市政排水檢查井及其井周路面不均勻沉降研究

李 幸,陸 斯,鄢 丹

(廣西交通設計集團有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

隨著城市交通建設日益發展,市政管網配套設施逐步完善。排水檢查井是市政排水管網工程重要的附屬構筑物,其中有相當數量的排水檢查井布設于市政道路行車道下方。在車載的反復作用下,檢查井及其井周路面出現不均勻沉降的病害現象時常發生,不僅影響城市風貌,更嚴重影響行車安全。近年來,城市道路路面質量及養護的要求越來越高,解決排水檢查井及井周路面不均勻沉降問題迫在眉睫。

現有對排水檢查井及井周路面不均勻沉降的相關研究多為對施工技術改進的探討,以及對檢查井井蓋材料的優化研究,而對井座結構優化及提高承載力應對車載影響的研究較少。本文結合南寧市軌道交通5號線沿線道路整治工程(南段)項目實例,分析檢查井及其井周路面發生不均勻沉降的主要原因,針對要因提出改造方案,以達到降低車行道上排水檢查井及其井周路面不均勻沉降的效果。

1 工程概況

軌道交通5號線沿線道路整治工程(南段)項目(以下簡稱軌道5號線項目),沿軌道5號線路線自北向南穿越南寧市西鄉塘片區及江南片區,整治范圍包括明秀西路及壯錦大道,道路等級為城市主干路,實施長度約為8.85 km。

整治范圍內道路投入使用已達10年以上。明秀西路沿線分布多個學校、醫院、公園等人流密集的功能板塊,壯錦大道向南連接機場高速公路,為南寧市南邊門戶進出的重要干路,車流量較大。

經現場踏勘發現,行車道下現狀排水管線眾多,檢查井井蓋多分布于非機動車道、輔道及主車道,現狀路面結構為復合路面,部分路段檢查井及井周路面發生不均勻沉降。根據項目的設計原則,對現狀路面及排水設施病害進行改造處理。

2 現狀沉降情況

根據《市政道路工程質量檢查評定標準》中對瀝青道路面層“井框與路面高差”的要求,允許偏差為5 mm,井與周邊平整路面高差>5 mm,即為發生沉降。本文以軌道5號線項目明秀西路及壯錦大道全線作為調查對象,對整治范圍內排水檢查井及其井周路面沉降情況進行記錄,調查結果如下:

(1)整治范圍全線排水檢查井共計934座,其中,位于行車道上的檢查井共792座,位于人行道上的檢查井共140座;發生沉降的檢查井共計626座,其中,位于車行道上檢查井共583座,位于人行道上的檢查井共43座。

經數據分析可得,檢查井及井周路面發生沉降的檢查井個數占現狀排水檢查井總數的67.02%。位于車行道上的排水檢查井發生沉降的檢查井占比較大,約為73.43%,而位于人行道上的排水檢查井發生沉降的概率較小,約為30.71%。

(2)在發生沉降的排水檢查井中,檢查井及井周路面發生沉降且沉降值為5～10 mm的檢查井有375座,沉降值>10 mm的檢查井有251座。其中,在沉降值>10 mm的檢查井中,位于車行道上的檢查井占比為89.2%,位于人行道上的檢查井占比為10.8%。

由此可見,在道路使用時間相同的情況下,位于車行道上的排水檢查井發生沉降的概率較大,且沉降值高于位于人行道上的排水檢查井。

3 成因分析

相關研究表明,檢查井及其井周路面發生不均勻沉降的影響因素較多,而較大的車輛沖擊荷載是導致檢查井及其井周路面沉降的主要影響因素。根據上述現狀調查結果,軌道5號線項目范圍內,發生沉降的檢查井多位于車行道上。明秀西路與壯錦大道為城市主干路,且臨近那洪收費站,車流量多、時速較高,檢查井及其井周路面沉降受車載影響較大。本文根據項目原設計及施工情況,分析車行道上的檢查井及其井周路面發生不均勻沉降的主要原因。

