乌市某综合管廊结构设计探讨

缪冬建

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

0 引言

地下综合管廊是21世纪新型城市市政基础设施建设现代化的重要标志之一，将管线集约化容纳在地下综合管廊中，不但美化了环境，也避免了由于埋设或维修管线而导致路面重复开挖的麻烦。作为国家“一带一路”发展战略的核心地区，乌鲁木齐市综合管廊建设也开启了新的局面。但乌鲁木齐市作为其特殊的地域性，也给综合管廊建设带来了新的课题。如对抗震要求设计较高，因历史原因导致有许多长期废弃并经杂乱无章回填的大面积筛砂（石）坑的地基处理，热力管道入廊较普遍等与其他城市综合管廊建设不同的问题。本文结合具体工程项目，对其特殊性提供了经济合理的可实施方案，对同类工程项目给予参考。

1 工程概况

拟建工程为与道路合建的综合管廊项目，位于乌鲁木齐市城北片区和米东区，全长约12.8 km，三舱（电力舱+综合舱+燃气舱），结构外尺寸约12.2 m×5.6 m，基底埋深约9.1 m。标准段总长度为4 888 m，特殊段总长度为7 982 m。特殊段设置有端头井、交叉口、变电所、出入口、通风口、投料口、引出口等。综合管廊与道路工程合建，道路红线约60 m，管廊基本位于道路北侧，且在道路红线内，口部基本布置于道路绿化分隔带或人行道内。入廊管线有电力、通信、给水、中水、热力和燃气（见图 1、图 2）。

图1 综合管廊沿道路布置示意图

图2 综合管廊标准断面图

2 管廊电力舱增设钢结构平台

该工程主要特点是入廊管线种类及数量较多，导致电力舱室高度较高（4.6 m），对管线安装带来了不便。因考虑到热力管道尺寸也较大（DN1200），舱室高度不便降低，若将电力舱室分隔两层，对通风、逃生设置均提高了难度。该工程在实施中增设了钢结构平台，平时开启，用时合盖，既方便了电缆的安装，对通风、照明、逃生也均无影响。

3 管廊热力舱室配筋处理

当管廊内敷设热力管线时，舱室侧壁内外温差产生的内力须另行计算。参照《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程（CECS 138：2000）》6.1.9条[1]，如考虑内外壁温差在40℃情况下，若h=300 mm，得 M0=63 kN·m/m，裂缝 ω=0.14，原有设计配筋满足规范要求。另外，在一般情况下，还可以通过通风来消除内外壁温差产生的不利作用，且热力舱室温度过高也会对给水管道输水不利。所以，正常情况下是安全的。

此外，还需考虑热力管道在固定支座处产生的对主体结构水平推力作用的影响。经类似工程经验，热力管道固支推力随管材规格不同有50 kN~2 000 kN不等，考虑到纵向配筋均为构造配筋，对热力管道处的纵向钢筋需进行加强。该工程暂按2 000 kN固支推力考虑，经验算对原有构造配筋16@150提高一档为18@150，已能够满足承载力及裂缝要求。因该工程在设计时，入廊管线未同步参与设计，还未得知后续入廊管线的实际推力，在后续管线入廊设计时，还可以通过支墩调整及补偿器的设置来消除部分推力的作用。

4 管廊投料口大开洞的处理

该工程热力管道和燃气管道管节长度为8~12 m（数据由热力办和燃气集团公司提供），投料口开洞较大，且上下均对齐开洞，对侧墙受力影响较大。一般投料口的开洞位置布置有如图3和图4两种。在无其他特殊原因情况下，一般在总体布置时，就应建议选择图3横断面A将舱内通道设置于舱室内侧。此外，在满足工艺投料的条件下，应使其开洞长度和宽度尽量小，以提高顶板和中板对侧墙的侧向刚度。

侧墙受力计算主要有两种方法：理论计算法和三维有限元法。理论计算法可参照《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程（CECS 138：2000）》6.1.4条[1]，当ng≥0.25 m4（HB/b），开洞顶板或中板可视作侧墙的不动铰支承。由公式可知，增加平台板的宽度和提高平台板的厚度均对侧墙受力较好，且增加平台板的宽度对侧墙受力影响更明显。经计算比较，该工程无法满足不动铰支承条件，即开洞顶板和中板对侧墙受力均有削弱影响，需按弹性支承考虑。从图5外侧墙竖向弯矩云图也可以看出，开洞处侧墙的正弯矩最大值位置上移，且中板处的反弯矩点已不明显了。此时，外侧墙的竖向及纵向配筋均需加强。

图3 投料口横断面A示意图

图5 外侧墙竖向弯矩云图（单位：kN·m）

另外在ng≥0.25 m4（HB/b）条件较接近时，也可采用增加顶板和中板的宽度（即如图6所示），但此时对防水设置有一定的影响，可在实际工程中进行取舍。

5 管廊抗震设计

该工程拟建场地抗震设防烈度为8度，基本地震加速度值为0.20 g；属于设计地震分组第二组，建筑场地类别为Ⅱ类。抗震设防类别：综合管廊为重点设防类；抗震等级为二级，抗震构造措施须按9度考虑。

