浸水地區(qū)燃氣管道防護涵方式穿越地鐵

張云陽

(中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司，四川成都610081)

1 工程概況

深圳市地鐵4號線三期規(guī)劃線路與機荷高速公路北側(cè)DN 800 mm城鎮(zhèn)高壓燃氣管道交叉，且二者高程沖突。參建各方議定，燃氣管道改遷繞行至機荷高速公路南側(cè)浸水地區(qū)，從地下穿越地鐵。考慮到若采用套管穿越地鐵，套管自重不足以抗浮，故確定在預定位置采用防護涵穿越地鐵，防護涵及燃氣管道先明挖施工，地鐵后施工。本工程從2018年建成投產(chǎn)至今的運行情況表明，在浸水地區(qū)采用防護涵穿越地鐵是安全、可靠的。本文結(jié)合該工程對防護涵的設(shè)計要求、防護涵抗浮等進行探討，文中所述浸水地區(qū)指地下水位較高的地區(qū)，不包含沼澤地區(qū)。

2 主要遵循和參考的規(guī)范

GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》對燃氣管道采用防護涵穿越地鐵(含鐵路)未作具體規(guī)定。防護涵設(shè)計應(yīng)遵循TB 10063—2016《鐵路工程設(shè)計防火規(guī)范》(以下簡稱TB 10063—2016)及國家能源局、國家鐵路局聯(lián)合發(fā)布的國能油氣[2015]392號《油氣輸送管道與鐵路交匯工程技術(shù)及管理規(guī)定》(以下簡稱國能油氣[2015]392號)的規(guī)定，并參照執(zhí)行GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱GB 50423—2013)的相關(guān)要求。

值得注意的是，TB 10063—2016的相關(guān)內(nèi)容是參考國能油氣[2015]392號制定的，二者要求基本一致，但TB 10063—2016未規(guī)定防護涵施工須采用何種工法，而國能油氣[2015]392號所指防護涵則為頂進防護涵。

本項目中，燃氣管道及防護涵先于地鐵施工，采用明挖工法，根據(jù)上述規(guī)范及規(guī)定的要求，防護涵設(shè)計應(yīng)主要遵循TB 10063—2016的相關(guān)規(guī)定。

3 防護涵與地鐵隧道位置關(guān)系

本項目中，在水平方向防護涵垂直穿越地鐵隧道。防護涵及隧道工法均為明挖施工。總體施工按照先下后上順序，先施工防護涵及燃氣管道，再打灌注樁，最后建設(shè)地鐵隧道。防護涵與施工期隧道的位置關(guān)系見圖1。

圖1 防護涵與施工期隧道的位置關(guān)系

圖1所示的設(shè)計地面指防護涵施工完成后按原地貌恢復的地面(以下簡稱設(shè)計地面)。由于防護涵穿越位置的地鐵隧道大部分位于設(shè)計地面以上，因此，在隧道主體結(jié)構(gòu)全部施工完成后尚須進行回填覆土及綠化作業(yè)。防護涵施工與地鐵隧道回填覆土施工放線應(yīng)統(tǒng)籌安排，即地鐵隧道回填覆土施工放線須提前進場放線，對防護涵長度的要求是其兩端伸出地鐵隧道回填覆土的坡腳線以外不小于2 m，為此，確定防護涵長度為44 m。防護涵兩端用磚墻密封，管道穿過密封墻體處在管道上方增加過梁。同時，為了保障管道運營安全，從防護涵內(nèi)引出檢漏管至周圍平整地面，設(shè)檢測井，便于定期巡檢時進行檢漏作業(yè)。

相關(guān)規(guī)范對防護涵與隧道之間的豎向凈距無具體要求。考慮明挖施工期間對地下水環(huán)境的影響，防護涵宜盡可能淺埋。防護涵淺埋使得灌注樁及隧道施工期間防護涵頂?shù)母餐翂褐剌^小，在地下水位較高時，防護涵可能因承受浮力過大而整體失穩(wěn)。因此，筆者選擇其最不利斷面即埋深最小的A-A斷面進行相關(guān)分析。

4 半填充防護涵

防護涵通常分為半填充防護涵和不填充防護涵兩種形式。半填充是指在防護涵內(nèi)充填砂(土)將穿越管道埋入其中，并設(shè)置驗收(或檢修)通道，保留運營期內(nèi)檢修管道的可能性。不填充是指將管道架空安裝于防護涵內(nèi)。

