劉 毅

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290)

目前我國(guó)港口工程中的管線(xiàn)主要采用直埋方式敷設(shè)，雖然這種敷設(shè)方式設(shè)計(jì)方案成熟、施工簡(jiǎn)單、投資小，但管線(xiàn)的直埋方法存在明顯的弊端，主要缺點(diǎn)有：1)不利于發(fā)現(xiàn)管線(xiàn)的損壞，由于直埋式管線(xiàn)檢測(cè)儀器的局限，不容易及時(shí)發(fā)現(xiàn)管線(xiàn)破裂，導(dǎo)致延誤最佳維修時(shí)機(jī)，造成一定的損失和惡劣影響；2)維修或更換管線(xiàn)的成本高；3)管線(xiàn)敷設(shè)和維護(hù)均需要進(jìn)行開(kāi)挖，影響場(chǎng)地使用，也可能對(duì)相鄰管線(xiàn)造成破壞[1-2]。

廣州港南沙四期工程是大灣區(qū)首個(gè)全自動(dòng)化集裝箱碼頭，為解決上述港區(qū)管線(xiàn)直埋的弊端，該工程借鑒城市綜合管廊的設(shè)計(jì)思路，共建設(shè)約3.7 km綜合管溝，同時(shí)將電氣、給排水、通信等管線(xiàn)納入其中，解決了上述管線(xiàn)直埋敷設(shè)的問(wèn)題。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，對(duì)綜合管溝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的工程地質(zhì)可劃分為4層，分別為：

1)處理后的淤泥：包括原狀淤泥吹填的疏浚土，已采用真空預(yù)壓進(jìn)行地基加固，平均厚度約13 m。

2)黏土：厚度在0.4～8.3 m之間變化，濕、中等-硬、切面稍光滑、黏性較好，以黏性土為主，局部混少量細(xì)砂。

3)黏土-粉質(zhì)黏土：厚度在0.4～7.0 m之間變化，灰白色、黃褐色、飽和、中等-硬、稍具黏性，局部含鐵質(zhì)膠結(jié)碎塊及較多細(xì)砂。

4)黏土：厚度在0.5～12.8 m之間變化，灰色、濕、中等、以黏土為主、切面較光滑、黏性較好，局部夾薄層細(xì)砂。

1.2 設(shè)計(jì)水位

本項(xiàng)目原地形為海域，采用吹填成陸的方式形成陸域，并進(jìn)行地基處理。成陸后地下水主要受海水補(bǔ)給，因此地下水位參照海水潮位進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)水位采用以下數(shù)值：設(shè)計(jì)高水位(高潮10%)：3.24 m；設(shè)計(jì)低水位(低潮90%)：0.53 m；極端高水位(50 a一遇)：4.57 m；極端低水位(50 a一遇)：-0.10 m。

1.3 地震烈度

本項(xiàng)目場(chǎng)地處于地震基本烈度Ⅶ度區(qū)，地震動(dòng)峰值加速度為0.10g。

2 設(shè)計(jì)荷載

1)龍門(mén)吊。龍門(mén)吊跨距31 m(帶單側(cè)外伸懸臂，軌距內(nèi)跨10排箱)，4個(gè)輪/腿，輪距1.05/1.35 m，基距17 m。設(shè)計(jì)荷載按工作狀態(tài)考慮，最大輪壓370 kN，下設(shè)鋼軌(明軌)。

2)集裝箱正面吊運(yùn)車(chē)。正面吊運(yùn)車(chē)設(shè)計(jì)荷載按空載考慮，前軸輪壓100 kN/輪，后軸輪壓200 kN/輪；前輪每個(gè)輪胎接地面積46 cm×22 cm，后輪每個(gè)輪胎接地面積46 cm×43 cm。

3)無(wú)人駕駛集卡。按工作狀態(tài)考慮，無(wú)交互作業(yè)時(shí)最大輪壓125 kN，接地面積約1 312 cm2。

4)集裝箱牽引半掛車(chē)。滿(mǎn)載時(shí)前輪輪壓20 kN/輪，后輪輪壓70 k N/輪。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

