一種適用于沿海地區的暗柱疊合裝配式地下綜合管廊研究

黃國雄

(福州市規劃設計研究院集團有限公司 福建福州 350100)

0 引言

城市地下綜合管廊，是我國城區市政基建中的一個重要項目，地下綜合管廊的建設正得到快速發展與應用；對綜合管廊結構設計、受力性能、施工方法及防水要求的相關研究與實踐也越來越豐富[1]。目前，國內對管廊的研究主要集中在現澆和整體式預制管廊的受力性能與抗震性能，如胡翔等依照2010年上海世博綜合管廊為研究原型，制作接足尺模型，研究其受力性能[2-3];湯愛平等設計了地下綜合管廊結構的振動臺試驗模型，探討了綜合管廊整體在均勻場地中的地震反應特點[4]；彭真等研究多艙綜合管廊破壞機制、承載力和變形能力等受力特性，將某綜合管廊工程為原型，開展多艙管廊豎向單調靜力原尺試驗[5-6]。

由于地下結構所處場地環境、交通狀況、地質水文條件不同，各地的管廊建設也存在不同特點。本文結合福建沿海工程中管廊的建設情況，對預制管廊的方案進行比選，探索沿海地區綜合管廊建設的合理有效方案，提出性能良好的暗柱疊合裝配式綜合管廊方案。通過結構構造設計優化、數值理論分析、實驗室足尺模型試驗以及現場足尺試驗等方面的具體工作，驗證設計方案的可行性，對今后沿海地區的地下綜合管廊設計與建設提供借鑒作用。

1 工程概況

本工程依托沿海地區福州市的福馬路管廊項目，全長約5.1 km，為單艙斷面，結構如圖1所示。擬建場地位于福州市馬尾區，地勢較平坦，地貌單元為沖淤積平原地貌單元，地層從上往下有雜填土、粘土、淤泥、粉質粘土、卵石、全風化花崗巖、砂土狀強風化花崗巖。擬建場地位于閩江流域，地表水補給主要受大氣降水和生活用水補給，也受閩江漲落潮的影響，主要河流的歷史最高水位標高約為6.00 m。擬建場地上層滯水水位的年變化幅度一般在1.5m左右，場地近3～5年最高地下水位埋深為0.50 m，歷年地下水最高水位標高約為6.00 m。其它含水層地下水對工程影響較小。

圖1 綜合管廊標準橫斷面圖

綜合管廊在道路標準段布置于非機動車道和人行道下，常規段綜合管廊覆土厚度約3 m，管廊原設計采用現澆方案。抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10 g，屬設計地震第三組。

現澆管廊方案已在工程建設中得到較好的應用，適用性較好，但是存在現場工作強度大，施工時間長等常見問題。該項目預留20 m標準段用于裝配式管廊試驗研究，探索裝配式管廊方案在沿海軟弱地層地區建設中的實際效果。目前國內常見的管廊預制方案有分節段工廠整體預制、工廠部分預制現場裝配式方案。

2 管廊施工工藝的方案比選

本工程原設計為現澆方案。為探索一種更加適用于沿海地區的管廊施工工藝，該項目預留20 m標準段用于管廊工藝研究，目前常用的管廊施工工藝有現澆、預制拼裝、疊合裝配式及暗挖法。各種施工方法優缺點不一，明挖現澆法造價最低，但現場施工時間較長；預制拼裝現場施工速度較快，造價略高于現澆，現場需要需要大型設備吊裝；疊合拼裝法，施工速度快，現場無需大型設備，規模體量大時，造價比現場預制拼裝略高；暗挖法對現場影響程度較小，但造價最高。

本工程為104國道提升改造項目，分為主輔路型式，主線是連接福州市區與馬尾區的重要客貨集疏運通道，承擔大量的過境交通。管廊結構設置于輔道下面，管廊基坑處于淤泥層范圍，采用分節預制方案的現場可實施性小；而淺埋暗挖、頂管法以及盾構法等，由于現場試驗場地受限，無法進行深入研究。因此本文對疊合裝配式管廊進行研究，并提出一種適合沿海地區的暗柱疊合裝配式管廊方案。

國內一些學者和工程項目也已開始裝配式管廊的研究與建設。工程實踐上，長沙市高新區已經進行了裝配式管廊的建設，湖南省也編制了相應的裝配式管廊地方技術標準。在通過調研國內其他地區裝配式管廊建設方案和經驗的基礎上，提出了適用于福建沿海軟土地區的相關裝配式管廊改進方案。

(1)以往裝配式管廊側墻空腔內，布置有眾多桁架鋼筋，現場澆筑困難，振搗密實不易保證，管廊結構高度越大，這種現象越明顯。因此優化采用內帶暗柱的預制疊合側墻，暗柱能夠保證側墻吊裝、現場施工時候具有足夠剛度，內、外預制層不發生相對位移，施工完成后結構的尺寸較好滿足驗收標準。側墻結構圖如圖2所示。

圖2 帶暗柱式預制側墻板示意圖

(2)管廊內側墻需設置后期安裝時的支架構件。現澆管廊結構通常直接在施工澆筑時預埋連接鋼筋和槽型支架，裝配式管廊多采用在預制板上預留螺栓孔后期連接。采用疊合板后，側墻內層板厚一般比較小，設置預埋件容易穿透板，對施工控制要求高。該項目優化方案后，結合暗柱的設置間距，將支架槽預埋在暗柱部位，在工廠內一并預制，既滿足預埋構件的穩定性，又使現場施工難度減小，效果良好。側墻構造及節段連接平面投影如圖3所示。

