燃氣閥門井結構優化及應用設計計算

俞 翔,陳振農,王偉棟,張國偉,相玉成,余建民

(1.杭州市城鄉建設設計院股份有限公司，浙江 杭州 310004;2.杭州市市政工程集團有限公司，浙江 杭州 310014;3.杭州市建設工程質量安全監督總站，浙江 杭州 310004;4.杭州建工建材有限公司，浙江 杭州 311107)

目前,杭州市燃氣行業使用的燃氣管道閥門檢查井均為磚砌結構,磚砌井是我國長期沿用的修建井室方式,盡管具有結構簡單、成本較低的優點,但“磚砌井”存在問題較多：由于它主要由黏土燒制的紅磚修建而成,容易出現縫隙間砂漿不密實現象。一般井體建成后的一兩年就易出現沉降、塌陷,造成路面不平,加之維修作業面大、施工周期長、綜合維護成本高等缺點,給車輛通行及市民出行帶來很大不便,也給市政管理維護部門造成很多困難。同時，普遍使用紅磚會造成大量取用消耗表土資源,浪費燃煤,不符合建設“節約型、環保型”社會的要求。與傳統的磚砌閥門檢查井相比,預制整體式鋼筋混凝土閥門檢查井具有資源消耗低、整體穩定性和抗滲漏性能好、可減少施工環境影響等諸多優點,特別是與近年來我國推進新型建筑工業化的指導思想相吻合。本文主要探討燃氣閥門井在杭州市現行市政道路下新建或改造燃氣閥門井的應用。

1 傳統磚砌閥門井設計計算

磚砌閥門井主要由鋼筋混凝土基礎底板、磚砌側壁、預制混凝土蓋板、復合纖維(或鑄鐵)井蓋組成,見圖1。

圖1 磚砌閥門井結構圖

鋼筋混凝土底板主要采用四邊簡支雙向板進行計算,地面荷載按20 kN/m2進行取值,底板配筋主要按地基反力計算工況和水浮力計算工況兩個最不利工況下計算所得。

磚砌側壁按受彎構件進行計算,須計算磚砌體受彎構件的受彎承載力及受剪承載力,計算公式詳見《砌體結構設計規范(GB 50003—2011)》第5.4.1、5.4.2條。

受彎構件承載力應滿足下式要求：

M≤ftmW；

受彎構件的受剪承載力應按下列公式計算：

V≤fVbz。

磚砌側壁承載力主要控制條件為磚砌材料及砂漿強度等級,主要通過砂漿與磚結構的粘結力承受水土側向壓力。側壁配筋計算工況主要按側向水土壓力工況設計,根據杭州當地的主要地質情況進行設計,被動土壓力系數按0.33取值,設計水位按地面以下-0.5 m取值。

預制混凝土蓋板也采用四邊簡支雙向板進行計算,地面活載按《城市橋梁設計規范(CJJ 11—2011)》中城-A級荷載取值,城-A級汽車荷載單輪最大輪壓100 kN,根據閥門井埋置深度不同,考慮土層對荷載的擴散作用,轉化成作用在井蓋頂面的等效荷載,最后以該荷載計算預制混凝土蓋板配筋。

磚砌閥門井基礎地基承載力計算通常按80 kPa進行設計,基底設置100 mm素混凝土墊層或設置300 mm碎石墊層。

根據磚砌閥門井的計算原理,傳統磚砌閥門井側壁部分強度僅靠砂漿與磚砌體的粘結強度承載側向水土壓力,造成了井體埋深越深井壁厚度越厚的情況,在長期地下水環境及車型荷載的持續作用下,井體本身存在較大安全隱患,防水效果也差,同時井體的占地面積增大,給道路施工同樣造成了麻煩；還為后期的運行維護人員維修或搶修閥門造成了操作不便,甚至危及人身安全。