與城市綜合管廊相比，港口工程中的綜合管溝主要具有以下特點(diǎn)[3]：1)容納管線(xiàn)數(shù)量相對(duì)較少，單艙管溝足以容納。2)港口工程運(yùn)營(yíng)情況復(fù)雜，綜合管溝下穿多個(gè)不同區(qū)域，其上的設(shè)計(jì)荷載也各不相同。在港口中，管溝需下穿龍門(mén)吊軌道梁，鋼軌傳遞的上部荷載極大；港區(qū)道路上行走的是無(wú)人駕駛集卡和集裝箱正面吊運(yùn)車(chē)，其路面荷載遠(yuǎn)大于城市道路。3)與城市綜合管廊主要沿道路敷設(shè)不同，港口綜合管溝主要穿越港區(qū)堆場(chǎng)，可結(jié)合堆場(chǎng)區(qū)的平面布置設(shè)置不同的結(jié)構(gòu)形式。4)城市綜合管廊一般沿線(xiàn)200 m左右設(shè)置管線(xiàn)交互節(jié)點(diǎn)，港口綜合管溝由于與外部電纜溝、變電房、消防栓等用水、用電設(shè)施交互頻繁，節(jié)點(diǎn)密集。

根據(jù)以上特點(diǎn)，結(jié)合港口堆場(chǎng)布置，綜合管溝沿道路側(cè)邊布置，沿線(xiàn)穿過(guò)港區(qū)道路、堆場(chǎng)側(cè)邊空地和軌道梁，因此分為暗埋段、蓋板段和軌下段3種主要的結(jié)構(gòu)形式，見(jiàn)圖1。1)暗埋段：為綜合管溝的最主要斷面形式，主要位于需下穿港區(qū)道路、碼頭前沿作業(yè)、堆場(chǎng)以及其他需暗埋的區(qū)域。2)蓋板段：主要位于堆場(chǎng)區(qū)，由于港區(qū)道路轉(zhuǎn)彎半徑的要求，在每塊堆場(chǎng)的兩端存在一塊空地，不堆置集裝箱，也無(wú)車(chē)輛通行要求，屬于未被利用的區(qū)域。為充分利用港區(qū)土地，在綜合管溝穿過(guò)此區(qū)域時(shí)，將管溝上沿抬高伸出地面，在頂部設(shè)置1 m寬的開(kāi)口，并用鋼蓋板進(jìn)行封蓋。蓋板段沿綜合管溝延伸方向布置，布置間距約30～60 m，長(zhǎng)度約13 m。在管溝內(nèi)管線(xiàn)安裝施工期間，蓋板段可作為施工人員出入的通道，水管和電纜線(xiàn)都可通過(guò)此處下料安裝；在管溝運(yùn)營(yíng)期間，通過(guò)打開(kāi)鋼蓋板可以起到供檢修出入、通風(fēng)、采光照明等作用。3)軌下段：主要位于龍門(mén)吊軌道梁下方，其頂部兼做軌道基礎(chǔ)，上部直接承載龍門(mén)吊鋼軌。

圖1 綜合管溝沿線(xiàn)結(jié)構(gòu)形式

3.2 暗埋段設(shè)計(jì)

為減小土方開(kāi)挖和配合蓋板段，本項(xiàng)目管溝不宜深埋，因此覆土厚度較小，下穿道路時(shí)上部直接與路面結(jié)構(gòu)相接，直接承受上部路面荷載。經(jīng)研究分析，路面荷載以正面吊運(yùn)車(chē)后輪壓荷載最大，以此作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載輸入條件。暗埋段結(jié)構(gòu)斷面見(jiàn)圖2，采用現(xiàn)澆C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)部尺寸寬2 m，高2.35 m。管溝側(cè)墻厚度30 cm，底板和頂部厚度均為40 cm，為提高抗浮能力和減小基底壓力，底板兩側(cè)外挑40 cm。由于基底所在持力層為真空預(yù)壓處理后的吹填淤泥，地基承載力尚有欠缺，因此在采用底板外挑措施以外，底部還設(shè)置C15素混凝土墊層和60 cm厚碎石墊層。

