樊錦仁 夏遠洋

(中國市政工程西北設計研究院有限公司 蘭州730000)

引言

濕陷性黃土地區(qū)有很多已建或在建的綜合管廊工程。因在管廊主體結(jié)構(gòu)內(nèi)敷設給水、排水、熱力、雨水、燃氣等各種管道,綜合管廊工程為十分重要的生命線工程,按《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》(GB50838-2015)[1]規(guī)定,其設計使用年限為100年,安全等級為一級。作為埋地式構(gòu)筑物內(nèi)部敷設管道結(jié)構(gòu),雖然不會對地基產(chǎn)生附加壓力,但其內(nèi)部的給水、熱力等管道是承受內(nèi)水壓力的,管道的滲漏可能會引起管廊結(jié)構(gòu)的滲漏。如遇濕陷性黃土地基,管廊結(jié)構(gòu)的滲漏會使其下的地基濕陷。內(nèi)含壓力管道時,管道滲漏會使其下濕陷性黃土地基受水浸濕的可能性更大。濕陷性黃土在我國分布非常廣泛,因地基濕陷引起的工程事故較多,也比較嚴重,對于大中型綜合管廊工程,由于其工程重要性高(安全等級為一級),地基濕陷對綜合管廊的不利影響更應引起重視。綜合管廊是近年來興起的市政綜合工程,《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB 50025-2004)[2](以下簡稱《黃土規(guī)范》)沒有相關內(nèi)容和規(guī)定,所以在該類工程的設計過程中,出現(xiàn)了相對較多的困擾或疑問。本文針對濕陷性黃土地區(qū)綜合管廊工程設計所存在的若干問題進行探討,并結(jié)合某濕陷性黃土地區(qū)管廊工程地基處理措施示例,為類似工程提供參考。

1 濕陷性黃土地基管廊主體結(jié)構(gòu)的破壞特征

地基濕陷由浸水引起,濕陷性黃土地區(qū)綜合管廊地基濕陷可能有3 種情形: 1)環(huán)境水,如雨水、地面流水、構(gòu)筑物滲漏水等引起地基土濕陷;2)管廊內(nèi)管道漏水經(jīng)接口漏出引起地基土濕陷;3)管廊內(nèi)管道漏水經(jīng)管廊結(jié)構(gòu)混凝土裂縫漏出引起地基土濕陷。

管廊主體一般不會對地基產(chǎn)生附加壓力,濕陷性黃土地基不會因其自身承載力不足而產(chǎn)生破壞,而地基土濕陷變形是造成管廊主體結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。濕陷性黃土結(jié)構(gòu)復雜,濕陷破壞形式多樣,其變形表現(xiàn)形式是一種下沉量大、下沉速度快的失穩(wěn)性變形。濕陷性黃土自身的破壞引起的管廊主體結(jié)構(gòu)破壞通常是突發(fā)性的,其主要破壞特征為: 1)地基土濕陷使管廊主體結(jié)構(gòu)隨地基產(chǎn)生過大變形、裂縫、屈曲或屈服;2)地基土濕陷使管廊主體結(jié)構(gòu)擔空,受力狀態(tài)方式變化并產(chǎn)生過大變形、裂縫、屈曲或斷裂;3)地基土濕陷使綜合管廊變形縫處發(fā)生過大轉(zhuǎn)角。4)地基土濕陷使綜合管廊變形縫發(fā)生過大垂直錯位。

2 濕陷性黃土地基綜合管廊結(jié)構(gòu)設計特點

2.1 綜合管廊分類

根據(jù)《黃土規(guī)范》[2]第3.0.1 條,綜合管廊類別劃分主要依據(jù)其重要性和地基受水浸濕可能性的大小兩點進行劃分。除工程規(guī)模(內(nèi)含管道的管徑、管材,內(nèi)水壓力、接口形式)是影響地基受水浸濕可能性的主要因素外,管廊本身結(jié)構(gòu)形式、接縫形式等對其影響也十分顯著。目前對于管廊類別的劃分大多止于定性,在定量上劃分觀點還比較混亂,造成設計人員難以把握分寸。筆者在長期設計實踐中認為濕陷性黃土地區(qū)城市綜合管廊的分類宜按表1 劃分為甲、乙、丙三類。

表1 濕陷性黃土地區(qū)綜合管廊分類Tab.1 Utility tunnel classification in collapsible loess area