3.1 井座承載力不滿足行車動載作用要求

軌道5號線項目道路沿線現狀排水檢查井采用重型球墨鑄鐵井蓋,井座包括井蓋支座及鋼筋混凝土座圈兩部分,井蓋支座通過膨脹螺栓與座圈固定,座圈為環狀柱體,內徑與井蓋相同。井座與井蓋配套使用,設計荷載為城—A級,承載能力應達到《鑄鐵檢查井蓋》(CJ/T 511-2017)中的D400標準,試驗荷載≥400 kN。

軌道5號線沿線道路使用已超過10年,原設計標準偏低,檢查井井座按標準荷載值設計,但當車輛快速進入檢查井井周路面范圍時,車載對檢查井及井周路面產生明顯的沖擊荷載作用。相關研究數據表明,車輛進入井周路面區域時,車輛沖擊荷載可達靜荷載的1.29倍[1]。當車輪在路面正常行駛時,車輪與路面的接觸面積約為0.12 m2,而當車輪經過排水檢查井時,其有效接地面積減少為0.09 m2,作用于井座的荷載遠大于在路面行駛時的計算值。

當現狀井座承載能力不能滿足車輛快速通行產生的集中荷載時,井座即發生破壞或整體沉降。同時,檢查井井座直接搭接在檢查井井筒上方,井筒橫截面積與井座相同,當井座承載力不足而發生破壞時,車輛荷載垂直向下傳遞至井筒,長期積累,會導致檢查井整體下沉。行車動載路面傳遞方式與井座傳遞方式不同,在行車動載長期作用下,檢查井井座與路面結構的變形存在差異,道路使用時間越長,檢查井井蓋沉降值較周圍路面沉降值差異越明顯,從而產生不均勻沉降[2]。

3.2 井周密實度不足導致路基沉降

現狀井蓋支座在路面表層寬度僅為80 mm,支座與座圈通過螺栓固定,支座周邊路面結構回填瀝青材料。經現場調查發現,在軌道5號線項目沿線道路發生沉降的檢查井中,部分檢查井井蓋支座與井座連接不夠穩固,或井周路面瀝青材料壓實度不足,從而產生井蓋與其周邊路面連接處密實度差、井蓋松動等現象。整治工程項目位于南寧市,屬亞熱帶季風氣候,常年雨水充足。當井蓋松動或密實度不足時,在雨水作用下,積水通過井蓋松動處往下滲漏,并向井周路基滲透,使路基長期在水中浸泡,造成土層松動,路基密實度發生改變,導致路基強度與穩定性降低,從而不能有效承受行車動載;在長期雨水滲漏影響下,行車荷載作用導致井周路基下沉明顯,從而造成井周路面沉降[3]。

綜上,該項目檢查井沉降主要原因為:(1)由于井座承受行車荷載沖擊能力不足;(2)現狀球墨鑄鐵井蓋設計支座連接方式不佳,容易引起井蓋松動,造成雨水滲漏,引起路基松動下沉。

4 改造措施

針對上述排水檢查井及井周路面不均勻沉降產生的原因,本文結合軌道5號線項目實例,從提高檢查井井座承載力及改進井蓋支座穩定性、提高井周路面壓實度等方面,提出改造措施。

項目現狀重型球墨鑄鐵井蓋配套井座,車載作用面積小,車載較集中,且車載通過井座直接傳導到井筒,從而引起井體整體沉降。改造措施考慮采用加寬井座結構的處理方案,增加井座面積,同時增加承壓措施分散車輛荷載,加強井座整體結構承受行車動載沖擊能力。

結合本項目為現狀道路改造工程,從減少工程投資及施工便捷性方面,提出兩個方案進行比選。

4.1 方案一:對座圈進行加寬處理,同時增設混凝土承壓圈(下頁圖1)

圖1 方案一改造示意圖(mm)

