黃國雄
(福州市規(guī)劃設計研究院集團有限公司 福建福州 350100)
城市地下綜合管廊,是我國城區(qū)市政基建中的一個重要項目,地下綜合管廊的建設正得到快速發(fā)展與應用;對綜合管廊結(jié)構(gòu)設計、受力性能、施工方法及防水要求的相關研究與實踐也越來越豐富[1]。目前,國內(nèi)對管廊的研究主要集中在現(xiàn)澆和整體式預制管廊的受力性能與抗震性能,如胡翔等依照2010年上海世博綜合管廊為研究原型,制作接足尺模型,研究其受力性能[2-3];湯愛平等設計了地下綜合管廊結(jié)構(gòu)的振動臺試驗模型,探討了綜合管廊整體在均勻場地中的地震反應特點[4];彭真等研究多艙綜合管廊破壞機制、承載力和變形能力等受力特性,將某綜合管廊工程為原型,開展多艙管廊豎向單調(diào)靜力原尺試驗[5-6]。
由于地下結(jié)構(gòu)所處場地環(huán)境、交通狀況、地質(zhì)水文條件不同,各地的管廊建設也存在不同特點。本文結(jié)合福建沿海工程中管廊的建設情況,對預制管廊的方案進行比選,探索沿海地區(qū)綜合管廊建設的合理有效方案,提出性能良好的暗柱疊合裝配式綜合管廊方案。通過結(jié)構(gòu)構(gòu)造設計優(yōu)化、數(shù)值理論分析、實驗室足尺模型試驗以及現(xiàn)場足尺試驗等方面的具體工作,驗證設計方案的可行性,對今后沿海地區(qū)的地下綜合管廊設計與建設提供借鑒作用。
本工程依托沿海地區(qū)福州市的福馬路管廊項目,全長約5.1 km,為單艙斷面,結(jié)構(gòu)如圖1所示。擬建場地位于福州市馬尾區(qū),地勢較平坦,地貌單元為沖淤積平原地貌單元,地層從上往下有雜填土、粘土、淤泥、粉質(zhì)粘土、卵石、全風化花崗巖、砂土狀強風化花崗巖。擬建場地位于閩江流域,地表水補給主要受大氣降水和生活用水補給,也受閩江漲落潮的影響,主要河流的歷史最高水位標高約為6.00 m。擬建場地上層滯水水位的年變化幅度一般在1.5m左右,場地近3~5年最高地下水位埋深為0.50 m,歷年地下水最高水位標高約為6.00 m。其它含水層地下水對工程影響較小。
圖1 綜合管廊標準橫斷面圖
綜合管廊在道路標準段布置于非機動車道和人行道下,常規(guī)段綜合管廊覆土厚度約3 m,管廊原設計采用現(xiàn)澆方案。抗震設防烈度為7度,設計基本地震加速度值為0.10 g,屬設計地震第三組。
現(xiàn)澆管廊方案已在工程建設中得到較好的應用,適用性較好,但是存在現(xiàn)場工作強度大,施工時間長等常見問題。該項目預留20 m標準段用于裝配式管廊試驗研究,探索裝配式管廊方案在沿海軟弱地層地區(qū)建設中的實際效果。目前國內(nèi)常見的管廊預制方案有分節(jié)段工廠整體預制、工廠部分預制現(xiàn)場裝配式方案。
本工程原設計為現(xiàn)澆方案。為探索一種更加適用于沿海地區(qū)的管廊施工工藝,該項目預留20 m標準段用于管廊工藝研究,目前常用的管廊施工工藝有現(xiàn)澆、預制拼裝、疊合裝配式及暗挖法。各種施工方法優(yōu)缺點不一,明挖現(xiàn)澆法造價最低,但現(xiàn)場施工時間較長;預制拼裝現(xiàn)場施工速度較快,造價略高于現(xiàn)澆,現(xiàn)場需要需要大型設備吊裝;疊合拼裝法,施工速度快,現(xiàn)場無需大型設備,規(guī)模體量大時,造價比現(xiàn)場預制拼裝略高;暗挖法對現(xiàn)場影響程度較小,但造價最高。
