鐘 翔，張 果，汪 強(qiáng)

（成都市市政工程設(shè)計研究院，四川 成都 618000）

1 概述

1.1 綜合管廊建設(shè)政策及形式

綜合管廊,又稱共同溝,是將燃?xì)?、電力、電信、給排水等兩種或兩種以上的生命線工程設(shè)施共同敷設(shè)于其中的地下結(jié)構(gòu)。

2015年8月3日，國務(wù)院下發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)城市地下綜合管廊建設(shè)的指導(dǎo)意見》（國發(fā)【2015】61號）。指導(dǎo)意見指出：適應(yīng)新型城鎮(zhèn)化和現(xiàn)代化城市建設(shè)的要求，把地下綜合管廊建設(shè)作為履行政府職能、完善城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要內(nèi)容，在繼續(xù)做好試點工程的基礎(chǔ)上，總結(jié)國內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗和有效做法，逐步提高城市道路配建地下綜合管廊的比例，全面推動地下綜合管廊建設(shè)。要將地下綜合管廊建設(shè)納入政府績效考核體系，建立有效的督查制度，定期對地下綜合管廊建設(shè)工作進(jìn)行督促檢查。

2015年4月10日公布了10個城市進(jìn)入2015年綜合管廊試點范圍，并計劃3年內(nèi)建設(shè)地下綜合管廊389 km，總投資351億元，其中中央財政投入102億元，地方政府投入56億元。

2016年4月25日，公布第二批15個綜合管廊試點城市，其中包括成都市。蜀龍五期綜合管廊作為成都試點工程之一，其獨特的預(yù)制“管片”拼裝技術(shù)得到了高度重視。

綜合管廊集約利用城市地下空間，建設(shè)后大幅降低對環(huán)境及城市功能的影響，適應(yīng)低影響開發(fā)要求。

1.2 綜合管廊發(fā)展歷程

綜合管廊應(yīng)用最早的是歐洲。1832年法國巴黎霍亂大流行，為了改善城市環(huán)境，1833年巴黎在系統(tǒng)規(guī)劃排水管網(wǎng)的同時，開始興建綜合管廊。之后，英國、德國、西班牙、蘇聯(lián)、匈牙利、美國及日本等亞洲國家都相繼建設(shè)綜合管廊。自20世紀(jì)開始，日本、美國和加拿大等國家開始大規(guī)模建設(shè)綜合管廊系統(tǒng)。1963年，日本頒布了《綜合管廊實施法》，并在1991年成立了專門的綜合管廊管理部門，負(fù)責(zé)推動綜合管廊的建設(shè)工作。

國內(nèi)第一條綜合管廊是天安門廣場地下敷設(shè)的一條長約1 076 m的綜合管廊。1977年，配合“毛主席紀(jì)念堂”施工，又敷設(shè)了一條長500 m的綜合管廊。1994年底，上海浦東新區(qū)初步建成了國內(nèi)規(guī)模較大的綜合管廊，全長11.125 km。近兩年，在國家政策推動下，全國掀起了新一輪的綜合管廊建設(shè)熱潮。

綜合管廊的建設(shè)方式有傳統(tǒng)的現(xiàn)場澆筑方式。這種方式需現(xiàn)場進(jìn)行支護(hù)開挖，模板工程量大，現(xiàn)場作業(yè)量大，對現(xiàn)場場地要求高（見圖1）。

現(xiàn)場澆筑的弊端很明顯，不太適合已建城區(qū)。隨著技術(shù)發(fā)展，預(yù)制化、工業(yè)化已成為綜合管廊建設(shè)的新方向?，F(xiàn)有工程采用較多的是預(yù)制管節(jié)拼裝（見圖 2）

圖1 綜合管廊現(xiàn)場澆筑示意圖

圖2 預(yù)制管節(jié)綜合管廊示意圖

預(yù)制“管片”拼裝技術(shù)有別于普通節(jié)段拼裝，對吊裝口、出入口等節(jié)點亦能實現(xiàn)工業(yè)化，大幅提高工業(yè)化率，配合特制機(jī)器實現(xiàn)基坑土方開挖、管片吊裝、拼裝、回填等功能于一體，無需支護(hù)結(jié)構(gòu)。

2 工程概況

蜀龍路五期綜合管廊主體結(jié)構(gòu)為地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，總長約1.1 km，其中G12+45～10+05為預(yù)制拼裝段落，長760 m，采用預(yù)制“管片”拼裝技術(shù)。該技術(shù)采用專用裝備進(jìn)行施工，集基坑土方開挖、管片吊裝、拼裝、回填等功能于一體，無需支護(hù)結(jié)構(gòu)。

