杜 昕

(中鐵十四局集團(tuán)房橋有限公司 北京 102400)

1 前言

在“大力推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程”以及“加快智慧城市發(fā)展”等國(guó)家政策的推動(dòng)下，地下管線、管井作為發(fā)展過(guò)程中首先要解決的基礎(chǔ)性配套設(shè)施，綜合管廊作為智慧城市建設(shè)中重要的工程載體[1]，在新城鎮(zhèn)建設(shè)中日益發(fā)揮其重要作用。為解決城鎮(zhèn)擴(kuò)張建設(shè)過(guò)程中帶來(lái)的地下管線配置不足及大雨內(nèi)澇、管線爆炸造成路面塌陷現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，對(duì)城市居民安全和運(yùn)行秩序造成嚴(yán)重影響等問(wèn)題，國(guó)家公布了《關(guān)于推進(jìn)城市地下綜合管廊建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》[2]，對(duì)加快地下綜合管廊建設(shè)、推進(jìn)發(fā)展速度、有效保障城鎮(zhèn)市政管線安全運(yùn)營(yíng)、加大城市抗災(zāi)減災(zāi)能力、美化城市環(huán)境具有重要意義[3－4]。綜合管廊作為智能化基礎(chǔ)設(shè)施，在政府扶持下，越來(lái)越多地應(yīng)用在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中。

2 綜合管廊及管廊拼裝

(1)綜合管廊概述

綜合管廊是建設(shè)在城鎮(zhèn)地下，可以布置兩類及以上市政管線的建筑物及附屬設(shè)施。以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，結(jié)構(gòu)類型可分為混凝土現(xiàn)澆綜合管廊和混凝土預(yù)制拼裝綜合管廊兩種形式[5]。

預(yù)制拼裝綜合管廊又稱為裝配式綜合管廊，在工廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)制管廊生產(chǎn)所需混凝土澆筑、振搗等工序，成品運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)后以機(jī)械化方式吊裝到設(shè)計(jì)位置進(jìn)行拼裝成型[6]，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化、批量化施工。生產(chǎn)過(guò)程中提高機(jī)械化、自動(dòng)化程度，降低人為因素影響，提高了產(chǎn)品品質(zhì)、加快現(xiàn)場(chǎng)施工速度、減少場(chǎng)地占用時(shí)間，并有利于施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)保及綠色施工的實(shí)現(xiàn)。

(2)管廊拼裝及影響因素

地下工程成功的關(guān)鍵在于承載力、抗變形能力以及防水性能。其中防水性能受現(xiàn)場(chǎng)施工影響最大，已成為制約管廊發(fā)展的首要因素。裝配式綜合管廊工程防水性能的實(shí)現(xiàn)，一方面依靠管廊主體結(jié)構(gòu)自防水，在混凝土配合比設(shè)計(jì)階段通過(guò)合理進(jìn)行材料及用量的調(diào)節(jié)，以及拌和、灌注施工過(guò)程中對(duì)混凝土密實(shí)度的控制，達(dá)到提高混凝土抗?jié)B性能的目的[3]；另一方面依靠預(yù)制管廊結(jié)構(gòu)拼裝施工質(zhì)量。拼裝施工質(zhì)量與管廊結(jié)構(gòu)整體安全以及后期運(yùn)行維護(hù)都有著密切的聯(lián)系，所以預(yù)制拼裝防水效果要求高、施工精度要求高，對(duì)拼裝施工要求同樣高[7]。

預(yù)制管廊的拼接目前主要采用縱向高強(qiáng)度鋼筋或鋼絞線進(jìn)行預(yù)應(yīng)力縱向加壓，利用臨時(shí)預(yù)應(yīng)力張拉控制拼縫寬度，鎖定預(yù)制管廊的初始定位，待張拉區(qū)間節(jié)段吊裝完畢后，進(jìn)行永久張拉力的施加。張拉操作在拼裝過(guò)程中起著關(guān)鍵作用，張拉力損失計(jì)算不足會(huì)導(dǎo)致管廊拼裝應(yīng)力不足，最終將直接導(dǎo)致拼接處防水構(gòu)造的失效；而張拉力損失計(jì)入過(guò)大則會(huì)在管廊結(jié)構(gòu)上加入過(guò)高的預(yù)壓力，對(duì)結(jié)構(gòu)造成不利影響。最終施加在預(yù)應(yīng)力綜合管廊結(jié)構(gòu)上的預(yù)應(yīng)力值為扣除各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失后的預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力值，即有效預(yù)應(yīng)力張拉值[8]。

