箱式市政工作井預(yù)制拼裝方案對(duì)比分析及接口構(gòu)造設(shè)計(jì)
——以南寧五象新區(qū)1號(hào)路電力直線工作井為例

□ 江懷雁

1 引言

給排水、電、氣和通信管網(wǎng)是現(xiàn)代城市的生命線工程，新城區(qū)建設(shè)和舊城區(qū)改造均離不開(kāi)此類(lèi)市政基礎(chǔ)設(shè)施。市政工作井按材料種類(lèi)可分為砌體結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)兩種類(lèi)型，鋼筋混凝土工作井目前主要采用整體現(xiàn)澆的方式建造，施工效率較低、建造周期長(zhǎng)、對(duì)地面交通影響大、模板重復(fù)利用率低、人工成本高、噪聲和粉塵污染大等主要缺點(diǎn)。如將施工方法改進(jìn)為工廠預(yù)制、再現(xiàn)場(chǎng)拼裝，將很好地克服上述缺點(diǎn)，預(yù)制件的混凝土質(zhì)量更有保證，可取得良好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。但預(yù)制拼裝式混凝土結(jié)構(gòu)也有其不足之處，如拼接接口或接縫易成為受力和抗?jié)B漏的薄弱部位、整體性下降等。如將預(yù)制廠的開(kāi)模—澆筑—養(yǎng)護(hù)、預(yù)制件的吊運(yùn)—堆放—拼裝的成本及占用工時(shí)計(jì)入，那么預(yù)制拼裝式工作井的優(yōu)勢(shì)將不會(huì)那么明顯。因此，研究市政鋼筋混凝土工作井的預(yù)制拼裝方案，盡可能降低預(yù)制拼裝式工作井的造價(jià)，方可充分發(fā)揮出工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)。

筆者前期研究表明，從受力的角度而言，箱式市政工作井預(yù)制拼裝化具有較好的可行性[1]。現(xiàn)有文獻(xiàn)[2-11]對(duì)市政工作井這類(lèi)中小型地下淺埋混凝土中厚壁箱式結(jié)構(gòu)的預(yù)制拼裝方案缺少綜合比較分析研究。本文以電力直線工作井為例，對(duì)箱式混凝土市政工作井進(jìn)行多種預(yù)制拼裝方案的概念設(shè)計(jì)和較全面的對(duì)比分析，以尋求相對(duì)較優(yōu)的方案，并對(duì)接口形式和構(gòu)造進(jìn)行概念設(shè)計(jì)。

2 預(yù)制拼裝方案設(shè)計(jì)

箱式工作井預(yù)制拼裝方案即箱體分割方案，通過(guò)對(duì)整體現(xiàn)澆井體進(jìn)行合理地分割，使分割后的預(yù)制單元（預(yù)制件）盡量滿足以下要求：一是類(lèi)型數(shù)少，易于標(biāo)準(zhǔn)化，模具簡(jiǎn)單，重復(fù)利用率高；二是易于產(chǎn)業(yè)化，以實(shí)現(xiàn)工廠批量預(yù)制生產(chǎn)；三是預(yù)制件自重輕，吊裝噸位小，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)吊裝設(shè)備要求低，降低拼接難度；四是拼裝接口長(zhǎng)度短，盡量減少受力薄弱部位和漏水點(diǎn)；五是現(xiàn)場(chǎng)工作量小，所需人工數(shù)量少等。但這些要求之間存在一定矛盾，如當(dāng)滿足接口長(zhǎng)度短的要求時(shí)，往往會(huì)帶來(lái)預(yù)制單元體量大、自重大、吊裝難度大等問(wèn)題；當(dāng)單元形狀為一字形或“L”形時(shí)，雖可滿足類(lèi)型數(shù)少、自重適中、預(yù)制難度小、堆放空間小的要求，但拼裝接口總長(zhǎng)度長(zhǎng)、現(xiàn)場(chǎng)拼接工作量大的問(wèn)題會(huì)突顯出來(lái)，因此方案設(shè)計(jì)時(shí)需在各要求之間取得平衡。