综合管廊现暂无专项的抗震设计规范，设计时可参考《建筑抗震设计规范（GB50011-2010）》（2016版）、《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范（GB50032-2003）》和《城市轨道交通结构抗震设计规范（GB50909-2014）》。按照《建筑抗震设计规范（GB50011-2010）》（2016版）第 14.2.2条和14.2.3条及《城市轨道交通结构抗震设计规范（GB50909-2014）》第6.1.5条规定，综合管廊可视为平面应变模型，8度区时可仅计算横向的水平地震作用，必要时宜同时计算结构纵向水平地震作用[2]~[4]。因综合管廊内部无拱式结构、长悬臂结构或大跨度结构，对竖向地震作用影响不敏感，可不用考虑竖向地震作用。

一般地下构筑物按抗震性能要求可分为三个等级Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，综合管廊为重点设防类，参照《城市轨道交通结构抗震设计规范（GB50909-2014）》第3.2.4条所示地震计算需考虑：E2地震作用满足结构抗震性能Ⅰ和E3地震作用满足结构抗震性能Ⅱ[4]，此要求比《地下结构抗震设计标准（征求意见稿）》标准要高，故暂按《城市轨道交通结构抗震设计规范（GB50909-2014）》设计是偏安全的。具体计算可按反应位移法或时程分析法，其中时程分析法比反应位移法更符合实际情况，但时程分析法取值参数较困难，而反应位移法比较偏向于理论分析解。在采用时程分析法时，需与反应位移法计算作为对比[4]。

图6 投料口横断面C示意图

经规范设计验算，该工程标准段按照裂缝考虑尺寸及配筋，能同时满足水平横向地震作用的影响，无需特殊提高处理；但非标准段如交叉口在有框架柱的情况下，须对柱尺寸进行加强，必要时需对中隔墙进行局部加厚处理；而在其他非标准段无框架梁柱仅为箱型结构情况下，原有按裂缝考虑尺寸及配筋也能满足水平横向地震作用的影响。究其原因分析，主要是综合管廊舱室尺寸较小，侧墙抗剪能力相对较强，只有在交叉口等跨度较大需设置中间柱的时候才有可能会发生柱子的侧向剪切破坏。此外，在设计时也应该注意中隔墙的厚度，一般中隔墙受力较小，较小的宽度即能满足正常承载力及裂缝要求，但在地震作用下如果中隔墙厚度较薄，也容易产生剪切破坏。这也与1995年日本阪神地震中地铁站受灾最严重的大开站实例符合，中柱先出现剪切破坏，从而导致顶板发生坍塌，底板出现反弯点裂缝[5]。所以，中柱及较薄的中隔墙在抗震要求较高的地区保证其轴压比满足一定的要求极为重要。此外，还需注意柱子部分构造措施：如柱不能仅仅设置封闭式箍筋，还须加设联系箍筋，满足箍筋的肢距以形成网式箍筋；箍筋的间距还要适当地加密，尤其是在柱子的上下端；要保证柱子的截面要求，保证柱子不发生脆性破坏[5]。

地震作用计算，可参照《城市轨道交通结构抗震设计规范（GB50909-2014）》采用反应位移法[4]，将周围土体作为支撑结构的地基弹簧，结构可采用梁单元进行建模，对管廊结构进行水平横向地震作用计算，计算简图如图7所示。另外，还须验算结构的层间位移角以满足限值要求。

图7 标准段结构地震工况计算简图

综合管廊水平纵向地震作用可按照《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范（GB50032-2003）》第 5.2.2节及附录 C.1计算[3]。经验算，可得出管廊每节段的长度与纵向变位限值的关系。管廊节段越短，越容易满足纵向变位限值要求，其纵向地震能量被变形缝接头所吸收；但是节段越短，对防水设计不利。该工程节段按常规取值30 m，均能够满足水平纵向地震作用。图8为综合管廊沿道路分布范围图。

此外，该工程管廊内装配式支吊架在设计时，也需要满足《建筑机电工程抗震设计规范（GB50981-2014）》的相关要求[6]。

6 深厚采砂坑地基处理

图8 综合管廊沿道路分布范围图

根据地勘资料，筛砂坑范围主要分布于北疆铁路东侧至北京北路、长春北路至田园路、河滩快速路东侧华凌市场区域三段，共约2.0 km，基本各呈连贯状态，与拟建管廊近垂直相交，其开采时间集中于2002年~2010年。拟建场地附近最大开采深度达48 m，开采后经筛选取砂后余料（筛余料）直接回填，其组成物单一，主要为缺少细粒成分的卵石，粒径集中于20 mm、40 mm及60 mm附近，回填物具大孔隙，呈松散状态。经现场勘探，认为井孔壁极易坍塌，探井仅能揭露浅层地层。