圖2 暗埋段結(jié)構(gòu)斷面

3.3 蓋板段設(shè)計(jì)

蓋板段主要位于堆場(chǎng)邊緣，距離最近的箱腳梁基礎(chǔ)邊緣約4.4 m，按土壓力理論，箱腳梁荷載對(duì)管溝結(jié)構(gòu)影響較小。管溝頂部為防止雨水倒灌，頂板伸出地面30 cm高度，車(chē)輛無(wú)法通行，管溝上部和鋼蓋板僅考慮人行荷載，因此蓋板整體所受荷載較小。蓋板段結(jié)構(gòu)斷面見(jiàn)圖3，采用現(xiàn)澆C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)部尺寸寬2 m，高2.35 m。管溝底板厚40 cm，側(cè)墻和頂板厚30 cm，頂部設(shè)1 m寬條帶式開(kāi)口，采用鋼蓋板封閉，底部設(shè)置C15素混凝土墊層和40 cm厚碎石墊層。

圖3 蓋板段結(jié)構(gòu)斷面

3.4 軌下段設(shè)計(jì)

軌下段位于堆場(chǎng)區(qū)龍門(mén)吊軌道梁下方，龍門(mén)吊在臺(tái)風(fēng)期間最大輪壓將達(dá)到485 kN，但臺(tái)風(fēng)期間龍門(mén)吊應(yīng)鎖定，且需避開(kāi)綜合管溝下穿的位置，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)反饋相關(guān)專(zhuān)業(yè)考慮。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)以正常工作狀態(tài)輪壓作為荷載輸入條件，考慮頂部鋼軌的分?jǐn)偤奢d作用，進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可將單腿4輪荷載轉(zhuǎn)化為均布荷載作用于箱涵頂部考慮。軌下段結(jié)構(gòu)斷面見(jiàn)圖4，采用現(xiàn)澆C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部尺寸與暗埋段相同，底板厚度為40 cm，頂板厚度約58 cm，側(cè)墻厚度30 cm，底部設(shè)置C15素混凝土墊層和30 cm厚碎石墊層，地基采用水泥攪拌樁復(fù)合地基，頂部設(shè)置軌道扣件螺栓預(yù)留鉆孔，用于鋪設(shè)鋼軌。

圖4 軌下段結(jié)構(gòu)斷面

3.5 交互節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

港口綜合管溝中水電管線(xiàn)與溝外的用水、用電設(shè)備交互頻繁，因此沿線(xiàn)需設(shè)置大量的管線(xiàn)交互節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的位置主要根據(jù)堆場(chǎng)內(nèi)電纜溝、用電設(shè)備、消防設(shè)施等進(jìn)行布置，間距約30～80 m。節(jié)點(diǎn)主要設(shè)置于暗埋段，結(jié)構(gòu)平面形式見(jiàn)圖5a)，在暗埋段標(biāo)準(zhǔn)斷面的基礎(chǔ)上，兩側(cè)溝壁逐漸外擴(kuò)1.3 m，在增擴(kuò)空間中，管線(xiàn)分散從不同的套管中穿過(guò)管溝外墻。節(jié)點(diǎn)中部在原外墻位置設(shè)置鋼立柱，用于安裝管線(xiàn)托架，因此節(jié)點(diǎn)中部區(qū)域管線(xiàn)、托架布置斷面與標(biāo)準(zhǔn)段相同，其結(jié)構(gòu)斷面形式見(jiàn)圖5b)。部分出線(xiàn)口臨近軌道梁，存在軌道梁橫跨節(jié)點(diǎn)的情況。由于鋼軌傳遞的荷載較大，因此對(duì)軌道梁下方的節(jié)點(diǎn)區(qū)段采用3艙箱涵結(jié)構(gòu)，中間設(shè)置300 mm厚的立柱墻，對(duì)頂、底板起支撐作用，中間孔的尺寸與暗埋段相同，管線(xiàn)托架的布置也與之相同，兩側(cè)孔洞寬度1 m，其結(jié)構(gòu)斷面形式見(jiàn)圖5c)。由于其位于軌道下方，管溝壁外側(cè)即為軌道梁基礎(chǔ)，不存在管線(xiàn)進(jìn)出的要求，因此立柱墻的設(shè)置并不影響節(jié)點(diǎn)的管線(xiàn)交互功能。