圖1為南寧五象新區(qū)1號(hào)路某常用規(guī)格的電力直線工作井，該工作井的外輪廓尺寸為長(zhǎng)6.5m×寬1.8m×高2.4m，原設(shè)計(jì)頂、底板厚250mm，側(cè)壁和端板厚為200mm，頂部人孔920mm×920mm×2個(gè)，端孔為920mm×920mm。針對(duì)此工作井，本文設(shè)計(jì)6種預(yù)制拼裝方案進(jìn)行比較，各方案的拼裝接口布置、預(yù)制拼裝件組裝方式如圖2所示。圖2中，除方案5和方案6外，其余方案縱向水平接口沿厚度方向的形狀一律采用外低內(nèi)高的階梯形，以抵擋井外地下水的滲入，并使板件相互咬合，防止發(fā)生滑動(dòng)。

圖1 電力直線工作井施工現(xiàn)場(chǎng)

3 預(yù)制拼裝方案比選

為便于比較，將該電力直線工作井的井壁厚度統(tǒng)一調(diào)整為200mm，鋼筋混凝土容重取25kN/m3。分別采用以上6種預(yù)制拼裝方案進(jìn)行分割，預(yù)制拼裝件分割尺寸示意圖詳見(jiàn)圖3，綜合性能比較詳見(jiàn)表1。

圖2 6種預(yù)制拼裝方案示意圖

圖3 直線形工作井實(shí)例：6種預(yù)制拼裝方案的預(yù)制件分割尺寸示意圖

表1 6種預(yù)制拼裝方案的綜合性能比較一覽表

表1中，空間效應(yīng)和整體性對(duì)用鋼量有直接影響：空間效應(yīng)和整體性越強(qiáng)，內(nèi)力相對(duì)越小，所需配筋量也越少。接口總長(zhǎng)度關(guān)系到拼裝時(shí)需處理的接口總量及薄弱部位的長(zhǎng)度，可表征拼裝速度、人工成本和防水性、抗?jié)B性、耐久性的水平。對(duì)6種拼裝方案的優(yōu)缺點(diǎn)做如下綜述。

3.1 方案1

優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)螇K預(yù)制件自重較輕，吊裝設(shè)備噸位要求小，生產(chǎn)模具簡(jiǎn)單、體量小，運(yùn)輸和堆放時(shí)占地少，空間利用率高；缺點(diǎn)：接口長(zhǎng)度較長(zhǎng)，預(yù)制件的類(lèi)型數(shù)較多，拼裝總件數(shù)多，整體性差，用鋼量大，在車(chē)—土—水壓力共同作用下縱向水平接口外側(cè)有張開(kāi)趨勢(shì)，對(duì)抗?jié)B性和耐久性不利。

3.2 方案2

優(yōu)點(diǎn)：預(yù)制件類(lèi)型數(shù)少，接口總長(zhǎng)度短，拼裝復(fù)雜程度小，箱體整體性好，用鋼量少，由于無(wú)縱向水平接口，在車(chē)—土—水壓力共同作用下不存在水平接口外側(cè)張開(kāi)的薄弱環(huán)節(jié)，但該方案不足是預(yù)制件自重大，對(duì)吊裝設(shè)備的起吊噸位要求較高。當(dāng)需要控制預(yù)制件單體自重時(shí)，可減小縱向長(zhǎng)度，但接口長(zhǎng)度會(huì)相應(yīng)增加。

3.3 方案3

該方案以“瓶+蓋”的組合方式，其優(yōu)點(diǎn)是縱向水平接口位于箱體上部位置，水壓力最大的下部無(wú)縱向水平接口，可減少滲水的可能性，而且拼裝難度小，拼裝速度快，但預(yù)制件類(lèi)型數(shù)和總塊數(shù)、單件預(yù)制件自重、接口總長(zhǎng)度、箱體整體性，在車(chē)—土—水壓力共同作用下縱向水平接口開(kāi)閉性等指標(biāo)均無(wú)優(yōu)勢(shì)。