2 鋼筋混凝土預制閥門井優化設計計算

鋼筋混凝土預制閥門井主要由預制鋼筋混凝土井室、預制鋼筋混凝土井蓋、預制鋼筋混凝土井筒調節塊、預制鋼筋混凝土井圈、防沉降鋼筋混凝土井座等組成。

預制鋼筋混凝土井室由側壁和底板兩部分做成,側壁按兩邊簡支,一邊自由,一邊固接的雙向板進行計算,底板按四邊簡支的雙向板進行計算。側壁配筋計算工況主要按側向水土壓力工況設計,根據杭州當地的主要地質情況進行設計,土體內摩擦角取Ф=20°,設計水位按地面以下0.5 m取值,地面荷載按20 kN/m2進行取值。底板配筋按基底凈反力工況、水浮力工況兩種工況計算。井室結構見圖2、圖3。

圖2 井室平面

圖3 井室斷面

預制鋼筋混凝土井蓋按四邊簡支雙向板進行計算,井蓋頂面荷載由覆土荷載及地面活荷載兩部分組成,地面活載可按《城市橋梁設計規范(CJJ 11—2011)》中城-A級荷載取值,城-A級汽車荷載單輪最大輪壓100 kN；同時考慮不同狀況下的車輪布置情況,根據閥門井埋置深度不同,考慮土層對荷載的擴散作用,從而轉化成作用在井蓋頂面的等效均布荷載,最后以該等效荷載計算預制混凝土蓋板配筋。閥門井蓋板結構見圖4和圖5。

圖4 閥門井蓋板平面

圖5 閥門井蓋板斷面

預制鋼筋混凝土井筒主要按環形受力構件進行計算,荷載取值同樣按《城市橋梁設計規范(CJJ 11—2011)》中城-A級荷載取值,城-A級汽車荷載單輪最大輪壓100 kN。作用在井筒周圍的水平荷載按豎向荷載的1/2折算。井筒在本次工程中的主要作用為調節閥門井埋深,實際用戶可根據閥門井埋深的不同,選擇不同種高度的井筒進行調節,既方便又快捷,本次工程中主要設計了高度100、150、350 mm三種不同規格的井筒。井筒調節塊見圖6、圖7，井圈見圖8、圖9。

圖6 井筒調節塊平面

圖7 井筒調節塊斷面

圖8 井圈平面圖

圖9 井圈斷面圖

防沉降鋼筋混凝土井座的設置主要結合了上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司于2016年9月設計的《杭州市城市道路檢查井蓋防沉降設計圖集》，當燃氣閥門井設置深度較深時，在未完成沉降的新建道路上新建燃氣閥門井時，在已完成沉降的道路上新建或改造閥門井時,在預制鋼筋混凝土井筒的上方設置防沉降井座。它的計算模型主要為四邊簡支的雙向板,荷載取值同樣按照《城市橋梁設計規范(CJJ 11—2011)》中城-A級荷載取值。它的作用機理為通過井座與市政道路基礎面的銜接,達到蓋板與道路共同沉降的目的,而并非為保證閥門井不發生沉降。同時,通過井座與預制井筒交接部位柔性防水耐腐蝕材料的設置,為道路及閥門井、均勻及不均勻沉降起到一定的緩沖及協同作用。防沉降鋼筋混凝土井座的具體設計依據參數及使用范圍可參見《杭州市城市道路檢查井蓋防沉降設計圖集》。

3 預制閥門井地基處理方式設計計算

預制閥門井基礎地基承載力計算主要根據目前杭州地區較為典型的地質情況進行設計。杭州地區較為普遍的地質情況是以淤泥質黏土及粉質黏土層為主,淤泥質黏土以城西區域更為突出,蕭山及大江東地區以砂質粉土、砂質黏土、粉質黏土等土質情況為主。

地基承載力的確定主要由幾部分的荷載組成：閥門井井本體(包括井壁、底板、井蓋、井圈),車行道車輛荷載。基底地基承載力計算依據《建筑地基基礎設計規范(GB 50007—2011)》中第5.2.1條和第5.2.2條確定。基礎底面的壓力,當軸心荷載作用時：