TB 10063—2016第4.1.5條規(guī)定，防護涵內(nèi)宜保留驗收通道，宜采用填充方式，未填充的應(yīng)在涵洞兩端設(shè)檢查井。

基于TB 10063—2016針對防護涵內(nèi)部空間同時提出“宜保留驗收通道”和“宜采用填充方式”規(guī)定的考慮，筆者認為TB 10063—2016規(guī)定的防護涵填充方式應(yīng)理解為半填充。本項目現(xiàn)場周邊環(huán)境受限，不便設(shè)置通行用的檢查井，故采用半填充防護涵，即防護涵內(nèi)砌隔墻，設(shè)置檢修通道，燃氣管道采用支墩固定、填砂覆蓋并加壓重塊。具體布置即A-A斷面見圖2。防護涵主體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強度等級為C40，抗?jié)B等級為P8，墊層采用厚度為200 mm的 C20素混凝土，壓重塊采用馬蹄形的C25鋼筋混凝土預制件，隔墻材料采用普通磚。

圖2 A-A斷面

圖中h1——防護涵內(nèi)填砂表面至涵內(nèi)頂?shù)母叨龋琺

h2——防護涵內(nèi)底至填砂表面的高度，m

h0——防護涵內(nèi)凈空高度，m

h——防護涵主體斷面高度，m

D——燃氣管道外直徑，m

b1——燃氣管道左外壁至防護涵左墻內(nèi)墻面的寬度，m

b2——燃氣管道右外壁至隔墻外墻面的寬度，m

b3——檢修通道即隔墻外墻面至防護涵右墻內(nèi)墻面的寬度，m

b——防護涵主體斷面寬度，m

δ1——防護涵頂板厚度，m

δ2——防護涵底板厚度，m

δ3——防護涵左(右)墻厚度，m

d1——設(shè)計地面到地下水位線的距離，m

d2——設(shè)計地面到防護涵外頂?shù)木嚯x，m

d3——設(shè)計地面到防護涵水平中軸線的距離，m

d4——設(shè)計地面到防護涵外底的距離，m

根據(jù)TB 10063—2016第4.1.5條，防護涵內(nèi)檢修通道的寬度b3不宜小于1.0 m，防護涵內(nèi)填砂表面至防護涵內(nèi)頂?shù)母叨萮1不宜小于0.5 m，防護涵內(nèi)凈空高度h0不宜小于1.8 m。考慮預留以后的發(fā)展空間，本項目提高了設(shè)計標準，將h1取值為2.0 m，h0取值為3.5 m，b3取值為1.5 m。本項目防護涵斷面尺寸見表1。

表1 本項目防護涵斷面尺寸

5 防護涵抗浮設(shè)計

如圖2所示，防護涵可能處于全浸沒狀態(tài)(d1≤d2)、大部分浸沒狀態(tài)(d2

W≥KF

(1)

W=W1+W2+W3+W4+W5+W6

(2)

F=γA

(3)

A=bh

(4)

式中W——單位長度防護涵重量及涵頂覆土壓重之和，kN/m

K——穩(wěn)定安全系數(shù)，取1.1

F——單位長度防護涵承受的浮力，kN/m

W1——單位長度防護涵主體結(jié)構(gòu)自重，kN/m

W2——單位長度防護涵內(nèi)燃氣管道及其壓重塊重量，kN/m

W3——單位長度防護涵內(nèi)隔墻重量，kN/m

W4——單位長度防護涵內(nèi)填砂及支墩重量，kN/m

W5——單位長度防護涵均攤兩端密封墻體及過梁重量，kN/m

W6——單位長度防護涵涵頂覆土壓重，kN/m

γ——水的容重，kN/m3，取9.81 kN/m3

A——防護涵主體橫斷面外輪廓面積，m2

通過公式(2)～(4)計算防護涵重量(W1～W5)、涵頂覆土壓重W6及其承受的浮力F，可驗算公式(1)是否成立，即得知防護涵最不利受力狀態(tài)即全浸沒狀態(tài)(d1≤d2)時是否穩(wěn)定。若不滿足公式(1)的要求，則通過逐步減小h1及b3后再驗算，直到滿足公式(1)為止。

公式(2)中，考慮到隨著時間的推移，防護涵兩端可能因密封不嚴而滲水，故W2計入了燃氣管道抗浮所需的壓重塊的重量。燃氣管道抗浮按文獻[1]對水下管段穩(wěn)定性的計算方法進行計算，本文不再冗述。其中，單位長度燃氣管道重量取3.67 kN/m，穩(wěn)定安全系數(shù)取1.1。

本項目按圖2所示d2取0.3 m時進行驗算。根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的附錄A，涵頂覆土(濕黏土)的容重取18 kN/m3，涵內(nèi)填充細砂的容重取14 kN/m3，普通磚的容重取19 kN/m3，鋼筋混凝土的容重取25 kN/m3，計算出W1～W6分別為166.75、4.93、5.62、26.05、4.81、23.22 kN/m，代入公式(2)，得出W為231.38 kN/m。經(jīng)公式(3)、(4)計算，全浸沒狀態(tài)(d1≤d2)時，浮力F為185.61 kN/m。可知公式(1)成立，防護涵的穩(wěn)定性(抗浮性能)滿足要求。

當防護涵處于大部分浸沒狀態(tài)(d2