3.4 方案4

該方案是現(xiàn)澆與預(yù)制拼裝相結(jié)合的方案，相當(dāng)于在現(xiàn)澆底板上扣上一個(gè)“蓋子”，預(yù)制件類(lèi)型數(shù)和總件數(shù)最少，單片預(yù)制件的自重較方案2輕，并具有整體性較好、用鋼量適中、拼裝難度小、拼裝速度快等優(yōu)點(diǎn)；與其他方案相比，該方案底板上無(wú)接口，可最大程度保證底板的抗?jié)B性。不足是需在現(xiàn)場(chǎng)澆筑底板，施工工期和人工成本稍有增加，而且縱向水平接口位于水壓較大的箱體底部位置，在井側(cè)水、土壓力作用下該接口有張開(kāi)趨勢(shì)。從受力而言，現(xiàn)澆底板為板類(lèi)構(gòu)件，當(dāng)其厚度較薄時(shí)，由于剛度小，對(duì)地基不均勻變形的抵抗能力較弱，因此對(duì)地基條件要求較高；當(dāng)?shù)鼗^軟弱時(shí)，在拼裝不同位置的Π形預(yù)制件時(shí)，底板可能容易開(kāi)裂，需要通過(guò)增加板厚和配筋加以解決，但會(huì)增加造價(jià)；對(duì)此，可在底板兩側(cè)邊增加適當(dāng)高度的反邊（或反梁），則可利用板件的空間效應(yīng)增加底板剛度，而不需增加板厚和配筋。值得注意的是，底板雖需現(xiàn)澆，但僅需側(cè)模板，模板用量很少，并可重復(fù)利用，施工總體比較簡(jiǎn)便。

3.5 方案5

該方案能夠控制單片預(yù)制件的自重，是各方案中的最輕者，可降低對(duì)吊裝和運(yùn)輸設(shè)備的要求，但預(yù)制件總數(shù)增多，類(lèi)型數(shù)也不少，接口總長(zhǎng)度達(dá)各方案的最大值，箱體整體性、拼裝難度和荷載作用水平接口開(kāi)閉性也無(wú)優(yōu)勢(shì)，由于側(cè)壁高度中間設(shè)置水平接口，并位于同一直線上，在非均勻的水、土壓力作用下，箱體上、下半部分容易發(fā)生水平錯(cuò)動(dòng)，出現(xiàn)裂縫。總體來(lái)看，該方案的缺點(diǎn)多于優(yōu)點(diǎn)。

3.6 方案6

該方案的特點(diǎn)與方案5相近，僅側(cè)壁的水平接口相互錯(cuò)開(kāi)，起咬合作用，可防止上半部分與下半部分在側(cè)向土壓力和水壓力梯度作用下出現(xiàn)水平錯(cuò)動(dòng)而發(fā)生水平剪切撕裂，但因此也增加了一種預(yù)制件類(lèi)型，總體上略?xún)?yōu)于方案5。

由上述分析可知，方案1、5、6的優(yōu)勢(shì)不太明顯，方案2、3、4在吊裝設(shè)備噸位滿足的前提下，方案2各方面優(yōu)勢(shì)較為明顯；當(dāng)?shù)跹b設(shè)備噸位較低，且地基條件滿足要求時(shí)可選用方案4。應(yīng)注意的是，方案2須保證底板接口的抗?jié)B性；方案4可將預(yù)制件拼裝與底板混凝土澆筑緊密配合，利用預(yù)制件自重壓緊底板未完全硬化的混凝土增強(qiáng)兩者間的黏結(jié)力，并通過(guò)柔性防水構(gòu)造措施保證底部縱向水平接口的抗?jié)B性能。

4 拼裝接口構(gòu)造設(shè)計(jì)