2.2 地基處理厚度及范圍

對于綜合管廊,地基處理設計主要是處理厚度的確定。

一般來說,地基處理的目的是為保證地基土不發(fā)生由于浸水濕陷引起的失穩(wěn)性變形導致城市綜合管廊破壞。在濕陷性黃土地區(qū),因綜合管廊不產(chǎn)生附加地基應力,地基處理厚度是以消除全部或部分濕陷性為主,大多不考慮提高地基的承載力,其厚度取決于濕陷類型、濕陷等級、濕陷下限等因素?？傮w來說,濕陷等級越大,濕陷下限越深。

對于非自重濕陷性黃土,主要控制下部未處理濕陷性黃土層的濕陷起始壓力值,一般不應小于100kPa;其處理厚度及剩余濕陷量的控制應按建構(gòu)筑物執(zhí)行《黃土規(guī)范》,本文不再詳述,另建議在非自重濕陷性黃土場地,綜合管廊的地基處理最小厚度不小于0.5m。

在自重濕陷性黃土場地,由于綜合管廊埋置深度一般較深(覆土+管廊總高),部分濕陷性土層已經(jīng)挖除,所以其地基處理是以控制下部未處理濕陷性黃土層的剩余濕陷量為主。參考《黃土規(guī)范》,甲類綜合管廊建議消除地基全部濕陷量;乙類綜合管廊建議消除部分濕陷量,控制剩余濕陷量不大于150mm;丙類綜合管廊建議消除部分濕陷量,控制剩余濕陷量不大于200mm。除剩余濕陷量控制要求之外,建議在自重濕陷性黃土場地,綜合管廊的地基處理最小厚度不小于1m。當遇大厚度濕陷性黃土地基時,建議參照甘肅省地方標準《大厚度濕陷性黃土場地工程處理技術規(guī)程》(DB62/T25-2012)進行設計。

綜合管廊建設場地受限,基坑開挖寬度較狹窄,處理范圍無法按《黃土規(guī)范》的要求確定。建議在自重濕陷性黃土場地,處理范圍為每邊超出底板外邊緣的距離不小于處理厚度的1/3 且不小于1m;非自重濕陷性黃土場地,處理范圍為每邊超出底板外邊緣的距離不小于0.5m 或基坑底寬。

2.3 地基處理方法

確定了地基處理厚度,就可以考慮地基處理方法的選擇問題。針對濕陷性黃土地基處理的方法很多,設計人員應根據(jù)濕陷性黃土層的類別、濕陷等級、地基處理厚度和土的天然含水量(或飽和度)等,并考慮施工設備、施工進度、材料來源和當?shù)丨h(huán)境等因素,經(jīng)技術經(jīng)濟綜合比較后進行確定。常用的地基處理方法有墊層法、強夯法、擠密法、預浸水法等。

根據(jù)實踐經(jīng)驗,由于綜合管廊工程大多處于舊城改造或新城開發(fā)地塊,采用強夯法和預浸水法對周圍建(構(gòu))筑物影響較大,不推薦采用。根據(jù)工程實踐,該類工程仍以墊層法和擠密法為主。當處理厚度不大于3m 時,一般采用墊層法,其填料建議優(yōu)先采用3∶7 灰土或2∶8 灰土墊層;當處理厚度大于5m 時,采用擠密法更合理。由于處理范圍無法滿足《黃土規(guī)范》的要求,為避免滲漏水進入處理后地基內(nèi)部,應在處理范圍邊緣設置排樁式止水帷幕。

2.4 結(jié)構(gòu)選型及接縫

目前各種結(jié)構(gòu)形式的綜合管廊在濕陷性黃土地區(qū)均有應用,但根據(jù)濕陷性黃土的地質(zhì)特征,應優(yōu)先采用變形能力強的設置伸縮縫且接口為柔性的現(xiàn)澆式結(jié)構(gòu)形式,不宜采用不設置伸縮縫的裝配式結(jié)構(gòu)形式。無論采用現(xiàn)澆式還是裝配式,對于其變形縫,除了設置埋入式帶鋼邊橡膠止水帶外,還應設置一道內(nèi)貼式橡膠止水帶,且應在接縫位置采用專門的防水膠粘貼重疊處防水卷材,變形縫的嵌縫密封料宜采用遇水膨脹橡膠。后澆帶、施工縫、穿墻管等綜合管廊薄弱部位必須采取嚴密的防水措施。

2.5 防水措施

為有效防止綜合管廊在濕陷性黃土地區(qū)的濕陷破壞,綜合管廊的防水系統(tǒng)應做到“剛?cè)嵯酀?。光靠剛性防水無法徹底解決管廊的滲漏水問題,因此,還要在管廊外層進行柔性防水處理,即附加防水層,利用防水材料的阻水性隔絕管廊內(nèi)水的滲漏,進一步達到防水的目的。

