預制裝配式混凝土綜合管廊施工工藝

何昌杰 陳緒林 彭億洲 劉世輝 楊鑫蕊 溫利軍 陳 昊 楊才千

1. 中建五局第三建設有限公司 湖南 長沙 410004；2. 湘潭大學土木工程與力學學院 湖南 湘潭 411105

綜合管廊也叫綜合管溝、共同管道或共同溝[1]，即在城市地下將各種工程管線集于一體而建造的一個隧道空間。1833年法國在巴黎城市陰溝（地下水道）的基礎上直接將不同類管線也鋪設在里面，建設完成了世界上第一條綜合管廊[2]，經過185年的發展，綜合管廊在現代城市中可承擔幾乎所有的市政公共服務功能，是保障城市正常運行的重要基礎設施和“生命線”[3]。綜合管廊具有地下空間合理利用、安全性能健全、管線維修簡便等優勢，其建設程度成為了地區現代化發展水平的象征之一。

預制裝配式技術應用于綜合管廊是市政建設中一種先進的工業化建設方式，將綜合管廊拆分為各個預制構件，在預制混凝土廠生產后運輸到施工現場進行裝配，具有減少濕作業、縮短工期、節約成本等一系列優點，工程應用價值十分突出。

1 預制裝配管廊發展史

1.1 國外發展史

1875年，英國人威利·亨利·拉塞爾的發明專利“建筑結構形式的更新發展”是預制裝配式技術正式誕生的標志[4]。

1945—1970年間，經歷二戰后的歐洲各國百廢待興，建造速度快、生產成本低的預制裝配式建筑得到大量的推廣[5]。與此同時，預制裝配式綜合管廊也隨之在歐美等發達國家推廣開來。蘇聯衛國戰爭結束后，在第二和第三大城市列寧格勒（今圣彼得堡）和基輔市的再建過程中，研發使用了預制構件現場拼裝的裝配式綜合管廊[6]，這是綜合管廊首次向著預制裝配化發展，而這一技術的出現，不僅對促使綜合管廊向工業化、產業化發展具有積極意義，而且在世界綜合管廊發展史上也具有里程碑式的意義。

1923年，日本首次在九段坂、八重洲、淀町等地建設地下綜合管廊。在1963年，先后出臺《共同溝特別措施法》和相應的實施細則，直接在根本上解決了日本綜合管廊建設的相關問題。從1990年開始，日本的綜合管廊建設中大量使用預制箱涵裝配化技術。現在日本建設綜合管廊上基本不再采用現澆的施工做法，而且截至2015年已經修建的2 057 km的地下綜合管廊中，90%以上為預制拼裝結構，可以說日本后來居上，在預制管廊建設方面已經走在了世界的最前沿[7-8]。

1.2 國內發展史

1958年，在北京長安街修建了國內第一條地下管廊[9]。

1991年，臺北在吸取其他國家共同溝建設經驗的基礎上，經過科學的規劃開始建設共同溝[10]。

21世紀以來，我國工業化迅猛發展，預制裝配式技術也隨之得到了快速崛起。2007年，上海世博園區建設了國內第一條使用先進的預制應力綜合管廊技術的地下市政綜合管廊[11]。

2012年，廈門翔安南路建設的綜合管廊工程全線采用預制拼裝技術，全線預制化達98%以上。該工程中綜合管廊全線采用預制管節進行組合拼裝，這在國內乃至國際上尚屬首次，在綜合管廊建設領域具有劃時代意義[12-13]。

2015年，我國編制的GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術規范》[14]就預制裝配式管廊專門提出了要求：綜合管廊工程建設一定要推廣預制裝配式技術。我國“十三五”規劃綱要中提出要大力發展推廣建筑裝配工業化，并且提出了綜合管廊的綠色建造，在國家綜合管廊試點城市申報中，也優先考慮的是能運用預制裝配式綜合管廊的工程實施方案。

2017年，四川綿陽科技城集中發展區核心區開始建設綜合管廊，其全長為33.654 km，是國內目前采用全預制裝配式技術最長的地下綜合管廊[15]。

2018年，四川成都龍泉驛區玉虹路建設的地下三箱整體式綜合管廊，其3個完全獨立艙室可滿足家用小轎車雙向行駛，是國內目前最大尺寸的預制裝配式三箱管廊[16-17]。

2 預制裝配式綜合管廊研究現狀

2.1 國外情況

自預制裝配式技術誕生后，日本、美國、俄羅斯、英國、德國等國相繼在新建綜合管廊工程中逐步應用預制裝配式技術。經過70多年的探索、研究、改良和實踐，以日本為代表的發達國家，城市地下預制裝配式綜合管廊的技術水平已完全成熟。