圖5 交互節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.6 防水設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目位于海邊，地下水由海水直接補(bǔ)給，盡管地基為真空預(yù)壓處理后的淤泥，屬于弱透水層，但表層存在約1.5 m厚用于提高地面承載力的砂墊層，因此管溝受地下水影響較大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中仍需重點(diǎn)考慮結(jié)構(gòu)防水。與城市綜合管廊不同，港區(qū)綜合管溝容納的管線(xiàn)數(shù)量有限，其巡查、檢修頻率遠(yuǎn)低于城市管廊，根據(jù)GB 50108—2008《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》，適用范圍為人員臨時(shí)活動(dòng)的場(chǎng)所，防水等級(jí)可按三級(jí)考慮(城市綜合管廊防水等級(jí)二級(jí))。因此本項(xiàng)目管溝主體結(jié)構(gòu)采用防水混凝土，施工縫采用鋼板止水帶，變形縫采用中埋式橡膠止水帶，施工縫和變形縫外側(cè)均額外設(shè)置一層外貼式防水卷材加強(qiáng)層，防水構(gòu)造見(jiàn)圖6。

圖6 防水構(gòu)造

3.7 排水設(shè)計(jì)

管溝中的水主要來(lái)源于大氣降水時(shí)從蓋板段鋼蓋板縫隙間以及管溝側(cè)壁的滲漏水，水量不大，但為防止日積月累，仍需設(shè)置專(zhuān)門(mén)的排水系統(tǒng)將管溝內(nèi)積水排出。為了與管溝外部直埋的管線(xiàn)配合，港區(qū)內(nèi)場(chǎng)地與管溝高程一致，無(wú)法通過(guò)管溝自身坡度排水。因此，在管溝中采用水泥砂漿找坡，在橫斷面上，按0.5%坡度向一側(cè)匯水，并在坡底設(shè)置寬0.2 m、深0.1 m的排水溝。在縱斷面上，沿管溝每100 m設(shè)置1個(gè)坡頂點(diǎn)，向兩側(cè)按0.5%的坡度找坡，在坡底設(shè)置集水坑，并安裝自啟動(dòng)抽水泵，將積水抽排至管溝附近的雨水管中。

3.8 地基設(shè)計(jì)

管溝的地基主要為真空預(yù)壓處理后的淤泥，地基承載力約70～80 kPa，滿(mǎn)足蓋板段的地基承載力要求，但對(duì)于暗埋段和軌下段承載力均不足。其中暗埋段主要下穿道路，上部承受路面荷載，地基處理方案可考慮2種不同的思路：一是對(duì)地基本身進(jìn)行加固，采用水泥攪拌樁形成復(fù)合地基，提高地基的承載力；二是采用底板外挑的形式，增加基礎(chǔ)下方的換填墊層厚度，減小淤泥表面所受荷載。方案1可有效提升地基強(qiáng)度，但同時(shí)也會(huì)大幅度提高地基剛度，但由于港區(qū)道路均采用天然地基，如果橫穿道路的綜合管溝采用復(fù)合地基，運(yùn)營(yíng)期間兩者在受同樣使用荷載的情況下，必然產(chǎn)生較大的差異沉降，影響道路使用。因此本項(xiàng)目采用第2種處理方式，經(jīng)造價(jià)對(duì)比，方案2也更具有經(jīng)濟(jì)性。

軌下段的上部荷載較大，無(wú)法采用方案2的處理方式，與之相連的軌道梁地基采用攪拌樁復(fù)合地基。采用復(fù)合地基的軌下段與采用天然地基的暗埋段地基剛度不等，造成兩者之間的差異沉降較大。為解決此問(wèn)題，延軌下段向兩側(cè)的暗埋段采用漸變式的復(fù)合地基過(guò)渡，復(fù)合地基的置換率不變，樁長(zhǎng)逐漸縮短，直至過(guò)渡至天然地基，過(guò)渡形式見(jiàn)圖7。

