预制装配式混凝土综合管廊施工工艺

何昌杰 陈绪林 彭亿洲 刘世辉 杨鑫蕊 温利军 陈 昊 杨才千

1. 中建五局第三建设有限公司 湖南 长沙 410004；2. 湘潭大学土木工程与力学学院 湖南 湘潭 411105

综合管廊也叫综合管沟、共同管道或共同沟[1]，即在城市地下将各种工程管线集于一体而建造的一个隧道空间。1833年法国在巴黎城市阴沟（地下水道）的基础上直接将不同类管线也铺设在里面，建设完成了世界上第一条综合管廊[2]，经过185年的发展，综合管廊在现代城市中可承担几乎所有的市政公共服务功能，是保障城市正常运行的重要基础设施和“生命线”[3]。综合管廊具有地下空间合理利用、安全性能健全、管线维修简便等优势，其建设程度成为了地区现代化发展水平的象征之一。

预制装配式技术应用于综合管廊是市政建设中一种先进的工业化建设方式，将综合管廊拆分为各个预制构件，在预制混凝土厂生产后运输到施工现场进行装配，具有减少湿作业、缩短工期、节约成本等一系列优点，工程应用价值十分突出。

1 预制装配管廊发展史

1.1 国外发展史

1875年，英国人威利·亨利·拉塞尔的发明专利“建筑结构形式的更新发展”是预制装配式技术正式诞生的标志[4]。

1945—1970年间，经历二战后的欧洲各国百废待兴，建造速度快、生产成本低的预制装配式建筑得到大量的推广[5]。与此同时，预制装配式综合管廊也随之在欧美等发达国家推广开来。苏联卫国战争结束后，在第二和第三大城市列宁格勒（今圣彼得堡）和基辅市的再建过程中，研发使用了预制构件现场拼装的装配式综合管廊[6]，这是综合管廊首次向着预制装配化发展，而这一技术的出现，不仅对促使综合管廊向工业化、产业化发展具有积极意义，而且在世界综合管廊发展史上也具有里程碑式的意义。

1923年，日本首次在九段坂、八重洲、淀町等地建设地下综合管廊。在1963年，先后出台《共同沟特别措施法》和相应的实施细则，直接在根本上解决了日本综合管廊建设的相关问题。从1990年开始，日本的综合管廊建设中大量使用预制箱涵装配化技术。现在日本建设综合管廊上基本不再采用现浇的施工做法，而且截至2015年已经修建的2 057 km的地下综合管廊中，90%以上为预制拼装结构，可以说日本后来居上，在预制管廊建设方面已经走在了世界的最前沿[7-8]。

1.2 国内发展史

1958年，在北京长安街修建了国内第一条地下管廊[9]。

1991年，台北在吸取其他国家共同沟建设经验的基础上，经过科学的规划开始建设共同沟[10]。

21世纪以来，我国工业化迅猛发展，预制装配式技术也随之得到了快速崛起。2007年，上海世博园区建设了国内第一条使用先进的预制应力综合管廊技术的地下市政综合管廊[11]。

2012年，厦门翔安南路建设的综合管廊工程全线采用预制拼装技术，全线预制化达98%以上。该工程中综合管廊全线采用预制管节进行组合拼装，这在国内乃至国际上尚属首次，在综合管廊建设领域具有划时代意义[12-13]。

2015年，我国编制的GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》[14]就预制装配式管廊专门提出了要求：综合管廊工程建设一定要推广预制装配式技术。我国“十三五”规划纲要中提出要大力发展推广建筑装配工业化，并且提出了综合管廊的绿色建造，在国家综合管廊试点城市申报中，也优先考虑的是能运用预制装配式综合管廊的工程实施方案。

2017年，四川绵阳科技城集中发展区核心区开始建设综合管廊，其全长为33.654 km，是国内目前采用全预制装配式技术最长的地下综合管廊[15]。

2018年，四川成都龙泉驿区玉虹路建设的地下三箱整体式综合管廊，其3个完全独立舱室可满足家用小轿车双向行驶，是国内目前最大尺寸的预制装配式三箱管廊[16-17]。

2 预制装配式综合管廊研究现状

2.1 国外情况

自预制装配式技术诞生后，日本、美国、俄罗斯、英国、德国等国相继在新建综合管廊工程中逐步应用预制装配式技术。经过70多年的探索、研究、改良和实践，以日本为代表的发达国家，城市地下预制装配式综合管廊的技术水平已完全成熟。