該工程設(shè)計使用年限為100 a，安全等級為一級。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10 g，反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。地震分組為第三組。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防分類為乙類。抗震等級為三級。地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為乙級。主要受力構(gòu)件耐火等級為一級。鋼筋混凝土最大裂縫寬度的允許值為0.2 m m。設(shè)計抗浮水位按地面下2 m考慮。在不考慮側(cè)壁摩阻力時，其抗浮安全系數(shù)不得小于1.05。

3 分塊尺寸

管廊主體結(jié)構(gòu)按作用在彈性地基上的平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析，采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，取縱向2 m計算，將結(jié)構(gòu)覆土換算成上覆土荷載和側(cè)土壓力，采用水土合算。雙艙管廊內(nèi)徑為6.215 m（寬）×2.74 m（高），外徑為 6.815 m（寬）×3.34 m（高）。結(jié)構(gòu)厚度為300 m m，環(huán)寬2 000 m m。兩個艙的內(nèi)徑均為2.982 m（寬）×2.74 m（高）。頂板覆土4 m。地下水位-2 m。土容重取20 kN/m3，水容重取10 kN/m3。

襯砌采用C50混凝土，重度25 kN/m3，泊松比取0.167，管片混凝土抗?jié)B等級為P10。 混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值fc=23.1 N/m m2，混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值ft=1.89 N/m m2，混凝土彈性模量Ec=3.45×104N/m m2；鋼筋為H PB300鋼，C為H RB400鋼，均為熱軋鋼筋。主筋采用H RB400E鋼，屈服強(qiáng)度fy=f‘y=360 N/m m2，鋼筋彈性模量Ec=2×105N/m m2；螺栓采用8.8-M 28彎螺栓，抗拉強(qiáng)度設(shè)計值ft=640 N/m m2。構(gòu)造保護(hù)層厚度：外弧面內(nèi)弧面各50mm。

施工階段：水土合算，側(cè)壓力系數(shù)取0.43，基床系數(shù)取20 000 M Pa/m；運營階段：水土分算，側(cè)壓力系數(shù)取0.43，基床系數(shù)取20 000 M Pa/m。

結(jié)合斷面尺寸及施工工藝，在彎矩較小部位進(jìn)行分塊（見圖3）。

圖3 預(yù)制段標(biāo)準(zhǔn)斷面結(jié)構(gòu)分塊（單位：mm）

4 結(jié)構(gòu)計算

4.1 計算原則

（1）綜合管廊設(shè)計應(yīng)能滿足城市規(guī)劃、施工、抗震、防水、防火（耐火等級為一級）等的要求，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和耐久性，以滿足使用期的各種要求。

（2）綜合管廊設(shè)計應(yīng)減少施工中和建成后對環(huán)境造成的不利影響，考慮城市規(guī)劃對周圍環(huán)境的改變和對結(jié)構(gòu)的作用。

（3）綜合管廊應(yīng)根據(jù)環(huán)境類別，按主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限100 a的要求進(jìn)行耐久性設(shè)計。

（4）綜合管廊設(shè)計的凈空尺寸應(yīng)滿足建筑限界和其他使用，以及施工工藝等要求，并考慮施工誤差、結(jié)構(gòu)變形和位移的影響。

（5）綜合管廊抗震設(shè)計按7度進(jìn)行抗震計算，8度進(jìn)行抗震措施設(shè)計，設(shè)計地震為第三組。

（6）綜合管廊應(yīng)就其施工和正常使用階段，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算，必要時也應(yīng)進(jìn)行剛度和穩(wěn)定性計算，同時應(yīng)進(jìn)行抗裂驗算或裂縫寬度驗算，最大計算裂縫寬度允許值見表1。

表1 最大計算裂縫寬度允許值

（7）綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)按相對地面標(biāo)高-2.000 m進(jìn)行抗浮穩(wěn)定驗算，其抗浮安全系數(shù)大于1.05。對該工程而言，可以不考慮永久性結(jié)構(gòu)抗浮措施。