1970年左右，以高田至郎[18]為代表的日本學者就開展了綜合管廊的抗震研究。1984年，日本國內成立了日本工業會，以期在進行預制混凝土相關研究的同時促進產品開發研究、產品供給、推廣以及全面的發展，由此為建筑事業做出貢獻。為了大型預制共同溝的建設與推廣，日本工業會于1989年在內部成立了共同溝事業部。1992年在早稻田大學濱田政則[19]教授的指導下，就進行了預制共同溝抗震試驗以及抗震性能證實的宣講。1994年美國在震后重建中對全國已經建設的綜合管廊開展了大規模的加固，其國內的許多大學也為此開展了抗震加固研究[20]。其他國家的學者對地下綜合管廊等地下結構的地震響應也進行了大量的研究。Shamsabadi等[21]、Kutter等[22]、Cilingir等[23]通過模型試驗分別對綜合管廊、地下隧道等地下結構進行了研究，分析了加固后綜合管廊的地震響應。Beaty[24]、Bobet等[25]、Katona[26]、Debiasi等[27]、Lee等[28]利用有限元軟件對綜合管廊、地下隧道等地下結構進行了研究，分析了地震作用下的結構抗震性能、損傷機理及動力響應等，得出了響應的結論并提出了相應的加固措施。

此外，Marshall等[29]理論推導與分析了管廊埋深、土體剛度和傳力方法等因素對地下管廊與土體的相互作用。Sharma等[30]、Petrukhin等[31]和Hunt等[32]對管廊建設對鄰近結構和環境等影響做了研究分析，研究了影響結構的剛度的因素，分析了布置方案里埋深等因素對社會與環境的影響，并對各種形式管廊的優劣進行了詳細的分析。Petrukhin等[31]、Robati等[33]和Namin等[34]也分析了管廊建設對城市環境改善的重要作用，明確了城市地下預制綜合管廊建設符合城市設計和可持續發展的政策和理念。

2.2 國內情況

雖然從20世紀50年代起，我國便開始了對裝配式綜合管廊的研究，但是由于防滲技術、接縫結構以及接縫材料等一系列不滿足要求的因素，導致直到21世紀初，相關的管廊建設仍一直處于停滯狀態。

21世紀以來，我國工業化迅猛發展、科學技術快速進步和人們環境保護意識增強，對預制綜合管廊的建設及研究也逐漸增多。薛偉辰等[35]以2010年上海世博會園區綜合管廊工程為背景，對預制預應力綜合管廊和現澆整體式綜合管廊以一個施工標準段進行工期和土建成本分析；童星寬[36]以成都市雙林路管廊建設為例，通過數理分析對比了現澆管廊與預制管廊。曹生龍[13]分析了異形預制混凝土涵管用于地下綜合管廊結構受力性能、斷面形狀和尺寸及功能分區等優勢。結果均表明，相比于現澆管廊，預制綜合管廊在施工工期、土建成本、抗震、抗沉降、節能環保、總體經濟性等方面有較大的優勢。

預制裝配式綜合管廊具有諸多優點，但是在我國一直未能得到推廣。梁薦等[37]、沈冰[38]、畢波[39]針對我國預制管廊建設處于從大范圍試點到全面開展的實際發展階段，通過對推行中存在實際問題的分析研究，認為較主要的原因是我國之前對管廊建設無重大規劃，尚未建立完善的技術規范文件和配套的政策法規，缺乏標準化的生產工藝及設備。此外，我國管廊建設的費用攤銷難度大，維護費用成本高，設計思想保守，城市地下管線權屬分散，事故頻發等也是我國綜合管廊建設發展中亟需解決的問題

田子玄[40]、王英彬[41]和郭建濤等[42]利用有限元軟件進行數值模擬，結合試驗與理論分析，分別對預制疊合板裝配式綜合管廊的鋼筋連接方式、管廊節點形式的受力性能、整體性能進行研究分析。結果表明，裝配疊合板式節點能達到與現澆節點基本相同的受力性能。裝配疊合板式節點擁有良好的整體性能，而疊合板與側壁之間采用支托連接的方式能達到更好的受力性能，且疊合板中設置鋼筋桁架也可以顯著提高管廊的剛度，能更好地滿足相關設計規范要求。