1970年左右，以高田至郎[18]为代表的日本学者就开展了综合管廊的抗震研究。1984年，日本国内成立了日本工业会，以期在进行预制混凝土相关研究的同时促进产品开发研究、产品供给、推广以及全面的发展，由此为建筑事业做出贡献。为了大型预制共同沟的建设与推广，日本工业会于1989年在内部成立了共同沟事业部。1992年在早稻田大学滨田政则[19]教授的指导下，就进行了预制共同沟抗震试验以及抗震性能证实的宣讲。1994年美国在震后重建中对全国已经建设的综合管廊开展了大规模的加固，其国内的许多大学也为此开展了抗震加固研究[20]。其他国家的学者对地下综合管廊等地下结构的地震响应也进行了大量的研究。Shamsabadi等[21]、Kutter等[22]、Cilingir等[23]通过模型试验分别对综合管廊、地下隧道等地下结构进行了研究，分析了加固后综合管廊的地震响应。Beaty[24]、Bobet等[25]、Katona[26]、Debiasi等[27]、Lee等[28]利用有限元软件对综合管廊、地下隧道等地下结构进行了研究，分析了地震作用下的结构抗震性能、损伤机理及动力响应等，得出了响应的结论并提出了相应的加固措施。

此外，Marshall等[29]理论推导与分析了管廊埋深、土体刚度和传力方法等因素对地下管廊与土体的相互作用。Sharma等[30]、Petrukhin等[31]和Hunt等[32]对管廊建设对邻近结构和环境等影响做了研究分析，研究了影响结构的刚度的因素，分析了布置方案里埋深等因素对社会与环境的影响，并对各种形式管廊的优劣进行了详细的分析。Petrukhin等[31]、Robati等[33]和Namin等[34]也分析了管廊建设对城市环境改善的重要作用，明确了城市地下预制综合管廊建设符合城市设计和可持续发展的政策和理念。

2.2 国内情况

虽然从20世纪50年代起，我国便开始了对装配式综合管廊的研究，但是由于防渗技术、接缝结构以及接缝材料等一系列不满足要求的因素，导致直到21世纪初，相关的管廊建设仍一直处于停滞状态。

21世纪以来，我国工业化迅猛发展、科学技术快速进步和人们环境保护意识增强，对预制综合管廊的建设及研究也逐渐增多。薛伟辰等[35]以2010年上海世博会园区综合管廊工程为背景，对预制预应力综合管廊和现浇整体式综合管廊以一个施工标准段进行工期和土建成本分析；童星宽[36]以成都市双林路管廊建设为例，通过数理分析对比了现浇管廊与预制管廊。曹生龙[13]分析了异形预制混凝土涵管用于地下综合管廊结构受力性能、断面形状和尺寸及功能分区等优势。结果均表明，相比于现浇管廊，预制综合管廊在施工工期、土建成本、抗震、抗沉降、节能环保、总体经济性等方面有较大的优势。

预制装配式综合管廊具有诸多优点，但是在我国一直未能得到推广。梁荐等[37]、沈冰[38]、毕波[39]针对我国预制管廊建设处于从大范围试点到全面开展的实际发展阶段，通过对推行中存在实际问题的分析研究，认为较主要的原因是我国之前对管廊建设无重大规划，尚未建立完善的技术规范文件和配套的政策法规，缺乏标准化的生产工艺及设备。此外，我国管廊建设的费用摊销难度大，维护费用成本高，设计思想保守，城市地下管线权属分散，事故频发等也是我国综合管廊建设发展中亟需解决的问题

田子玄[40]、王英彬[41]和郭建涛等[42]利用有限元软件进行数值模拟，结合试验与理论分析，分别对预制叠合板装配式综合管廊的钢筋连接方式、管廊节点形式的受力性能、整体性能进行研究分析。结果表明，装配叠合板式节点能达到与现浇节点基本相同的受力性能。装配叠合板式节点拥有良好的整体性能，而叠合板与侧壁之间采用支托连接的方式能达到更好的受力性能，且叠合板中设置钢筋桁架也可以显著提高管廊的刚度，能更好地满足相关设计规范要求。

