jié)構(gòu)為支撐，不斷向前推進，形成移動式支擋結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)明挖施工方式相比，U型盾構(gòu)法機械化程度高、施工速度快、工期縮短、施工范圍小、對周邊環(huán)境影響小、安全性能更高。U型盾構(gòu)綜合管廊施工工法示意如圖15、圖16所示。

圖15 U型盾構(gòu)施工技術(shù)示意Fig.15 Schematic of U-shaped shield construction technology

6 典型工程實例

6.1 上海世博會園區(qū)整體預(yù)制拼裝綜合管廊

為服務(wù)2010年上海世博會，充分體現(xiàn)“城市，讓生活更美好！”這一主題，在總面積為5.7km2的浦西和浦東園區(qū)內(nèi)規(guī)劃綜合管廊工程，并前瞻性考慮世博會后地塊的二次開發(fā)。目前已建成并成功運營的綜合管廊位于浦東新區(qū)的博成路、國展路、后灘路、白蓮涇路，呈“口”字形布置，總長6.4km，包括6.2km的現(xiàn)澆段和200m的預(yù)制裝配綜合管廊示范段。

圖16 U型盾構(gòu)施工現(xiàn)場示意Fig.16 Schematic of U-shaped shield construction site

預(yù)制段綜合管廊納入了電力、通信和給水管線，用單艙形式標(biāo)準(zhǔn)截面。管段采用整截面預(yù)應(yīng)力筋縱向拼裝。管節(jié)由工廠制作完成，然后運輸?shù)浆F(xiàn)場拼裝。預(yù)制拼裝段管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面高度3800mm、寬度3300mm，考慮運輸和吊裝能力，將縱向長度劃分為每節(jié)2m，重約20 t。采用載重能力為50t的拖車運輸，每車裝2節(jié)預(yù)制管段。圖17為預(yù)制拼裝綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)施工現(xiàn)場。

圖17 世博整節(jié)段預(yù)制拼裝管廊Fig.17 ShanghaiWorld Expo segmental precast assembled utility tunnel

上海世博會園區(qū)綜合管廊項目為國內(nèi)首次采用預(yù)制拼裝法施工的綜合管廊項目，是綜合管廊施工工藝的重大創(chuàng)新?；谙嚓P(guān)研究成果和工程經(jīng)驗，形成了我國第一本綜合管廊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《上海世博會園區(qū)綜合管溝建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》，成為國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50838的編制基礎(chǔ)。

6.2 ?？诏B合裝配式綜合管廊

?？谑俏覈C合管廊建設(shè)試點城市，在2017年綜合管廊績效考核中成績?yōu)閮?yōu)。在長約1.27km的三艙綜合管廊中，容納了給水、再生水、110kV電力、220kV電力、10kV電力、信息及自用電纜等管線。采用疊合裝配式施工工藝，將底板、頂板和側(cè)壁進行了拆分，拆分后的管廊由現(xiàn)澆底板、疊合板側(cè)壁、預(yù)制頂板等組成。預(yù)制構(gòu)件組裝完成后澆筑側(cè)壁夾芯部分和頂板現(xiàn)澆自密實混凝土，標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖18所示。

圖18 ?？诏B合裝配式綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面Fig.18 Standard section of Haikou composite-slab precast assembled utility tunnel

預(yù)制構(gòu)件在工廠中批量生產(chǎn)。首先，在臺模上設(shè)置第1皮墻的模板，安裝鋼筋網(wǎng)片。在澆筑混凝土后，順流水線進入養(yǎng)護窯。然后，待混凝土達到所要求的強度后，通過流水線運送、翻轉(zhuǎn)、疊合在完成混凝土澆筑的第2皮墻上，形成疊合板。最后，雙皮墻整體進入養(yǎng)護窯進行養(yǎng)護，達到要求強度后通過吊車將構(gòu)件吊放在特制的存儲支架上，送至堆場存放。

管廊側(cè)壁和頂板的構(gòu)件通過標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，可實現(xiàn)模塊化安裝；無需支設(shè)模板，在節(jié)約周轉(zhuǎn)料費用的同時，使設(shè)備、材料現(xiàn)場管理變得簡單。施工現(xiàn)場安裝方便，操作簡便迅速。