基于現狀井座設計,對位于車行道上的檢查井按《室外排水設計標準》(GB50014-2021)要求,并參照檢查井國標圖集進行井座結構改進。井蓋支座與現狀尺寸一致,對鋼筋混凝土座圈進行加寬處理,加寬后座圈外徑增加200 mm。此外,在井座下方增設外邊長為2 600 mm的方形預制混凝土承壓圈,承壓圈設置在路基碎石層上方,承壓圈底部高程與路面結構層底部高程一致,其作用為分散車輛荷載,使荷載傳遞至路基,而不直接傳遞到井體。井座與井筒通過聚苯乙烯芯模分離,起緩沖作用,使井體本身不承受來自車輛通過座圈傳遞的集中荷載。

此方案井蓋支座尺寸不變,但由于鋼筋混凝土座圈寬度加寬,路面瀝青材料可通過機械壓實,不易松動。

改造效果:井座加寬改造后,機動車動荷載作用于井座面積增大,同時,在座圈底部增設鋼筋混凝土承壓圈,起分散荷載作用,井座整體承載力有所提高,且車輛動載通過井座傳遞到承壓圈,不直接作用于井體。

4.2 方案二:井蓋支座改造,座圈與承壓圈結合為預制承壓井圈(下頁圖2)

圖2 方案二改造示意圖

基于現狀井座設計,對井蓋支座進行加寬,同時支座加長,與座圈形成承插式連接,更加穩固。座圈改造為一個直徑為1 650 mm的圓形預制混凝土承壓井圈,預制承壓井圈下設預制混凝土擋圈及預制接口構件,不與井筒結構直接連接,構件上方設聚苯乙烯芯膜,起緩沖作用。預制混凝土擋圈與預制接口構件之間有5 mmPE板隔離層。預制構件整體作用為:當上方圓形預制混凝土承壓井圈受車輛集中荷載時,預制混凝土擋圈可起到上下移動調節作用,減少直接傳遞到井筒的荷載。

改造效果:本方案改造思路同可調式防沉降井蓋,即將井蓋支座與井座的固定連接改為承插式連接,使支座成為路面的一部分。預制混凝土承壓井圈上方按道路要求回填瀝青層,面積較大,可用機械壓實,以提高壓實度,有效減少因井蓋松動引起的雨水深度導致路基下沉問題。同時,行車荷載作用分散到承壓圈,來自上部的荷載被分散到道路結構層,共同受力,使井體承受負荷減少80%以上[4]。

綜合分析:(1)從井座承載力情況分析,通過模擬兩方案均能較大程度地提高承載力;(2)與現行排水檢查井井座造價相比,方案一增加約800元/座,方案二增加約100元/座,方案二較方案一更為經濟;(3)從施工條件分析,由于本工程為現狀道路改造,預制構件尺寸大,現狀路面開挖及恢復面積較大,工程量較大;(4)方案二的井蓋支座改造方式更優,與井座固定更為穩定,后續路面改造加鋪瀝青施工更為便利。

綜上,項目采用方案二作為井座改造方案,將其應用于軌道5號線項目檢查井改造,并檢驗使用成果。截至目前,軌道5號線壯錦大道某路段約1 km主車道上的排水檢查井已按上述提出的推薦方案進行改造,并已完成施工,運行通車約1年。經現場檢驗,檢查井及井周路面未出現不均勻沉降現象。

5 結語

檢查井沉降主要原因包括井座承受行車荷載沖擊能力不足,以及井蓋松動,造成雨水滲漏,引起路基松動下沉等。本文提出井座結構改造方案,通過增加預制混凝土承壓圈、增加緩沖層,達到降低市政排水檢查井及其井周路面不均勻沉降效果。

目前,本文提出的井座加強方案已應用于軌道5號線項目中,后續將跟蹤使用效果,對比同等使用時間的道路項目井蓋及井周路面沉降值,為后續設計項目提供借鑒。