大尺寸熱力管溝設計與施工技術初探

胡彥迪

（太原市熱力設計有限公司，山西太原 030000）

0 引言

為配合汾河三期治理，太原熱力南部長輸供熱項目迎賓橋段直埋DN1400mm 供/回管道（共402m）需原管位下放約7m，同時建造鋼筋混凝土管溝、檢查井。考慮到管溝上部覆土較深，采用了SMW 工法樁結合鋼管支撐進行基坑支護。現澆混凝土管溝達到設計強度后，回填恢復原河道。現場按變形縫分倉澆筑，每段之間采用橡膠止水帶防水處理，管溝正中間設置現澆固定墻，同時預留一定尺寸通道。

管溝內部凈尺寸為5.4m×3m，管溝施工如圖1 所示。規劃汾河東、西岸堤二級平臺高程772.8m，西側管溝頂板高程763m，東側管溝頂板高程（763+1.54744）m。考慮最不利荷載，本文以西側暗涵為研究對象。避免結構形成塑性鉸以致出現過寬裂縫，對工程壽命具有重大意義，因此從基礎墊層處理到混凝土原材料控制，模板制作，混凝土澆筑、振搗、養護，防水卷材施工，每一道環節的施工質量應得到保證。

圖1 管溝施工

1 管溝荷載工況分類

管溝主體結構上有永久荷載、可變荷載與偶然沖擊荷載；永久荷載含土壓力、結構主體、管道（靜水壓力）及附件自重、混凝土收縮及徐變作用、預應力和地基沉降影響、地表河流或地下水浮力等；可變荷載包括消防車荷載、凍脹力和施工過程荷載等；偶然荷載包括偶然沖擊力及地震荷載等。

研究了熱力管溝在上述各類荷載作用下的受力形態，根據《建筑結構荷載規范》[1]對活荷載組合系數、荷載分項系數和準永久值系數進行取值。

2 荷載標準值取值

2.1 永久荷載計算

（1）混凝土管溝自重如式（1）所示。

式中：Gg——單元段混凝土管溝自重，kN；γ1——單元段管溝重度，kN/m3；V1——單元段管溝體積，m3。

（2）土壓力如式（2）所示。

式中：GT——單位土體自重壓力，kN/m2；γ2——單位土體有效重度，kN/m3；tc——土荷載系數，取值1.1；h——覆土厚度，m。

2.2 可變荷載計算

包含消防車荷載、導向支撐引起的底板集中荷載（注水試運行、采暖季期間）。

3 荷載設計值

根據《建筑結構荷載規范》[1]3.2.3 條：由永久荷載控制的設計值，如式（3）和式（4）所示。

永久荷載分項系數按《建筑結構荷載規范》[1]第3.2.4 條取值：當永久荷載作用對受力結構不利時，對由可變荷載作用控制的組合取值1.2，對由永久荷載作用控制的組合取值1.35。

可變荷載作用分項系數的取值應符合以下要求：對標準值大于4kN/m2的工業建筑樓面的可變荷載作用，應取1.3；其余情形，應取值1.4。

4 結構配筋驗算

根據《混凝土結構設計規范（2015 年版）》[2]計算：

（1）單向板的彎曲受壓區高度x：

（3）依據ξ 與ξb對比：若ξ≤ξb，則滿足要求。

ASmin=ρminbh＞ASbh＞A，按截面最小配筋率選取鋼筋面積，反之取AS。

5 管溝結構設計參數

5.1 管溝尺寸

圖2 為管溝斷面。凈寬B=5400mm，凈高H=3000mm，頂板厚TD=450mm，底板厚TB=500mm，側墻厚TC=500mm。取管溝單位長度b=1000mm 作為計算單元，根據《混凝土結構設計規范（2015 年版）》[2]9.1.1 條，管溝頂板應按單向板計算。

圖2 管溝斷面（單位：mm）

5.2 結構參數取值

鋼筋混凝土材料：重度γ1=25kN/m3。

混凝土強度等級：C30，fc=14.3N/mm2，ft=1.43N/mm2。

鋼筋強度等級：HRB400，fy=360N/mm2。

壓實黏土：重度γ2=20kN/m3，土壓力荷載系數tc=1.1，土體內摩擦角φ=30°，考慮地下水位，按浮重度γ'2=γ2-γw=20-10=10kN/m3。

5.3 結構荷載計算

5.3.1 結構標準值取值

（1）混凝土管溝自重。①管溝頂板自重GDB=0.45×6.4×1.0×25=72kN，等 效 均 布 荷 載72/（6.4×1.0）=11.25kN/m2。②混凝土側墻自重GCQ=0.5×1.0×3×25=37.5kN，等效均布荷載37.5/（6.4×1.0）=5.86kN/m2。采用DN1400mm 預 制 保 溫 管[3]，標 準 自 重：553.96kg/m（5.54kN/m），采暖季管中含水量：GS=πγ2ρS=15.1kN/m。GS+g=5.54+15.1=20.64kN/m，對底板施加布荷載為3.82kN/m2。