本工程為104國道提升改造項目,分為主輔路型式,主線是連接福州市區(qū)與馬尾區(qū)的重要客貨集疏運通道,承擔大量的過境交通。管廊結(jié)構(gòu)設置于輔道下面,管廊基坑處于淤泥層范圍,采用分節(jié)預制方案的現(xiàn)場可實施性小;而淺埋暗挖、頂管法以及盾構(gòu)法等,由于現(xiàn)場試驗場地受限,無法進行深入研究。因此本文對疊合裝配式管廊進行研究,并提出一種適合沿海地區(qū)的暗柱疊合裝配式管廊方案。
國內(nèi)一些學者和工程項目也已開始裝配式管廊的研究與建設。工程實踐上,長沙市高新區(qū)已經(jīng)進行了裝配式管廊的建設,湖南省也編制了相應的裝配式管廊地方技術標準。在通過調(diào)研國內(nèi)其他地區(qū)裝配式管廊建設方案和經(jīng)驗的基礎上,提出了適用于福建沿海軟土地區(qū)的相關裝配式管廊改進方案。
(1)以往裝配式管廊側(cè)墻空腔內(nèi),布置有眾多桁架鋼筋,現(xiàn)場澆筑困難,振搗密實不易保證,管廊結(jié)構(gòu)高度越大,這種現(xiàn)象越明顯。因此優(yōu)化采用內(nèi)帶暗柱的預制疊合側(cè)墻,暗柱能夠保證側(cè)墻吊裝、現(xiàn)場施工時候具有足夠剛度,內(nèi)、外預制層不發(fā)生相對位移,施工完成后結(jié)構(gòu)的尺寸較好滿足驗收標準。側(cè)墻結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖2 帶暗柱式預制側(cè)墻板示意圖
(2)管廊內(nèi)側(cè)墻需設置后期安裝時的支架構(gòu)件?,F(xiàn)澆管廊結(jié)構(gòu)通常直接在施工澆筑時預埋連接鋼筋和槽型支架,裝配式管廊多采用在預制板上預留螺栓孔后期連接。采用疊合板后,側(cè)墻內(nèi)層板厚一般比較小,設置預埋件容易穿透板,對施工控制要求高。該項目優(yōu)化方案后,結(jié)合暗柱的設置間距,將支架槽預埋在暗柱部位,在工廠內(nèi)一并預制,既滿足預埋構(gòu)件的穩(wěn)定性,又使現(xiàn)場施工難度減小,效果良好。側(cè)墻構(gòu)造及節(jié)段連接平面投影如圖3所示。
圖3 側(cè)墻平面投影圖
(3)裝配式結(jié)構(gòu)為方便工廠預制及運輸,常常不設置倒角加腋,通過國內(nèi)大量的學者試驗與研究,腋角可以大大提高管廊結(jié)構(gòu)的極限承載力。因此,本項目的裝配式結(jié)構(gòu)參照現(xiàn)澆管廊的做法,保留腋角。對裝配式管廊結(jié)構(gòu)進行構(gòu)件分解為雙面?zhèn)劝?、頂板下層板、底板上層板,其余部位待現(xiàn)場安裝后進行現(xiàn)場澆筑。工廠預組裝如圖4所示。
圖4 管廊預制裝配安裝圖
采用MIDAS NX 2020分析軟件建立縱向一延米鋼筋混凝土閉合框架模型計算。模型和單元編號圖如圖5所示。模型共有40個節(jié)點,40個單元。底板和側(cè)墻支承采用彈性地基梁,地基系數(shù)取20 000 kN/m。分別對無水工況和有水工況的計算結(jié)果進行包絡,得到不同荷載組合下的彎矩包絡圖如圖6~圖7所示。選取管廊受力不利的節(jié)點抗彎、抗剪及裂縫驗算如表1所示。
圖5 標準段計算模型及編號圖
圖7 正常使用極限狀態(tài)彎矩包絡圖(單位:kN·m)
表1 管廊抗彎、抗剪及裂縫驗算
由以上計算可知,設計埋深4m的綜合管廊標準段結(jié)構(gòu)及配筋驗算均滿足要求。
在預制構(gòu)件工廠內(nèi)制作完成等比例尺的試驗模型,在各個預制裝配構(gòu)件完成蒸汽養(yǎng)護后,進行吊裝及拼裝,再安裝并綁扎現(xiàn)場鋼筋,最后進行澆筑C40混凝土,并養(yǎng)護28 d。