根據(jù)《地下工程防水技術規(guī)范》(GB50108-2008)[3]第3.3.1 條,管廊主體結(jié)構(gòu)應采取有效的由內(nèi)向外的防水措施,建議防水等級采用一級,具體方法本文不做重點論述。

3 工程案例

3.1 工程概況

某綜合管廊工程,為四艙并列布置的干線綜合管廊,全長2.3km,包括污水艙、電力艙、熱力艙和綜合艙。結(jié)構(gòu)標準斷面外輪廓尺寸為17.1m × 4.3m,廊頂覆土3.5m～5.5m。納入DN1000 給水管道、DN500 中水管道、DN700 熱力管道、DN1000 污水管道等地下管線。結(jié)構(gòu)形式采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),管廊全線采用開挖方式敷設,埋置深度為7.8m～9.8m。

本工程場地范圍內(nèi)地層結(jié)構(gòu)相對復雜,勘探深度范圍內(nèi)地基土主要由①表層耕植土(厚度0.3m)、②1黃土狀粉土(厚度4.5m～11.5m,濕陷系數(shù)平均0.051)、②2黃土狀粉土(厚度5.00m～11.00m,濕陷系數(shù)平均0.020)、③黃土狀粉土(厚度2.60m～8.40m,濕陷系數(shù)＜0.015無濕陷性)、④1粉土(厚度4.60m～10.00m,濕陷系數(shù)＜0.015 無濕陷性)等組成。依照《黃土規(guī)范》綜合判定,屬Ⅳ級(很嚴重)濕陷性黃土場地,場地最大濕陷下限深度19.55m。本工程管廊底板坐落于②1層黃土狀粉土上,具體見圖1。

3.2 地基處理方案的選擇

(1)類別劃分: 該工程屬中等規(guī)模的城市綜合管廊,按表1 劃分應為乙類。

(2)地基處理厚度及范圍確定: 對于類別為乙類的城市綜合管廊,地基處理為消除部分濕陷量,控制剩余濕陷量不大于150mm。根據(jù)該工程地勘報告,計算最大濕陷下限深度以上各土層濕陷量,該管廊底板下6m 處以下的剩余濕陷量約為130mm(不大于150mm),據(jù)此可以確定地基處理厚度為6m。處理范圍: 每邊超出底板外邊緣的距離取1/3 處理厚度,即為2m。

(3)地基處理方法的選擇: 根據(jù)處理厚度采用灰土擠密樁,孔內(nèi)填料采用3∶7 灰土,孔徑500mm,孔中心距1200mm,梅花形布置。樁孔內(nèi)灰土壓實系數(shù)不小于0.97,孔間擠密壓實系數(shù)不小于0.93,擠密樁頂(管廊底板底) 設置500mm 厚灰土墊層,處理后地基承載力特征值控制不小于180kPa。另沿處理范圍邊緣設置灰土排樁止水帷幕(孔徑500mm,孔中心距375mm),具體見圖2。

圖1 地基處理橫斷面圖Fig.1 Crosssection of foundation treatment

圖2 地基處理平面示意Fig.2 Planer diagram of foundation treatment

3.3 結(jié)構(gòu)選型及接口設計

管廊結(jié)構(gòu)形式采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),伸縮縫間距取30mm,伸縮縫采用一級防水設防要求。在此基礎上加強防水措施,采取埋入式+內(nèi)貼橡膠止水帶,具體見圖3。

圖3 伸縮縫防水節(jié)點Fig.3 Waterproofing of deformation joints

3.4 防水措施設計

除結(jié)構(gòu)混凝土采用自防水措施,如混凝土強度等級取C40,抗?jié)B等級取P8,水灰比控制不大于0.45 等措施外,還在頂、底板及壁板內(nèi)側(cè)增設防水涂料或膜等。

4 結(jié)語

綜合管廊作為一種特殊構(gòu)筑物,為方便起見,在濕陷性黃土地區(qū)其結(jié)構(gòu)設計仍可參考GB50025-2004 的原則。工程實例展示的濕陷性黃土地基處理方法,可為其他濕陷性黃土地區(qū)地基處理提供借鑒。

此外,需要注意的是,目前地基處理厚度或剩余濕陷量與綜合管廊變形的關系尚缺乏研究資料,地基處理厚度僅為經(jīng)驗,缺乏理論支持,需進一步研究。