黄文翾[43]、张福麟[44]和魏奇科等[45]使用有限元分析工具，分别研究了预制装配式综合管廊的预制分块接头部位对结构整体抗震性能的影响、机动车荷载作用下装配式综合管廊的力学及其损伤特性和综合管廊结构边节点和中节点的抗震性能。对比研究表明，较为有利的相对位置关系与合理的装配式管廊接头方式及分块方式可使结构满足抗震要求。其中，魏奇科等[45]又通过对试件的破坏形态、弯矩-位移滞回曲线和弯矩-位移骨架曲线等力学特征的分析，得到了可防止叠合节点和现浇节点发生剪切破坏并显著提高叠合节点受弯承载力的节点区合理配箍率；而且其在对叠合节点和现浇节点的外侧纵筋所设置的抗震锚固长度，可防止叠合节点和现浇节点发生锚固破坏的破坏模式，并提高现浇节点的受弯承载力。

胡翔等[46]针对2010年上海世博会园区预制预应力综合管廊，通过足尺模型试验对其接头的防水性能进行了较为系统的试验研究。基于试验结果，建立了遇水膨胀橡胶条压力计算公式，并拟合得到了遇水膨胀橡胶条的压力-变形关系式。这也是国内最早的对预制管廊接头防水性能的研究之一。孔祥臣[47]、严林[48]、黄剑[20]和郭敏[49]针对预制结构接头防水性能进行了试验与理论研究，展开了较为系统的总结与分析，不仅为预制拼装综合管廊接头防水性能的研究与设计提供了依据，而且可为类似工程提供借鉴和参考。张铨婧[50]、常松等[51]和闵传杰等[52]从接缝处接头连接方式着手，结合试验验证了拼接缝处柔性防水可以实现综合管廊的抗裂防渗设计，而且闵传杰等[52]提出的2道防水橡胶圈具有良好的防水效果，为预制混凝土箱涵装配式综合管廊防水构造设计提供了一定的参考，同时也为节段整体式预制综合管廊接头防水性能的设计提供了可行的方向。

此外，陈小文等[53]通过对结构防水、变形缝、拼装缝等方面防水设计的分析研究，提出了一种经试验验证防水效果良好的新型叠合装配式管廊。陈孝凯[54]基于4种规格材质的密封胶条的压缩性能试验、水密性试验以及双舱箱涵节段间密封胶条受力有限元模拟，为预制装配式综合管廊防水设计和使用提供了一些新的思路和依据。

3 预制装配综合管廊结构研究的热点

3.1 结构形式

随着在现代化城市建设中地下综合管廊建设的普及，预制综合管廊的形式也越来越多样化。当前工程中采用的结构形式可分为全预制装配式混凝土综合管廊和半预制装配式混凝土综合管廊2种[20]。

全预制混凝土综合管廊的构件全部在工厂加工预制完成，再运送到施工现场通过承插口或预应力筋连接安装，安装过程不需要浇筑混凝土。主要包括整舱预制装配式综合管廊、分块预制装配式综合管廊等。该种管廊节段整体性好，施工作业量少，工期短。

半预制混凝土综合管廊的结构构件部分在工厂加工预制完成，运送到施工现场拼装就位后，再浇筑混凝土形成结构整体。主要包括叠合板预制装配式综合管廊、预制板式装配式综合管廊等。该种管廊相比现浇综合管廊，施工现场模板工程量少，施工作业量减少，工期缩短；相比全预制装配式混凝土综合管廊，无纵横向拼缝的存在，结构整体性能好，防水性能也相对较好。

除此之外，竹筋混凝土、FRP筋混凝土等新形式的综合管廊的研究也被看好[55]。相对于传统建筑中运用的钢筋，利用竹子制作的竹筋及高分子材料制作的FRP筋等新材料筋具有优异的物理力学性能，有较高的抗拉强度、相对较大的比强度、较好的吸震和抗震性能、很好的可设计性等优势，是值得研究的新领域。

3.2 防水性能

地下预制装配式混凝土综合管廊建设中防水主要包括预制构件自身的防水、连接接头的防水和结构外包的防水。其中预制管廊接头的防水性能是影响其适用性和耐久性的关键技术问题，之前专门针对预制综合管廊接头防水性能的研究匮乏，因此成果丰富的隧道预制结构研究为工程建设中预制管廊接头的防水构造提供了许多宝贵的经验。但随着城镇化速度的不断加快，地下综合管廊建设成为现代化城市基础建设的方向，国内在预制拼装综合管廊应用方面的发展和创新均在一定程度上受制于综合管廊防水问题，针对预制管廊拼接缝的防水性能进行深入的研究，开发更加适合拼装结构的防水工艺及防水材料，是预制拼装综合管廊发展研究的核心内容。