3 管廊拼裝張拉力損失原因分析

裝配式綜合管廊拼裝施工，預(yù)應(yīng)力張拉作業(yè)可分為臨時(shí)預(yù)應(yīng)力張拉作業(yè)和永久預(yù)應(yīng)力張拉作業(yè)。永久張拉是在臨時(shí)張拉的基礎(chǔ)上進(jìn)行施加，張拉環(huán)境沒(méi)有改變，臨時(shí)張拉時(shí)摩阻損失即可反映張拉力損失的影響。臨時(shí)張拉可采用在管廊結(jié)構(gòu)上設(shè)置臨時(shí)張拉裝置，布置精軋螺紋鋼筋施加預(yù)應(yīng)力；也可采用管廊上永久張拉使用的鋼絞線穿孔進(jìn)行張拉。臨時(shí)預(yù)應(yīng)力張拉作業(yè)主要作用是在于縮小拼裝節(jié)段與固定節(jié)段之間的間距，并對(duì)拼裝節(jié)段的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，利用張拉作業(yè)對(duì)拼裝管廊進(jìn)行臨時(shí)固定并進(jìn)行防水工程的施工作業(yè)。因此施工過(guò)程中，張拉力的施加將極大地影響到防水施工的有效性。

與橋梁預(yù)應(yīng)力張拉類似，鋼絞線或鋼筋的預(yù)應(yīng)力損失與預(yù)應(yīng)力管道的摩擦阻力損失、預(yù)應(yīng)力管道材料特性、預(yù)應(yīng)力鋼筋布束以及張拉作業(yè)工藝等有關(guān)，相差較大，最大可達(dá)45%[9]。但此類應(yīng)力損失可通過(guò)單塊成品張拉測(cè)試，或制作測(cè)試試件進(jìn)行測(cè)量。因拼裝時(shí)的滑移摩擦阻力需要進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量，本次僅對(duì)拼裝摩阻試驗(yàn)進(jìn)行研究。

4 管廊拼裝摩阻試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)背景及試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

試驗(yàn)依托長(zhǎng)沙市湘府路及北京新機(jī)場(chǎng)線試驗(yàn)管廊工程，對(duì)試制的綜合管廊分別進(jìn)行拼裝滑移摩阻試驗(yàn)。

(1)長(zhǎng)沙市湘府路綜合管廊為三艙結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)7.9 m、寬2 m、高3 m。每節(jié)綜合管廊混凝土方量為15 m3，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40，每節(jié)綜合管廊重40 t。結(jié)構(gòu)立面見(jiàn)圖1。

圖1 長(zhǎng)沙湘府路綜合管廊立面(單位：mm)

(2)北京新機(jī)場(chǎng)線試驗(yàn)綜合管廊為雙艙結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)7.45 m、寬2 m、高3.8 m，設(shè)計(jì)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C45。每節(jié)混凝土方量為17.9 m3，每節(jié)綜合管廊重45 t。結(jié)構(gòu)立面見(jiàn)圖2。

圖2 北京新機(jī)場(chǎng)線試驗(yàn)綜合管廊立面(單位：mm)

通過(guò)進(jìn)行兩節(jié)管廊臨時(shí)張拉拼裝試驗(yàn)，測(cè)量施工時(shí)管廊與地面滑動(dòng)摩擦力。摩阻測(cè)試的主要目的一是可以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)所取計(jì)算參數(shù)是否正確，防止計(jì)算計(jì)入的預(yù)應(yīng)力損失偏小，給預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)帶來(lái)安全隱患；二是通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，為日后的施工估算提供科學(xué)依據(jù)。

4.2 試驗(yàn)原理及試驗(yàn)方法

4.2.1 試驗(yàn)原理

裝配式綜合管廊構(gòu)件與滑動(dòng)層間的摩擦符合Amonton定律，摩擦系數(shù)可按式(1)進(jìn)行計(jì)算:

式中，F(xiàn)為靜摩擦力(kN)；f為靜摩擦系數(shù)；W為豎向荷載(kN)[10－11]。

按照該原理，進(jìn)行勻速滑動(dòng)時(shí)的張拉力測(cè)量即可計(jì)算出摩擦系數(shù)。

4.2.2 試驗(yàn)方法

(1)采用C35混凝土澆筑匹配管廊尺寸的水平拼裝臺(tái)座，在適當(dāng)位置預(yù)埋地錨。平臺(tái)表面抹面時(shí)需嚴(yán)格保證質(zhì)量，確保其平整度。