式中：Pk為相應于作用的標準組合時,基礎底面處的平均壓力值(kPa);

fa為修正后的地基承載力特征值；

Fk為相應于作用的標準組合時,上部結構傳至基礎頂面的豎向力值(kN);

Gk為基礎自重和基礎上的土重；

A為基礎底面面積。

考慮最大汽車荷載工況與最大覆土荷載工況不同時存在,預制閥門井基礎底面處的平均壓力值約為77 kPa。施工現場在基坑開挖至基底設計標高后應先對基底土層進行地基承載力檢測,檢測方式可采用淺層平板載荷等方式,檢測完成后根據不同的檢測結果分為以下三類地基處理方案：

1)地基承載力特征值fak≥100 kPa,可不進行地基處理。

2)地基承載力特征值100 kPa>fak≥70 kPa,須在井體底標高以下設置200 mm碎石墊層,后施工井體。

3)地基承載力特征值fak<70 kPa,須先進行地基處理,處理方法視具體情況而定。建議可采用開挖換填、拋石、松木樁等便于施工且速度較快的地基處理方案。

4 土方回填設計計算

在預制整體式鋼筋混凝土燃氣閥門井施工完成后,井室四周的回填土回填質量是閥門井運行期間與市政道路使用期間是否存在不均勻沉降的關鍵因素。故本次設計中對回填土的性質及回填壓實系數作了一定的要求。

回填要求采用優質的粉質黏土進行分層壓實回填,分層厚度≤300 mm,且回填壓實時應對稱均勻,壓實系數≥0.94。井座、井筒調節塊、井圈、成品檢查井蓋四周回填時,要求采用與道路基層相同的回填材料進行回填,壓實系數≥0.94。壓實過程中如遇場地受限等因素可采用人工夯實、振搗密實等方案。

5 預制閥門井在實際應用中的效果分析

傳統磚砌井結構的優點在于砌筑簡單,采購方便,施工周期極短,該種井體被廣泛用于市政道路工程各類地下構筑的原因也在于此。但傳統磚砌井也存在諸多的弊端,如側向抗水平力能力差,耐久性差,井體滲水等原因,在我國城市建設化進程的加快,城市主干道、快車道的加速建設,道路車輛的急劇增加的現狀下,城市道路下方的各類市政工程井體,發生了不同程度的破壞,給城市道路的美觀及各類市政單位的維護、搶修造成了極大的破壞。

傳統的鋼筋混凝土井結構優點在于井體承載能力強,耐久性好,防水防滲性能卓越,但施工周期長,少量的商品混凝土采購較為麻煩。同時在已有市政道路上,開挖作業閥門井會造成城市道路短暫的交通堵塞,對城市車輛運行造成了極大的困難,這也是鋼筋混凝土井在市政道路中未能全面推行的主要原因。

本次研制的預制閥門井有效地結合了兩者的優點,不僅滿足了閥門井在城市日益趨增的道路荷載的現狀下安全、穩定、持久運行的需求,而且也為在新建及改造城市道路下施工閥門井提供了更快捷、更有效、更規范的施工方法,為燃氣檢修運行單位提供了更安全方便的檢修空間,同時，也為建設美麗杭州起到了不可磨滅的作用。

6 結 語

本次研制的燃氣預制閥門井在杭州下沙14號路(23號大街至25號大街以西)中壓燃氣管道工程得到了實際應用,體現了整體式閥門井足夠的結構強度，足夠的抗滲防漏能力和良好的施工便利性,經試驗檢測表明,各項技術指標滿足技術要求。燃氣預制閥門井的研制成果,不僅為燃氣行業提供了更規范、更安全、更快捷的閥門井施工方案,同時，也為杭州市政各類企業對城市道路下各類井體的優化設計與施工起到了積極的作用。