6.3 鋼制波紋管預(yù)制拼裝綜合管廊

青海省海東市鋼制波紋管綜合管廊全長1.1km，管廊主體采用內(nèi)徑為4.0m的鋼波紋管（圖19a），設(shè)置4座抗?jié)B混凝土工作井、3個鋼波紋管檢修口兼逃生口、3個鋼波紋管自然進風(fēng)口。管溝開挖深度7m、管頂填埋高度3m。管廊內(nèi)可容納給水管、輸水管、通信管線、110kV高壓電力和10kV電力管線。此外，河北省衡水市采用鋼制波紋管建成50m裝配式綜合管廊示范段，采用寬6.5m、高4.8m的馬蹄形標(biāo)準(zhǔn)斷面，如圖19b所示。沈陽棋盤山國際會議中心和山東日照機場等綜合管廊項目也采用了鋼制波紋管結(jié)構(gòu)形式。

圖19 鋼制波紋管預(yù)制拼裝綜合管廊內(nèi)部Fig.19 Interior of Steel corrugated pipe assembled utility tunnel

7 展望

隨著我國綜合管廊工程建設(shè)浪潮的興起和建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的不斷深入，預(yù)制拼裝綜合管廊由于具有諸多優(yōu)點，正得到越來越廣泛的應(yīng)用。但總體看來，我國預(yù)制拼裝綜合管廊的研究剛剛起步，在以下方面需要進一步深入：

1.預(yù)制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)體系的研究

預(yù)制拼裝混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計有兩種觀點：一種是預(yù)制拼裝混凝土結(jié)構(gòu)受力性能等同于甚至超過現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)受力性能；另一種是預(yù)制拼裝混凝土結(jié)構(gòu)是一種獨立的結(jié)構(gòu)體系，其受力性能設(shè)計方法不應(yīng)該仿照現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。應(yīng)通過理論分析、試驗研究和數(shù)值模擬等研究手段，進一步研究不同預(yù)制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)體系的靜力和抗震性能，以及結(jié)構(gòu)與土體的共同作用。

2.關(guān)鍵節(jié)點連接形式和構(gòu)造措施

橫向和縱向接頭對荷載傳遞路徑至關(guān)重要，影響到結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的合理性。一方面應(yīng)加強關(guān)鍵節(jié)點構(gòu)造，使節(jié)點承載能力不低于其他部位；另一方面應(yīng)使節(jié)點連接形式和構(gòu)造措施簡單、易于安裝。

3.防水性能的保障

預(yù)制拼裝綜合管廊的防水問題較現(xiàn)澆綜合管廊更加突出。為保障結(jié)構(gòu)本體及內(nèi)部管線的正常使用，研究結(jié)構(gòu)本體的自防水性能與接頭構(gòu)造的防水性能是必要的。盡量弱化外包防水措施，降低防水施工成本。

4.新材料的應(yīng)用

除了高性能混凝土以外，探索耐候鋼、高分子材料等高性能材料在預(yù)制拼裝綜合管廊工程中的應(yīng)用，不僅保證結(jié)構(gòu)受力性能，更提高結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性和耐久性，達到預(yù)制拼裝綜合管廊工程100年的設(shè)計使用年限。

5.預(yù)制拼裝綜合管廊工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定

我國現(xiàn)行規(guī)范主要針對現(xiàn)澆混凝土綜合管廊，涉及預(yù)制拼裝綜合管廊的設(shè)計規(guī)定很少，且多為原則性的規(guī)定。需針對常見預(yù)制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)形式，提出設(shè)計計算方法指導(dǎo)實際工程。目前已有相關(guān)單位著手研編預(yù)制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)范。

6.預(yù)制拼裝綜合管廊產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

預(yù)制拼裝綜合管廊模塊化的構(gòu)件設(shè)計、生產(chǎn)和施工方法到目前為止還不是很成熟，還有很多不足需要進一步研究，需要積累更多的工程經(jīng)驗，推動綜合管廊產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，并帶動相關(guān)行業(yè)。

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