燃气阀门井结构优化及应用设计计算

俞 翔,陈振农,王伟栋,张国伟,相玉成,余建民

(1.杭州市城乡建设设计院股份有限公司，浙江 杭州 310004;2.杭州市市政工程集团有限公司，浙江 杭州 310014;3.杭州市建设工程质量安全监督总站，浙江 杭州 310004;4.杭州建工建材有限公司，浙江 杭州 311107)

目前,杭州市燃气行业使用的燃气管道阀门检查井均为砖砌结构,砖砌井是我国长期沿用的修建井室方式,尽管具有结构简单、成本较低的优点,但“砖砌井”存在问题较多：由于它主要由黏土烧制的红砖修建而成,容易出现缝隙间砂浆不密实现象。一般井体建成后的一两年就易出现沉降、塌陷,造成路面不平,加之维修作业面大、施工周期长、综合维护成本高等缺点,给车辆通行及市民出行带来很大不便,也给市政管理维护部门造成很多困难。同时，普遍使用红砖会造成大量取用消耗表土资源,浪费燃煤,不符合建设“节约型、环保型”社会的要求。与传统的砖砌阀门检查井相比,预制整体式钢筋混凝土阀门检查井具有资源消耗低、整体稳定性和抗渗漏性能好、可减少施工环境影响等诸多优点,特别是与近年来我国推进新型建筑工业化的指导思想相吻合。本文主要探讨燃气阀门井在杭州市现行市政道路下新建或改造燃气阀门井的应用。

1 传统砖砌阀门井设计计算

砖砌阀门井主要由钢筋混凝土基础底板、砖砌侧壁、预制混凝土盖板、复合纤维(或铸铁)井盖组成,见图1。

图1 砖砌阀门井结构图

钢筋混凝土底板主要采用四边简支双向板进行计算,地面荷载按20 kN/m2进行取值,底板配筋主要按地基反力计算工况和水浮力计算工况两个最不利工况下计算所得。

砖砌侧壁按受弯构件进行计算,须计算砖砌体受弯构件的受弯承载力及受剪承载力,计算公式详见《砌体结构设计规范(GB 50003—2011)》第5.4.1、5.4.2条。

受弯构件承载力应满足下式要求：

M≤ftmW；

受弯构件的受剪承载力应按下列公式计算：

V≤fVbz。

砖砌侧壁承载力主要控制条件为砖砌材料及砂浆强度等级,主要通过砂浆与砖结构的粘结力承受水土侧向压力。侧壁配筋计算工况主要按侧向水土压力工况设计,根据杭州当地的主要地质情况进行设计,被动土压力系数按0.33取值,设计水位按地面以下-0.5 m取值。

预制混凝土盖板也采用四边简支双向板进行计算,地面活载按《城市桥梁设计规范(CJJ 11—2011)》中城-A级荷载取值,城-A级汽车荷载单轮最大轮压100 kN,根据阀门井埋置深度不同,考虑土层对荷载的扩散作用,转化成作用在井盖顶面的等效荷载,最后以该荷载计算预制混凝土盖板配筋。

砖砌阀门井基础地基承载力计算通常按80 kPa进行设计,基底设置100 mm素混凝土垫层或设置300 mm碎石垫层。

根据砖砌阀门井的计算原理,传统砖砌阀门井侧壁部分强度仅靠砂浆与砖砌体的粘结强度承载侧向水土压力,造成了井体埋深越深井壁厚度越厚的情况,在长期地下水环境及车型荷载的持续作用下,井体本身存在较大安全隐患,防水效果也差,同时井体的占地面积增大,给道路施工同样造成了麻烦；还为后期的运行维护人员维修或抢修阀门造成了操作不便,甚至危及人身安全。

2 钢筋混凝土预制阀门井优化设计计算

钢筋混凝土预制阀门井主要由预制钢筋混凝土井室、预制钢筋混凝土井盖、预制钢筋混凝土井筒调节块、预制钢筋混凝土井圈、防沉降钢筋混凝土井座等组成。

预制钢筋混凝土井室由侧壁和底板两部分做成,侧壁按两边简支,一边自由,一边固接的双向板进行计算,底板按四边简支的双向板进行计算。侧壁配筋计算工况主要按侧向水土压力工况设计,根据杭州当地的主要地质情况进行设计,土体内摩擦角取Ф=20°,设计水位按地面以下0.5 m取值,地面荷载按20 kN/m2进行取值。底板配筋按基底净反力工况、水浮力工况两种工况计算。井室结构见图2、图3。

图2 井室平面

图3 井室断面

预制钢筋混凝土井盖按四边简支双向板进行计算,井盖顶面荷载由覆土荷载及地面活荷载两部分组成,地面活载可按《城市桥梁设计规范(CJJ 11—2011)》中城-A级荷载取值,城-A级汽车荷载单轮最大轮压100 kN；同时考虑不同状况下的车轮布置情况,根据阀门井埋置深度不同,考虑土层对荷载的扩散作用,从而转化成作用在井盖顶面的等效均布荷载,最后以该等效荷载计算预制混凝土盖板配筋。阀门井盖板结构见图4和图5。

图4 阀门井盖板平面

图5 阀门井盖板断面

预制钢筋混凝土井筒主要按环形受力构件进行计算,荷载取值同样按《城市桥梁设计规范(CJJ 11—2011)》中城-A级荷载取值,城-A级汽车荷载单轮最大轮压100 kN。作用在井筒周围的水平荷载按竖向荷载的1/2折算。井筒在本次工程中的主要作用为调节阀门井埋深,实际用户可根据阀门井埋深的不同,选择不同种高度的井筒进行调节,既方便又快捷,本次工程中主要设计了高度100、150、350 mm三种不同规格的井筒。井筒调节块见图6、图7，井圈见图8、图9。