此前，除了在施工中管廊混凝土采用自防水混凝土，使用止水带及HDPE等新型材料防水卷材提高综合管廊的防水性能，相关的学者在研究工作中提出了预制双橡胶密封条（圈），加之用预应力张拉锁的接头防水设计建议，但目前还处于起步阶段，相关的接口设计及试验研究仍然相对较少。在实际工程中，如采用2道胶条防水，胶条的尺寸设计对防水性的影响、安装张拉力的大小对防水性的影响、预制管廊接口的防水检测、管廊混凝土材料的抗渗性能等问题仍值得深入研究。

3.3 抗震性能

以前相关管廊的震害记录较少，加上认为地下结构的抗震性能较好，因此长时间忽视地下结构的抗震问题。但近年来综合管廊等地下结构在几次大地震中遭受到了严重的破坏，管廊抗震研究的重要性日益凸显。

1995年阪神地震中，日本神户市的地铁车站、区间隧道以及地下综合管廊受到了严重的破坏，其中2号线综合管廊出现了较为严重的内壁混凝土层剥落、止水板损坏及底层内部结构接缝错位或分开等问题。1999年集集地震中，台湾省高速公路隧道等地下结构也发生了严重的破坏。2004年中越地震，日本铁路隧道地下建筑遭到严重破坏[56]。2008年汶川地震中，四川省多座隧道、多个地下车站产生了比较明显的损坏。2013年雅安地震中，四川地区建筑物以及各种地下轨道、管线遭到严重破坏。其中都江堰—汶川公路隧道出现开裂、隆起和渗水等破坏。这些在地震中地下结构产生的破坏都说明其在地震作用下并不坚固，因此对地下结构的抗震性能进行研究就十分必要。

近年来，我国加大了地下结构抗震问题的研究，在最新的GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》和GB 50909—2014《城市轨道交通抗震设计规范》中补充了地下结构抗震设计的相关要求与设计方法[57]，但是对于地下综合管廊的地震作用研究大多针对的是现浇综合管廊，而预制装配式的相关研究相对匮乏。相比现浇整体式综合管廊，预制装配式综合管廊在其横断面平面内存在大量接头，拼接处可能成为地震薄弱部位；同时由于预制管廊纵向接头存在一定柔性，也可能减轻结构震害。这些还需要进一步进行相关研究分析确定，才可以为工程设计与应用提供相应的指导。这些都说明对预制装配式综合管廊的抗震性能进行研究十分重要。

3.4 抗疲劳性能

目前，国内外对预制装配式综合管廊的力学性能研究集中于装配式管廊的承载力特性，很少考虑在机动车动荷载的影响下预制装配式综合管廊抗疲劳性能。

根据GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》中的规定，综合管廊主线宜设置在机动车道、道路绿化带下[58]。故预制装配式综合管廊通常位于道路下方，且受到基坑施工成本的影响，埋深通常较浅，使用期间会受到正上方路面车辆反复动荷载的长期作用，在这种情况下，其角点、接头等局部应力集中位置可能出现塑性变形或应力疲劳损伤，产生承载能力下降、拼接面劣化、渗漏等问题。因此对预制装配式综合管廊的抗疲劳性能进行研究就显得重要起来。

后续研究可针对国内各种不同形式的预制装配式混凝土综合管廊，考虑管廊结构与土体的相互作用，针对不同的节段连接形式，建立合适的动荷载简化模型。分析动荷载作用下管廊结构的内力、变形以及其抗疲劳性能，以便为车辆荷载作用下地下预制装配式综合管廊设计改进提供理论依据。

4 结语

在国家重点推行建筑产业化、绿色化的大潮下，预制装配式综合管廊作为为民、惠民的基础工程受到了极大的重视，各种新工法、新材料也推动其应用越来越广泛，但是在推广应用过程中缺乏一定的理论研究和规范的支持。本文分析对比了国内外预制装配式混凝土综合管廊研究现状，并对当前预制装配式综合管廊研究中的热点问题进行分析，针对性地提出相关合理化的建议，为综合管廊建设中预制装配式技术的研究和应用指明了方向，希望能促进预制装配式混凝土综合管廊的发展。