该工程管廊基础埋深9~14 m，根据地勘资料，筛砂坑范围外基础座落于③卵石及④层卵石层，无需进行地基处理，可作为良好天然地基；筛砂坑范围内基础座落于②层素填土，稳定性差、密实度差，欠固结，尚未完成自重固结，属欠固结土，需进行地基处理。

筛沙坑范围内的②素填土（筛沙坑筛余料）稳定性差、密实度差欠固结，尚未完成自重固结，属欠固结土，自身沉降变形尚未完成，力学性质极差，且厚度较大（最大层厚为48 m）。其实景见图9所示。

该工程筛余料具有孔隙大，缺少细粒成分的卵石等特点。基于项目特点和周边构筑物情况，并结合乌鲁木齐采砂坑常规地基处理经验[7]，对筛沙坑提出了四种地基处理方案进行比选：注浆法、全部置换+强夯补强、部分置换+强夯法、桩基础法，方案比选见表1所列。

图9 ②素填土（筛沙坑筛余料）之实景

因该工程筛余料空隙大，注浆法难以控制；全部置换代价高，且实施操作性较难；部分置换对于对沉降控制要求较高的管廊工程难以保证；而桩基础法需采用钢护筒，造价较高，故四种方法均有其优点，同时也有明显的局限性和不足之处。考虑到东进场高架桥基础采用桩基础法，同时从经济合理的角度对比分析，最终选用部分置换强夯（基底填土厚度≤3 m）+桩基础法（基底填土厚度＞3.0 m）。

该工程在实施前采用试夯，夯击能分别选取2 000 kN、4 000 kN和6 000 kN，夯间距均为4.5m。试夯后依据《建筑地基检测技术规范》（JGJ 340—2015）并结合地基平板载荷试验检测确定：夯击能2 000 kN的试验区夯后承载力特征值为120 kPa~150 kPa；夯击能4 000 kN的试验区夯后承载力特征值为150 kPa~300 kPa；夯击能6 000 kN的试验区夯后承载力特征值为300 kPa。结合现场动探击数判定：2 000 kN夯击能的试验区地基土夯后0~3m深度内呈稍密~中密，3.0 m以下为松散~稍密，影响深度约3.0 m；4 000 kN夯击能的试验区地基土夯后0~1 m深度内呈稍密~中密，1~4 m深度内呈中密~密实，4.0 m以下为松散~稍密，影响深度约4.0 m；6 000 kN夯击能的试验区4.0 m以上填土主要为卵石及漂石，4.0 m以下为天然卵石层，地质条件较好，0~6 m深度内土体呈中密~密实。

表1 采砂坑地基处理方案比选一览表

从试夯结果也可看出，强夯影响深度范围有限。该工程周边虽无较密的建构筑物，但局部区域有地下管线且有高压铁塔，夯击能较大会对周边有影响，原设计方案（3 m以内换填夯实）是可行的。同时桩基础采用钢护套筒施工也可以防止筛余料塌孔的问题出现。

另外，在桩基础设计时，还需要考虑筛余料为欠固结土对桩基桩侧负摩阻力的影响。同时，试桩时也须注意其不利因素的影响。

纵观可看出，采砂坑地基处理的选取与项目特点、周边构筑物情况及筛余料的特点有很大关系。该工程筛余料空隙率大，注浆难以控制，但若在筛余料范围小或空隙率还可以的情况下，注浆法也可以选取，乌市城北主干道综合管廊工程采砂坑处理即是选用的注浆法；而同样的乌市某住宅小区即是采用的全部置换碾压+部分强夯+复合地基的处理方法[7]。以上所列实际案例地基处理方式最终选取也有因其他原因所致。

7 结论

本文通过对乌市某具体工程案例结构设计过程中所遇到的实际问题的探讨，提出相应的处理方案，以便为后续类似工程提供借鉴，主要结论如下：

（1）管廊舱室高度不宜过高，但若实际条件不允许情况下，也可以通过设置可开启的钢结构平台以解决此问题。

（2）热力管道入舱时，热力舱室内的侧壁及顶底板均须考虑温差及管道支座推力的影响。

（3）投料口大开洞对侧墙受力影响较大，且开洞宜设置在靠舱室内侧。

（4）管廊抗震设计须着重注意中柱和中隔墙的受力。结构抗震情况下除须满足承载力的要求，还须满足轴压比和层间位移角限值。另外，须注意柱子箍筋的肢距和间距，提高柱子的抗剪能力，避免柱子发生脆性破坏。

（5）对于乌市普遍会遇到的采砂坑的问题，要结合项目特点和周边构筑物情况，并针对筛余料的特点，选取合适的地基处理方案。地基处理结束后，还须重视并加强沉降变形观测，以确保工程建设安全。