图6 井筒调节块平面

图7 井筒调节块断面

图8 井圈平面图

图9 井圈断面图

防沉降钢筋混凝土井座的设置主要结合了上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司于2016年9月设计的《杭州市城市道路检查井盖防沉降设计图集》，当燃气阀门井设置深度较深时，在未完成沉降的新建道路上新建燃气阀门井时，在已完成沉降的道路上新建或改造阀门井时,在预制钢筋混凝土井筒的上方设置防沉降井座。它的计算模型主要为四边简支的双向板,荷载取值同样按照《城市桥梁设计规范(CJJ 11—2011)》中城-A级荷载取值。它的作用机理为通过井座与市政道路基础面的衔接,达到盖板与道路共同沉降的目的,而并非为保证阀门井不发生沉降。同时,通过井座与预制井筒交接部位柔性防水耐腐蚀材料的设置,为道路及阀门井、均匀及不均匀沉降起到一定的缓冲及协同作用。防沉降钢筋混凝土井座的具体设计依据参数及使用范围可参见《杭州市城市道路检查井盖防沉降设计图集》。

3 预制阀门井地基处理方式设计计算

预制阀门井基础地基承载力计算主要根据目前杭州地区较为典型的地质情况进行设计。杭州地区较为普遍的地质情况是以淤泥质黏土及粉质黏土层为主,淤泥质黏土以城西区域更为突出,萧山及大江东地区以砂质粉土、砂质黏土、粉质黏土等土质情况为主。

地基承载力的确定主要由几部分的荷载组成：阀门井井本体(包括井壁、底板、井盖、井圈),车行道车辆荷载。基底地基承载力计算依据《建筑地基基础设计规范(GB 50007—2011)》中第5.2.1条和第5.2.2条确定。基础底面的压力,当轴心荷载作用时：

式中：Pk为相应于作用的标准组合时,基础底面处的平均压力值(kPa);

fa为修正后的地基承载力特征值；

Fk为相应于作用的标准组合时,上部结构传至基础顶面的竖向力值(kN);

Gk为基础自重和基础上的土重；

A为基础底面面积。

考虑最大汽车荷载工况与最大覆土荷载工况不同时存在,预制阀门井基础底面处的平均压力值约为77 kPa。施工现场在基坑开挖至基底设计标高后应先对基底土层进行地基承载力检测,检测方式可采用浅层平板载荷等方式,检测完成后根据不同的检测结果分为以下三类地基处理方案：

1)地基承载力特征值fak≥100 kPa,可不进行地基处理。

2)地基承载力特征值100 kPa>fak≥70 kPa,须在井体底标高以下设置200 mm碎石垫层,后施工井体。

3)地基承载力特征值fak<70 kPa,须先进行地基处理,处理方法视具体情况而定。建议可采用开挖换填、抛石、松木桩等便于施工且速度较快的地基处理方案。

4 土方回填设计计算

在预制整体式钢筋混凝土燃气阀门井施工完成后,井室四周的回填土回填质量是阀门井运行期间与市政道路使用期间是否存在不均匀沉降的关键因素。故本次设计中对回填土的性质及回填压实系数作了一定的要求。

回填要求采用优质的粉质黏土进行分层压实回填,分层厚度≤300 mm,且回填压实时应对称均匀,压实系数≥0.94。井座、井筒调节块、井圈、成品检查井盖四周回填时,要求采用与道路基层相同的回填材料进行回填,压实系数≥0.94。压实过程中如遇场地受限等因素可采用人工夯实、振捣密实等方案。

5 预制阀门井在实际应用中的效果分析

传统砖砌井结构的优点在于砌筑简单,采购方便,施工周期极短,该种井体被广泛用于市政道路工程各类地下构筑的原因也在于此。但传统砖砌井也存在诸多的弊端,如侧向抗水平力能力差,耐久性差,井体渗水等原因,在我国城市建设化进程的加快,城市主干道、快车道的加速建设,道路车辆的急剧增加的现状下,城市道路下方的各类市政工程井体,发生了不同程度的破坏,给城市道路的美观及各类市政单位的维护、抢修造成了极大的破坏。

传统的钢筋混凝土井结构优点在于井体承载能力强,耐久性好,防水防渗性能卓越,但施工周期长,少量的商品混凝土采购较为麻烦。同时在已有市政道路上,开挖作业阀门井会造成城市道路短暂的交通堵塞,对城市车辆运行造成了极大的困难,这也是钢筋混凝土井在市政道路中未能全面推行的主要原因。

本次研制的预制阀门井有效地结合了两者的优点,不仅满足了阀门井在城市日益趋增的道路荷载的现状下安全、稳定、持久运行的需求,而且也为在新建及改造城市道路下施工阀门井提供了更快捷、更有效、更规范的施工方法,为燃气检修运行单位提供了更安全方便的检修空间,同时，也为建设美丽杭州起到了不可磨灭的作用。

6 结 语

本次研制的燃气预制阀门井在杭州下沙14号路(23号大街至25号大街以西)中压燃气管道工程得到了实际应用,体现了整体式阀门井足够的结构强度，足够的抗渗防漏能力和良好的施工便利性,经试验检测表明,各项技术指标满足技术要求。燃气预制阀门井的研制成果,不仅为燃气行业提供了更规范、更安全、更快捷的阀门井施工方案,同时，也为杭州市政各类企业对城市道路下各类井体的优化设计与施工起到了积极的作用。