(2)準(zhǔn)備兩節(jié)已經(jīng)達(dá)到強(qiáng)度的預(yù)制管廊，先將其中一節(jié)管廊吊裝至預(yù)定位置，利用地錨等裝置將第一節(jié)管廊固定，避免管廊在張拉過(guò)程中發(fā)生滑移。

(3)在拼裝臺(tái)座的第二節(jié)管廊位置范圍內(nèi)，均勻撒上5 mm中砂作為滑動(dòng)層；將第二節(jié)管廊吊裝至距離第一節(jié)管廊500 mm處。

(4)將試驗(yàn)所需設(shè)備及工具按照試驗(yàn)方案調(diào)試完畢(見(jiàn)圖3及表1)。

圖3 試驗(yàn)設(shè)備安裝示意

表1 試驗(yàn)材料及設(shè)備明細(xì)

(5)用3臺(tái)千斤頂同時(shí)沿管廊縱向施壓，當(dāng)距第一塊管廊將近10 mm時(shí)，沿橫向調(diào)節(jié)管廊，使兩塊管廊軸線重合。

(6)采用千斤頂沿縱向緩慢施壓，使兩塊管廊準(zhǔn)確對(duì)位，中線對(duì)位誤差為±1 mm。在管廊對(duì)位的過(guò)程中，記錄管廊勻速緩慢移動(dòng)時(shí)所需千斤頂?shù)暮狭χ?，作為管廊在施加預(yù)應(yīng)力時(shí)的摩阻力來(lái)計(jì)算預(yù)應(yīng)力的附加值。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)湘府路綜合管廊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)管廊底部的1～3號(hào)千斤頂張拉至106 kN、57.5 kN、64.4 kN時(shí)，管廊勻速移動(dòng)。計(jì)算得出摩擦系數(shù)為:

(2)新機(jī)場(chǎng)線綜合管廊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在長(zhǎng)沙湘府路綜合管廊試驗(yàn)基礎(chǔ)上，為了避免試驗(yàn)結(jié)果誤差，試驗(yàn)過(guò)程中分別進(jìn)行了五次滑移摩阻試驗(yàn)，并記錄了五組數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2及圖4。

表2 新機(jī)場(chǎng)線綜合管廊試驗(yàn)數(shù)據(jù) kN

圖4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)勻速施加的合拉力取平均值，得到F＝274.72 kN，計(jì)算得出摩擦系數(shù)為:

f＝F÷W＝274.72÷(45×10)＝0.610 5

(3)結(jié)果分析

根據(jù)文獻(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，5 mm厚的中砂摩擦系數(shù)約為0.45[11]。因此，得出的預(yù)制混凝土管廊與鋪設(shè)砂層的混凝土平臺(tái)間的摩擦因數(shù)在0.6左右較為合理。

5 摩擦阻力控制措施

通過(guò)張拉過(guò)程中砂層地面與管廊之間的摩阻試驗(yàn)，實(shí)測(cè)張拉過(guò)程中摩擦系數(shù)在0.6左右。本項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果可為張拉計(jì)算時(shí)預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算提供依據(jù)，在臨時(shí)張拉和永久預(yù)應(yīng)力張拉施工時(shí)提供數(shù)據(jù)支持。

因砂層地面摩擦系數(shù)較大，在實(shí)際拼裝張拉過(guò)程中應(yīng)采取有效措施，在保證管廊拼裝正常進(jìn)行的前提下對(duì)承載面進(jìn)行潤(rùn)滑處理，降低地面摩擦力；也可采用有效措施進(jìn)行懸空拼裝，永久張拉作業(yè)結(jié)束后對(duì)管廊和墊層之間的間隙進(jìn)行后期灌漿處理，應(yīng)控制間隙灌漿的密實(shí)度[12]。

6 結(jié)束語(yǔ)

裝配式綜合管廊受其造價(jià)和施工難度的影響，在我國(guó)管廊施工中的應(yīng)用還處于起步階段，隨著裝配式建筑在國(guó)內(nèi)建筑市場(chǎng)的大規(guī)模推廣應(yīng)用，針對(duì)管廊施工的研究也將越來(lái)越完善。本文通過(guò)分析管廊拼裝過(guò)程及其影響因素，找出管廊拼裝時(shí)的張拉力損失原因即拼裝時(shí)的滑移摩擦阻力，設(shè)計(jì)出滑移摩擦阻力的試驗(yàn)方法，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析和驗(yàn)證，提出控制摩擦阻力的有效措施，為裝配式綜合管廊的應(yīng)用提供理論依據(jù)。