圖3 側墻平面投影圖

(3)裝配式結構為方便工廠預制及運輸，常常不設置倒角加腋，通過國內大量的學者試驗與研究，腋角可以大大提高管廊結構的極限承載力。因此，本項目的裝配式結構參照現澆管廊的做法，保留腋角。對裝配式管廊結構進行構件分解為雙面側板、頂板下層板、底板上層板，其余部位待現場安裝后進行現場澆筑。工廠預組裝如圖4所示。

圖4 管廊預制裝配安裝圖

3 暗柱式疊合裝配式管廊性能研究

3.1 結構受力性能理論分析

采用MIDAS NX 2020分析軟件建立縱向一延米鋼筋混凝土閉合框架模型計算。模型和單元編號圖如圖5所示。模型共有40個節點，40個單元。底板和側墻支承采用彈性地基梁，地基系數取20 000 kN/m。分別對無水工況和有水工況的計算結果進行包絡，得到不同荷載組合下的彎矩包絡圖如圖6～圖7所示。選取管廊受力不利的節點抗彎、抗剪及裂縫驗算如表1所示。

圖5 標準段計算模型及編號圖

圖7 正常使用極限狀態彎矩包絡圖(單位：kN·m)

表1 管廊抗彎、抗剪及裂縫驗算

由以上計算可知，設計埋深4m的綜合管廊標準段結構及配筋驗算均滿足要求。

3.2 足尺模型試驗結果與分析

在預制構件工廠內制作完成等比例尺的試驗模型，在各個預制裝配構件完成蒸汽養護后，進行吊裝及拼裝，再安裝并綁扎現場鋼筋，最后進行澆筑C40混凝土，并養護28 d。

綜合管廊在使用過程中，頂板受均布荷載，管廊兩側墻受自上而下逐漸增大的面荷載，底板受不均勻分布的荷載。加載以彎矩分布相似原則，確定等效集中力的作用位置。管廊荷載計算簡圖及加載分別如圖8～圖10所示。

試驗表明，在加載前期，管廊整體變形處于彈性階段。隨著荷載的增大，裂縫數量及裂縫寬度開始增加，整體構件進入屈服階段。側墻跨中位移增長較快，側墻底部、頂部以及頂、底板側邊的數量逐漸增多，裂縫開展分布較為均勻。在屈服階段中期，頂、底板跨中裂縫緩慢開展。隨著側墻底部負彎矩的增大，該位置的新、舊混凝土疊合面在彎矩作用下，疊合面剪力達到臨界值，裂縫沿著疊合面局部開展；隨著荷載的增大，內側疊合面裂縫也逐漸增大，新、舊混凝土在該部位相互脫開。在試驗未發生破壞前，整體變形以彎曲為主；最終破壞形態為：由于疊合面失效導致的脆性剪切破壞。裂縫分布圖如圖11所示。

圖8 管廊計算簡圖

圖9 試驗加載布置圖

圖10 足尺加載裝置

(a)厚度方向破壞形態 (b)背水側破壞形態圖11 疊合式管廊加載裂縫分布圖

荷載換算后，對設計進行分析，表明新型裝配疊合式綜合管廊滿足正常使用狀態下的裂縫寬度、承載力極限狀態的設計要求，管廊具備一定的安全儲備。

4 裝配式地下綜合管廊現場施工

4.1 現場施工安裝

(1)基坑開挖支護后，澆筑管廊基礎墊層混凝土并施作底板防水層，然后將裝配式預制構件運至現場。

(2)在墊層混凝土上進行管廊定位標志，將底板構件吊入基坑，就位后進行底板調平及混凝土保護層墊塊安放。

(3)對側墻進行吊裝安裝，并架立斜支撐。

(4)鋪設滿堂支撐，并吊裝頂板，如圖12所示。

(5)綁扎預制鋼筋，澆筑混凝土。

(6)結構外防水層施工，待混凝土強度達到要求后進行基坑回填、廊頂覆土及路基施工。

圖12 現場頂板安裝完照片

4.2 節段的現場拼接接縫設計

本試驗段裝配式管廊標準段為長2 m的預制節段，預制管廊節段側墻與側墻之間采用鋼筋籠拼接；頂板與頂板，底板與底板之間亦采用鋼筋拼接，鋼筋安裝完成后對剩余部分進行現場混凝土澆筑，詳細大樣如圖13所示。該方案對預制節段之間的連接方式進行了創新改進，防水性能基本接近于現澆結構，現場已施工完的實體結構未出現滲水現象。

圖13 側墻拼縫防水處理大樣圖

5 結語

本文以福馬路地下綜合管廊工程為工程依托，通過比選管廊施工工藝，進行裝配式管廊的足尺模型試驗及現場試驗安裝。主要得到以下結論：

(1)暗柱疊合裝配式地下綜合管廊在沿海軟土地質區域的工程實踐是可行的。管廊的受力性能良好，滿足要求。

(2)帶暗柱的疊合板構件，可以有效地增強構件吊裝的穩定性，以及現場安裝的可靠性。

(3)預制節段之間預留空腔，現場插鋼筋籠后再澆筑混凝土的方案，可以有效提高地下管廊預制構件連接的防水抗滲性能。

在本次試驗段中，管廊基底的20cm厚混凝土墊層采用現場澆筑，平整度控制有待提高，對上面管廊預制構件安裝精度、速度以及底板外層鋼筋保護層調整有一定影響。在今后的研究和實踐中應考慮墊層混凝土預制化方案，或嚴格控制現澆平整度的措施。