4.2 計算模型

4.2.1 計算模型簡圖

結(jié)構(gòu)計算程序：Ansys 13.0版。

施工階段，進(jìn)行降水后計算時不考慮地下水作用；運營階段，需考慮地下水作用。故分兩階段就行計算。圖4、圖5為計算模型簡圖。

圖4 施工階段標(biāo)準(zhǔn)斷面計算模型簡圖

圖5 運營階段標(biāo)準(zhǔn)斷面計算模型簡圖

4.2.2 荷載計算

結(jié)構(gòu)外徑為：7 828 m m×3 800 m m；

管片厚度：300 m m；

結(jié)構(gòu)頂部埋深：4 m；

結(jié)構(gòu)底部埋深：4+3.8=7.8 m；

土層平均重度：19.5 kN/m3；

結(jié)構(gòu)自重：25 kN/m3；

地下水位：0 m；

地面超載：20 kPa；

頂部偏載標(biāo)準(zhǔn)值：Pv=30 kPa。

（1）施工工況

隧道頂部水土壓力標(biāo)準(zhǔn)值：P1=20+19.5×4=98 kPa；

拱背水土壓力標(biāo)準(zhǔn)值：Pi=19.5×3.8÷2=37 kPa；

有偏載作用側(cè)上部側(cè)向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值：P2=0.45×[30+20+19.5×（4+0.3÷2）]=58.9 kPa；

有偏載作用側(cè)下部側(cè)向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值：P3=0.45×[30+20+19.5×（7.8-0.3÷2）]=89.6 kPa；

無偏載作用側(cè)上部側(cè)向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值：P2=0.45×[20+19.5×（4+0.3÷2）]=45.4 kPa；

無偏載作用側(cè)下部側(cè)向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值：P3=0.45×[20+19.5×（7.8-0.3÷2）]=76.8 kPa；

同步注漿荷載標(biāo)準(zhǔn)值：Pz=20 kPa，三角形分布，分布范圍1 m。

（2）運營工況

土層浮重度：γ0=19.5-9.8=9.7 kN/m3；

隧道頂部土壓力標(biāo)準(zhǔn)值：P1=20+9.7=9.7×4=58.8 kPa；

拱背土壓力標(biāo)準(zhǔn)值：Pi=9.7×3.8÷2=18.43 kPa；

隧道頂部水壓力標(biāo)準(zhǔn)值：Pw1=9.8×4=39.2 kPa；

隧道底部水壓力標(biāo)準(zhǔn)值：Pw2=9.8×7.8=76.4 kPa；

有偏載作用側(cè)上部側(cè)向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值：P2=0.45×[30+20+9.7×（4+0.3÷2）]=41 kPa；

有偏載作用側(cè)下部側(cè)向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值：P3=0.45×[30+20+9.7×（7.8-0.3÷2）]=55.9 kPa；

無偏載作用側(cè)上部側(cè)向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值：P2=0.45×[20+9.7×（4+0.3÷2）]=27.1 kPa；

無偏載作用側(cè)下部側(cè)向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值：P3=0.45×[20+9.7×（7.8-0.3÷2）]=42.4 kPa。

4.2.3 計算工況

根據(jù)上述荷載分布模式分析以及荷載取值，計算工況如下。

（1）施工階段

施工階段采用水土合算模式，側(cè)壓力系數(shù)取0.43，考慮側(cè)抗力，共11個計算工況（見表2）。

（2）運營階段

運營階段采用水土分算模式，按照主要穿越土層取靜止側(cè)壓力系數(shù)0.43，考慮側(cè)抗力，共5個計算工況（見表2）。

4.3 荷載組合

施工階段：對圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮100%的外側(cè)主動土壓力。

表2 計算工況對應(yīng)荷載

使用階段：主要荷載組合見表3（括號內(nèi)為荷載有利情況）。

表3 荷載組合及組合值系數(shù)

4.4 計算方法

本設(shè)計按修正慣用法與梁—彈簧法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。其中修正慣用法用于計算所有的13個工況，而梁-彈簧法用于計算控制工況，從而對內(nèi)力及變形進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。

4.4.1 修正慣用法

將由n塊管片構(gòu)成的管廊襯砌結(jié)構(gòu)看作剛度均勻的勻質(zhì)環(huán)體?？紤]管片接頭的存在，在管片抗彎剛度的基礎(chǔ)上乘以一個剛度折減系數(shù)η，以此作為整環(huán)抗彎的剛度，在荷載和地層抗力的共同作用下得到該圓環(huán)上的內(nèi)力分布，取η=0.7?？紤]錯縫拼裝，在共同變形下管片上的彎矩相對于接頭來說要有所提高，因此，將上述勻質(zhì)環(huán)的彎矩乘以一個彎矩提高系數(shù)（1+ξ），作為管片上各截面的彎矩，而接頭上的彎矩要乘以彎矩降低系數(shù)（1-ξ），從而得到修正后的彎矩分布。