黃文翾[43]、張福麟[44]和魏奇科等[45]使用有限元分析工具，分別研究了預制裝配式綜合管廊的預制分塊接頭部位對結構整體抗震性能的影響、機動車荷載作用下裝配式綜合管廊的力學及其損傷特性和綜合管廊結構邊節點和中節點的抗震性能。對比研究表明，較為有利的相對位置關系與合理的裝配式管廊接頭方式及分塊方式可使結構滿足抗震要求。其中，魏奇科等[45]又通過對試件的破壞形態、彎矩-位移滯回曲線和彎矩-位移骨架曲線等力學特征的分析，得到了可防止疊合節點和現澆節點發生剪切破壞并顯著提高疊合節點受彎承載力的節點區合理配箍率；而且其在對疊合節點和現澆節點的外側縱筋所設置的抗震錨固長度，可防止疊合節點和現澆節點發生錨固破壞的破壞模式，并提高現澆節點的受彎承載力。

胡翔等[46]針對2010年上海世博會園區預制預應力綜合管廊，通過足尺模型試驗對其接頭的防水性能進行了較為系統的試驗研究。基于試驗結果，建立了遇水膨脹橡膠條壓力計算公式，并擬合得到了遇水膨脹橡膠條的壓力-變形關系式。這也是國內最早的對預制管廊接頭防水性能的研究之一。孔祥臣[47]、嚴林[48]、黃劍[20]和郭敏[49]針對預制結構接頭防水性能進行了試驗與理論研究，展開了較為系統的總結與分析，不僅為預制拼裝綜合管廊接頭防水性能的研究與設計提供了依據，而且可為類似工程提供借鑒和參考。張銓婧[50]、常松等[51]和閔傳杰等[52]從接縫處接頭連接方式著手，結合試驗驗證了拼接縫處柔性防水可以實現綜合管廊的抗裂防滲設計，而且閔傳杰等[52]提出的2道防水橡膠圈具有良好的防水效果，為預制混凝土箱涵裝配式綜合管廊防水構造設計提供了一定的參考，同時也為節段整體式預制綜合管廊接頭防水性能的設計提供了可行的方向。

此外，陳小文等[53]通過對結構防水、變形縫、拼裝縫等方面防水設計的分析研究，提出了一種經試驗驗證防水效果良好的新型疊合裝配式管廊。陳孝凱[54]基于4種規格材質的密封膠條的壓縮性能試驗、水密性試驗以及雙艙箱涵節段間密封膠條受力有限元模擬，為預制裝配式綜合管廊防水設計和使用提供了一些新的思路和依據。

3 預制裝配綜合管廊結構研究的熱點

3.1 結構形式

隨著在現代化城市建設中地下綜合管廊建設的普及，預制綜合管廊的形式也越來越多樣化。當前工程中采用的結構形式可分為全預制裝配式混凝土綜合管廊和半預制裝配式混凝土綜合管廊2種[20]。

全預制混凝土綜合管廊的構件全部在工廠加工預制完成，再運送到施工現場通過承插口或預應力筋連接安裝，安裝過程不需要澆筑混凝土。主要包括整艙預制裝配式綜合管廊、分塊預制裝配式綜合管廊等。該種管廊節段整體性好，施工作業量少，工期短。

半預制混凝土綜合管廊的結構構件部分在工廠加工預制完成，運送到施工現場拼裝就位后，再澆筑混凝土形成結構整體。主要包括疊合板預制裝配式綜合管廊、預制板式裝配式綜合管廊等。該種管廊相比現澆綜合管廊，施工現場模板工程量少，施工作業量減少，工期縮短；相比全預制裝配式混凝土綜合管廊，無縱橫向拼縫的存在，結構整體性能好，防水性能也相對較好。

除此之外，竹筋混凝土、FRP筋混凝土等新形式的綜合管廊的研究也被看好[55]。相對于傳統建筑中運用的鋼筋，利用竹子制作的竹筋及高分子材料制作的FRP筋等新材料筋具有優異的物理力學性能，有較高的抗拉強度、相對較大的比強度、較好的吸震和抗震性能、很好的可設計性等優勢，是值得研究的新領域。

3.2 防水性能

地下預制裝配式混凝土綜合管廊建設中防水主要包括預制構件自身的防水、連接接頭的防水和結構外包的防水。其中預制管廊接頭的防水性能是影響其適用性和耐久性的關鍵技術問題，之前專門針對預制綜合管廊接頭防水性能的研究匱乏，因此成果豐富的隧道預制結構研究為工程建設中預制管廊接頭的防水構造提供了許多寶貴的經驗。但隨著城鎮化速度的不斷加快，地下綜合管廊建設成為現代化城市基礎建設的方向，國內在預制拼裝綜合管廊應用方面的發展和創新均在一定程度上受制于綜合管廊防水問題，針對預制管廊拼接縫的防水性能進行深入的研究，開發更加適合拼裝結構的防水工藝及防水材料，是預制拼裝綜合管廊發展研究的核心內容。