地下工作井的拼裝接口應(yīng)滿足抗?jié)B性好、承載力高、傳力效率高、耐久性好和制作難度低、拼裝便捷等多項(xiàng)要求，需從連接方式和接口形狀兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。在連接方式上，目前有干接、濕接和膠接3種類(lèi)型可供選擇。其中，膠接接口以抗拉強(qiáng)度高于混凝土的環(huán)氧樹(shù)脂膠為接口黏結(jié)材料，通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力將預(yù)制件拼裝成整體，環(huán)氧樹(shù)脂膠具有找平、填縫、緩沖、均勻傳力、防水的作用，因此膠接在承載力、整體性、傳力性能、抗?jié)B性和施工便利性等各方面無(wú)明顯短板，綜合性能最優(yōu)。地下淺埋預(yù)制市政工作井因同時(shí)承受汽車(chē)荷載、土壓力和水壓力，對(duì)承載力和防水性能要求較高，以膠接最為合適。

圖4 預(yù)制件接口構(gòu)造詳圖

接口形狀對(duì)相鄰預(yù)制件之間剪力的傳遞能力、接口的抗剪承載力具有控制作用，采用圖4（a）、（b）所示的齒狀剪力鍵接口形狀較為合理。由于市政工作井長(zhǎng)度較短（一般在10m以?xún)?nèi)），預(yù)應(yīng)力損失大，故施加預(yù)應(yīng)力的作用有限。盡管如此，由于膠接預(yù)制件仍需通過(guò)縱向通長(zhǎng)鋼筋連成整體，因此筆者建議沿井體縱向采用環(huán)氧涂層預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋作為縱向通長(zhǎng)鋼筋（見(jiàn)圖4a、b），兩端通過(guò)螺母加墊片的螺紋錨具施加初始預(yù)應(yīng)力，待工作井拼裝完畢后再補(bǔ)張拉一次，使接口膠體結(jié)合緊密，提高整體性，再在孔道內(nèi)灌漿，使預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋與混凝土之間產(chǎn)生黏結(jié)力，以保護(hù)鋼筋不易銹蝕，并保證在預(yù)應(yīng)力被混凝土和膠體的收縮徐變抵消而損失殆盡后，該縱向通長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力鋼筋仍可作為接口抗裂鋼筋發(fā)揮重要作用，同時(shí)起一定的抗彎和抗剪作用。井體寬度和高度方向因尺寸較小，預(yù)應(yīng)力效果不明顯，加之預(yù)制件厚度有限，不建議設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋，相應(yīng)的縱向水平接縫依靠預(yù)制件自重和覆土壓力保持閉合狀態(tài)。環(huán)向接口的剪力鍵加強(qiáng)鋼筋構(gòu)造詳見(jiàn)圖4（c）。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)市政管線地下箱式工作井設(shè)計(jì)6種預(yù)制拼裝方案，以實(shí)際電力工作井為例，對(duì)比分析各方案的綜合性能，并對(duì)接口構(gòu)造進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，得到以下結(jié)論：

（1）在吊裝設(shè)備滿足起重噸位要求的前提下，箱形預(yù)制件拼裝方案在拼裝難度、拼裝工作量、防水抗?jié)B性、整體性、經(jīng)濟(jì)性等各方面性能優(yōu)勢(shì)較明顯，可作為較優(yōu)方案推薦使用，其次是現(xiàn)澆底板+Π形頂板—側(cè)板預(yù)制件方案，但對(duì)地基條件要求較高，且需要現(xiàn)場(chǎng)澆筑作業(yè)。

（2）環(huán)向和縱向水平拼裝接口建議采用帶剪力鍵的膠接形式，并沿工作井縱向均勻布置通長(zhǎng)的環(huán)氧涂層預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋，通過(guò)螺母+墊片錨具施加預(yù)應(yīng)力，并在拼裝施工過(guò)程中反復(fù)張拉；待預(yù)應(yīng)力筋張拉完畢后，宜在孔道內(nèi)灌漿，以保護(hù)鋼筋并發(fā)揮抗裂和提高整體性的作用。