彎矩重分配后：接頭處內(nèi)力為 Mj=（1-ξ）×M，Nj=N；管片內(nèi)力為

其中：ξ為彎矩調(diào)整系數(shù)，本次計算取0；M、N分別為均質(zhì)圓環(huán)計算彎矩和軸力；Mj、Nj分別為調(diào)整后的接頭彎矩和軸力；Mz、Nz分別為調(diào)整后的接頭彎矩和軸力。

4.4.2 梁-彈簧法

把組成管廊襯砌環(huán)的每塊管片劃分成長度不等的直梁單元，當(dāng)單元劃分得足夠小時，就可以有效地模擬設(shè)計管片。管片與管片之間的螺栓連接用彈簧單元模擬。彈簧元具有軸向、切向的剪切剛度以及轉(zhuǎn)動剛度，分別模擬接頭的抗拉壓、抗剪和抗彎作用。荷載作用在直梁-彈簧結(jié)構(gòu)體上，同時考慮地層抗力的作用，進(jìn)而通過反復(fù)迭代計算求得襯砌管片的內(nèi)力。旋轉(zhuǎn)彈簧參考地鐵淺埋工況下的接頭試驗剛度取11 000 kN·m/rad，最后通過蜀龍路五期接頭試驗迭代計算取13 000 kN·m/rad，偏安全起見，軸向剛度和剪切剛度取無限大。圖6為計算包絡(luò)圖。

4.5 管片配筋結(jié)果

根據(jù)管片內(nèi)力表中的剪力最大值，基于斜截面配筋計算方法，對于管片進(jìn)行配箍計算。

4.5.1 管片主筋

管片主筋配置情況見表4。

4.5.2 管片配箍

管片箍筋配置情況見表5。

5 現(xiàn)澆、節(jié)段預(yù)制及管片預(yù)制綜合管廊對比

（1）現(xiàn)澆綜合管廊對現(xiàn)場施工條件要求高，現(xiàn)場作業(yè)量大，工期較長，對環(huán)境影響明顯，技術(shù)相對成熟，造價適中，適合于未建成城區(qū)等具有大面積作業(yè)的區(qū)域。但由于其對環(huán)境的影響明顯，綜合管廊建設(shè)逐步被工業(yè)化預(yù)制所取代。

圖6 計算包絡(luò)圖

表4 管片主筋配置情況表

（2）預(yù)制管節(jié)拼裝技術(shù)體現(xiàn)了預(yù)制工業(yè)化的優(yōu)勢，對環(huán)境影響較小，現(xiàn)場作業(yè)少，對周圍環(huán)境影響相對較低。但需要進(jìn)行支護(hù)開挖，造價較大，同時由于吊車起重重量的限制，管節(jié)一般2 m左右，接縫多，后期防水不能有效保證。預(yù)制而且管節(jié)拼裝只適用于標(biāo)準(zhǔn)斷面的施工，在節(jié)點處還需現(xiàn)場澆筑，預(yù)制化率不高。未將預(yù)制工業(yè)化的優(yōu)勢發(fā)揮明顯。

表5 管片箍筋配置情況

（3）預(yù)制“管片”拼裝技術(shù)，能適用于標(biāo)準(zhǔn)斷面及相關(guān)節(jié)點部位，使用性強(qiáng)，預(yù)制化率高。配合特制施工機(jī)械，實現(xiàn)基坑土方開挖、管片吊裝、拼裝、回填等功能于一體，無需支護(hù)結(jié)構(gòu)，節(jié)約支護(hù)成本，降低工程造價。同時，在管片周圍采用M 15防水水泥砂漿進(jìn)行注漿，有效保證管廊的防水。預(yù)制管片采用工廠預(yù)制，對環(huán)境影響較小，現(xiàn)場作業(yè)少，對周圍環(huán)境影響相對較低，將預(yù)制工業(yè)化的優(yōu)勢發(fā)揮充分。

6 結(jié)語

隨著城市發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的矛盾日漸突顯，工程工業(yè)化是必然趨勢。預(yù)制“管片”拼裝技術(shù)，由于其高預(yù)制率，以及邊開挖、邊拼裝、邊回填的施工工藝，從而大大減少了城市綜合管廊施工對環(huán)境及城市交通的影響。本文以蜀龍路五期綜合管廊“管片”預(yù)制拼裝為例，對其計算模型、計算方法、荷載工況進(jìn)行分析，并得到各管片的配筋結(jié)果，應(yīng)用于實際工程，說明了“管片”預(yù)制拼裝的實用性。為今后國內(nèi)綜合管廊工程工業(yè)化提供了寶貴經(jīng)驗。