（2）土壓力GT=γ'2tch。現澆混凝土頂板上部土壓力GDT=10×1.1×（772.8-763）=107.8kN/m2。

（3）消防車荷載取值：標準值35kN/m2，當考慮覆土對板頂消防車活荷載的影響，折減系數取0.5。

5.3.2 結構設計值取值

（1）側墻部分。①管溝側墻頂部及頂板豎向均布荷載設計值。由永久荷載控制的組合效應設計值。Q11CZ=1.35×107.8+0.98×0.5×35=162.68kN/m2。由可變荷載控制的組合效應設計值。Q12CZ=1.2×107.8+1.4×0.5×35=153.86kN/m2。取永久荷載控制組合效應：Q1CZ=max（Q11CZ，Q12CZ）=162.68kN/m2。②管溝側墻底部豎向均布荷載設計值。側墻底土壓力：Qcd=10×1.1×（9.8+3.95）=151.25kN/m2。管溝側墻下端垂直均布荷載設計值Q。由永久荷載控制的組合效應設計值：Q21CZ=1.35×151.25+0.98×0.5×35=221.34kN/m2。由可變荷載控制的組合效應設計值：Q22CZ=1.2×151.25+1.4×0.5×35=206kN/m2。取永久荷載控制組合效應：Q2CZ=max（Q21CZ，Q22CZ）=221.34kN/m2。③管溝側墻上端水平均布荷載設計值。計算側向壓力系數1/3×162.68=54.23kN/m2。管溝側墻底部水平向均布荷載設計值。Q2SP=KQ2CZ=1/3×221.34=73.78kN/m2。

（2）底板部分。

管溝底板垂直均布荷載設計值。

由永久荷載控制的效應設計值：Q31DB=1.35×（107.8 +11.25 +5.86 ×2 +12.5 +3.82）+0.98 ×0.5 ×35 =215.72kN/m2。

由可變荷載控制的效應設計值：Q32DB=1.2×（107.8+11.25+5.86×2+12.5+3.82）+1.4×0.5×35=200.05kN/m2。

取永久荷載控制效應Q3DB=215.72kN/m2。

管溝截面受力分布如圖3 所示。

5.4 結構內力計算

管溝斷面彎矩如圖4 所示。該管溝對裂縫控制要求嚴格，不得考慮塑性內力重分布的設計原理[2]。現澆鋼筋混凝土綜合管溝的截面內力計算模型，可選用閉合框架模型考慮。反作用于結構底板的基底作用效應分布情況應根據現場地基條件確定，并滿足《混凝土結構設計規范（2015 年版）》[2]要求：原地基較堅硬或已加固處理后的地基，基底反力可視作直線分布[4-5]。

圖4 管溝斷面彎矩（單位：kN·m）

取管溝頂板部分作為研究對象。

（1）管溝頂板跨中下層配筋。管溝環境類別按三類[4]，板的混凝土保護層最小厚度為30cm，設αS=滿足要求。γS=0.5×（1+

（2）管溝頂板下層固端配筋。MDXD=206.3kN·m，X=36.12mm＜ξbho，AS=1425mm2，AS＞ASmin按AS配筋，實配鋼筋面積：A'S=1901mm2。

6 SMW 工法樁

6.1 工法樁簡介

SMW 工法樁，全稱型鋼水泥土攪拌樁法，通過三軸攪拌樁鉆機機械在地層中向下切削現狀土體，與此同時鉆機鉆頭前部持續加壓注入水泥漿液，與被切削土體充分攪拌混合，凝固后形成整片水泥土柱列狀擋墻，在水泥漿液徹底硬化前，縱向放入型鋼的一類地下工程施工技術。

SMW 工法技術源于基坑工程，并逐漸運用于地基加固、地下壩加固等專業領域。SMW 工法具有經濟效益好、施工工期短、隔水性能強、對生態環境影響較小、整體性強等優點。在全面建設可持續友好型、高效節約型社會的今天，SMW 工法樁應得到大力推廣。

6.2 攪拌樁主要施工工序

攪拌樁施工完成且樁機移位形成工作面后、水泥土攪拌樁固化之前，將型鋼插入攪拌樁內。若型鋼插入樁內阻力較大，可利用振動擺錘輔助沉樁。

SMW 工法樁施工完成之后，破樁頭浮漿至設計標高施工面→施工墊層→冠梁內型鋼包裹塑料薄膜→綁扎冠梁鋼筋→布設冠梁側模→澆筑冠梁混凝土。

7 結語

綜上可知，在該管溝主體設計過程中，充分考慮永久荷載、可變荷載、堆載等多種不利變量的影響下，結構的極限承載力遠大于設計內力值，因此結構具有足夠的安全余量。施工過程中，應嚴格控制型鋼混凝土支擋結構的水泥流量、注漿壓力，確保樁身強度滿足要求。管道支架的安裝應合理施工，避免不均勻受力及變形。地震作用對管溝內力的影響，以及管溝的防水性能應得到持續關注，并制定緊急預案。