圖7 軌下段復(fù)合地基漸變式過(guò)渡

4 施工方法

由于綜合管溝的基槽開(kāi)挖深度較淺，采用明挖施工最為合適，施工方法主要考慮主體結(jié)構(gòu)的施工方式，進(jìn)行現(xiàn)澆施工和預(yù)制裝配施工的比選。

現(xiàn)澆施工作為傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工工藝，具有非常明顯的優(yōu)缺點(diǎn)：1)鋼筋綁扎、混凝土澆筑均在現(xiàn)場(chǎng)完成，整體性較好；2)設(shè)計(jì)、施工到維護(hù)全過(guò)程經(jīng)驗(yàn)成熟，規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)齊全；3)現(xiàn)澆施工需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行混凝土養(yǎng)護(hù)，所需時(shí)間較長(zhǎng)。

預(yù)制安裝施工作為新發(fā)展起來(lái)的施工工藝，主要特點(diǎn)是：1)主體結(jié)構(gòu)在預(yù)制廠(chǎng)完成，成品質(zhì)量較好；2)在場(chǎng)外預(yù)制，場(chǎng)內(nèi)安裝，施工速度仍比現(xiàn)澆施工快速；3)需額外考慮預(yù)制工廠(chǎng)和堆放場(chǎng)地；4)單個(gè)管節(jié)長(zhǎng)度較短，接縫多，接縫處的防水受不均勻沉降的影響較大。

結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況，對(duì)上述2種施工方法進(jìn)行了比選。首先，港區(qū)地基為真空預(yù)壓處理后的淤泥，之后存在次固結(jié)沉降，用現(xiàn)澆工藝可一次性澆筑長(zhǎng)段管節(jié)，減少變形縫的數(shù)量，減少漏水的可能性。其次，綜合管溝的交互節(jié)點(diǎn)較多，且不規(guī)則，需要預(yù)埋大量的穿墻套管，各節(jié)點(diǎn)套管數(shù)量也不一致，難以采用預(yù)制安裝施工，只能采用現(xiàn)澆施工。最后，現(xiàn)場(chǎng)用地緊張，缺少預(yù)制構(gòu)件堆放場(chǎng)地，如堆放較遠(yuǎn)，將額外增加工程費(fèi)用。綜上對(duì)比，最終采用了較成熟的現(xiàn)澆工藝施工。

5 結(jié)語(yǔ)

1)港口工程中采用綜合管溝容納給排水、電氣、通信等管線(xiàn)，通過(guò)整體淺埋的方式，并結(jié)合堆場(chǎng)布置沿線(xiàn)設(shè)置蓋板段，可以解決人員出入、投料、通風(fēng)、照明等問(wèn)題，能充分利用港區(qū)土地，節(jié)省造價(jià)。

2)自動(dòng)化碼頭中，綜合管溝需要下穿軌道梁、道路、堆場(chǎng)等區(qū)域，軌道梁荷載較大，堆場(chǎng)荷載較小，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮沿線(xiàn)荷載的差異，采用外挑底板、換填、復(fù)合地基及過(guò)渡段等方式，減少不均勻沉降。

3)管溝內(nèi)管線(xiàn)與外界交互頻繁，管溝沿線(xiàn)節(jié)點(diǎn)較多，其形狀不規(guī)則，側(cè)壁預(yù)留穿墻套管的位置也不一樣，適合采用現(xiàn)澆施工，或結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)采用節(jié)點(diǎn)段現(xiàn)澆，標(biāo)準(zhǔn)段預(yù)制安裝的施工方法。

4)由于蓋板段的設(shè)置和管溝防水等級(jí)的降低，管溝內(nèi)必然會(huì)滲水積水，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮匯集積水，并結(jié)合港區(qū)給排水設(shè)計(jì)將溝內(nèi)積水排出溝外。