此前，除了在施工中管廊混凝土采用自防水混凝土，使用止水帶及HDPE等新型材料防水卷材提高綜合管廊的防水性能，相關的學者在研究工作中提出了預制雙橡膠密封條（圈），加之用預應力張拉鎖的接頭防水設計建議，但目前還處于起步階段，相關的接口設計及試驗研究仍然相對較少。在實際工程中，如采用2道膠條防水，膠條的尺寸設計對防水性的影響、安裝張拉力的大小對防水性的影響、預制管廊接口的防水檢測、管廊混凝土材料的抗滲性能等問題仍值得深入研究。

3.3 抗震性能

以前相關管廊的震害記錄較少，加上認為地下結構的抗震性能較好，因此長時間忽視地下結構的抗震問題。但近年來綜合管廊等地下結構在幾次大地震中遭受到了嚴重的破壞，管廊抗震研究的重要性日益凸顯。

1995年阪神地震中，日本神戶市的地鐵車站、區間隧道以及地下綜合管廊受到了嚴重的破壞，其中2號線綜合管廊出現了較為嚴重的內壁混凝土層剝落、止水板損壞及底層內部結構接縫錯位或分開等問題。1999年集集地震中，臺灣省高速公路隧道等地下結構也發生了嚴重的破壞。2004年中越地震，日本鐵路隧道地下建筑遭到嚴重破壞[56]。2008年汶川地震中，四川省多座隧道、多個地下車站產生了比較明顯的損壞。2013年雅安地震中，四川地區建筑物以及各種地下軌道、管線遭到嚴重破壞。其中都江堰—汶川公路隧道出現開裂、隆起和滲水等破壞。這些在地震中地下結構產生的破壞都說明其在地震作用下并不堅固，因此對地下結構的抗震性能進行研究就十分必要。

近年來，我國加大了地下結構抗震問題的研究，在最新的GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》和GB 50909—2014《城市軌道交通抗震設計規范》中補充了地下結構抗震設計的相關要求與設計方法[57]，但是對于地下綜合管廊的地震作用研究大多針對的是現澆綜合管廊，而預制裝配式的相關研究相對匱乏。相比現澆整體式綜合管廊，預制裝配式綜合管廊在其橫斷面平面內存在大量接頭，拼接處可能成為地震薄弱部位；同時由于預制管廊縱向接頭存在一定柔性，也可能減輕結構震害。這些還需要進一步進行相關研究分析確定，才可以為工程設計與應用提供相應的指導。這些都說明對預制裝配式綜合管廊的抗震性能進行研究十分重要。

3.4 抗疲勞性能

目前，國內外對預制裝配式綜合管廊的力學性能研究集中于裝配式管廊的承載力特性，很少考慮在機動車動荷載的影響下預制裝配式綜合管廊抗疲勞性能。

根據GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術規范》中的規定，綜合管廊主線宜設置在機動車道、道路綠化帶下[58]。故預制裝配式綜合管廊通常位于道路下方，且受到基坑施工成本的影響，埋深通常較淺，使用期間會受到正上方路面車輛反復動荷載的長期作用，在這種情況下，其角點、接頭等局部應力集中位置可能出現塑性變形或應力疲勞損傷，產生承載能力下降、拼接面劣化、滲漏等問題。因此對預制裝配式綜合管廊的抗疲勞性能進行研究就顯得重要起來。

后續研究可針對國內各種不同形式的預制裝配式混凝土綜合管廊，考慮管廊結構與土體的相互作用，針對不同的節段連接形式，建立合適的動荷載簡化模型。分析動荷載作用下管廊結構的內力、變形以及其抗疲勞性能，以便為車輛荷載作用下地下預制裝配式綜合管廊設計改進提供理論依據。

4 結語

在國家重點推行建筑產業化、綠色化的大潮下，預制裝配式綜合管廊作為為民、惠民的基礎工程受到了極大的重視，各種新工法、新材料也推動其應用越來越廣泛，但是在推廣應用過程中缺乏一定的理論研究和規范的支持。本文分析對比了國內外預制裝配式混凝土綜合管廊研究現狀，并對當前預制裝配式綜合管廊研究中的熱點問題進行分析，針對性地提出相關合理化的建議，為綜合管廊建設中預制裝配式技術的研究和應用指明了方向，希望能促進預制裝配式混凝土綜合管廊的發展。