綜合管廊在使用過程中,頂板受均布荷載,管廊兩側(cè)墻受自上而下逐漸增大的面荷載,底板受不均勻分布的荷載。加載以彎矩分布相似原則,確定等效集中力的作用位置。管廊荷載計算簡圖及加載分別如圖8~圖10所示。
試驗表明,在加載前期,管廊整體變形處于彈性階段。隨著荷載的增大,裂縫數(shù)量及裂縫寬度開始增加,整體構(gòu)件進入屈服階段。側(cè)墻跨中位移增長較快,側(cè)墻底部、頂部以及頂、底板側(cè)邊的數(shù)量逐漸增多,裂縫開展分布較為均勻。在屈服階段中期,頂、底板跨中裂縫緩慢開展。隨著側(cè)墻底部負彎矩的增大,該位置的新、舊混凝土疊合面在彎矩作用下,疊合面剪力達到臨界值,裂縫沿著疊合面局部開展;隨著荷載的增大,內(nèi)側(cè)疊合面裂縫也逐漸增大,新、舊混凝土在該部位相互脫開。在試驗未發(fā)生破壞前,整體變形以彎曲為主;最終破壞形態(tài)為:由于疊合面失效導致的脆性剪切破壞。裂縫分布圖如圖11所示。
圖8 管廊計算簡圖
圖9 試驗加載布置圖
圖10 足尺加載裝置
(a)厚度方向破壞形態(tài) (b)背水側(cè)破壞形態(tài)圖11 疊合式管廊加載裂縫分布圖
荷載換算后,對設計進行分析,表明新型裝配疊合式綜合管廊滿足正常使用狀態(tài)下的裂縫寬度、承載力極限狀態(tài)的設計要求,管廊具備一定的安全儲備。
(1)基坑開挖支護后,澆筑管廊基礎墊層混凝土并施作底板防水層,然后將裝配式預制構(gòu)件運至現(xiàn)場。
(2)在墊層混凝土上進行管廊定位標志,將底板構(gòu)件吊入基坑,就位后進行底板調(diào)平及混凝土保護層墊塊安放。
(3)對側(cè)墻進行吊裝安裝,并架立斜支撐。
(4)鋪設滿堂支撐,并吊裝頂板,如圖12所示。
(5)綁扎預制鋼筋,澆筑混凝土。
(6)結(jié)構(gòu)外防水層施工,待混凝土強度達到要求后進行基坑回填、廊頂覆土及路基施工。
圖12 現(xiàn)場頂板安裝完照片
本試驗段裝配式管廊標準段為長2 m的預制節(jié)段,預制管廊節(jié)段側(cè)墻與側(cè)墻之間采用鋼筋籠拼接;頂板與頂板,底板與底板之間亦采用鋼筋拼接,鋼筋安裝完成后對剩余部分進行現(xiàn)場混凝土澆筑,詳細大樣如圖13所示。該方案對預制節(jié)段之間的連接方式進行了創(chuàng)新改進,防水性能基本接近于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu),現(xiàn)場已施工完的實體結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。
圖13 側(cè)墻拼縫防水處理大樣圖
本文以福馬路地下綜合管廊工程為工程依托,通過比選管廊施工工藝,進行裝配式管廊的足尺模型試驗及現(xiàn)場試驗安裝。主要得到以下結(jié)論:
(1)暗柱疊合裝配式地下綜合管廊在沿海軟土地質(zhì)區(qū)域的工程實踐是可行的。管廊的受力性能良好,滿足要求。
(2)帶暗柱的疊合板構(gòu)件,可以有效地增強構(gòu)件吊裝的穩(wěn)定性,以及現(xiàn)場安裝的可靠性。
(3)預制節(jié)段之間預留空腔,現(xiàn)場插鋼筋籠后再澆筑混凝土的方案,可以有效提高地下管廊預制構(gòu)件連接的防水抗?jié)B性能。
在本次試驗段中,管廊基底的20cm厚混凝土墊層采用現(xiàn)場澆筑,平整度控制有待提高,對上面管廊預制構(gòu)件安裝精度、速度以及底板外層鋼筋保護層調(diào)整有一定影響。在今后的研究和實踐中應考慮墊層混凝土預制化方案,或嚴格控制現(xiàn)澆平整度的措施。