箱式市政工作井预制拼装方案对比分析及接口构造设计——以南宁五象新区1号路电力直线工作井为例

□ 江怀雁

1 引言

给排水、电、气和通信管网是现代城市的生命线工程，新城区建设和旧城区改造均离不开此类市政基础设施。市政工作井按材料种类可分为砌体结构和钢筋混凝土结构两种类型，钢筋混凝土工作井目前主要采用整体现浇的方式建造，施工效率较低、建造周期长、对地面交通影响大、模板重复利用率低、人工成本高、噪声和粉尘污染大等主要缺点。如将施工方法改进为工厂预制、再现场拼装，将很好地克服上述缺点，预制件的混凝土质量更有保证，可取得良好的社会效益、经济效益和环保效益。但预制拼装式混凝土结构也有其不足之处，如拼接接口或接缝易成为受力和抗渗漏的薄弱部位、整体性下降等。如将预制厂的开模—浇筑—养护、预制件的吊运—堆放—拼装的成本及占用工时计入，那么预制拼装式工作井的优势将不会那么明显。因此，研究市政钢筋混凝土工作井的预制拼装方案，尽可能降低预制拼装式工作井的造价，方可充分发挥出工业化生产的优势。

笔者前期研究表明，从受力的角度而言，箱式市政工作井预制拼装化具有较好的可行性[1]。现有文献[2-11]对市政工作井这类中小型地下浅埋混凝土中厚壁箱式结构的预制拼装方案缺少综合比较分析研究。本文以电力直线工作井为例，对箱式混凝土市政工作井进行多种预制拼装方案的概念设计和较全面的对比分析，以寻求相对较优的方案，并对接口形式和构造进行概念设计。

2 预制拼装方案设计

箱式工作井预制拼装方案即箱体分割方案，通过对整体现浇井体进行合理地分割，使分割后的预制单元（预制件）尽量满足以下要求：一是类型数少，易于标准化，模具简单，重复利用率高；二是易于产业化，以实现工厂批量预制生产；三是预制件自重轻，吊装吨位小，对现场吊装设备要求低，降低拼接难度；四是拼装接口长度短，尽量减少受力薄弱部位和漏水点；五是现场工作量小，所需人工数量少等。但这些要求之间存在一定矛盾，如当满足接口长度短的要求时，往往会带来预制单元体量大、自重大、吊装难度大等问题；当单元形状为一字形或“L”形时，虽可满足类型数少、自重适中、预制难度小、堆放空间小的要求，但拼装接口总长度长、现场拼接工作量大的问题会突显出来，因此方案设计时需在各要求之间取得平衡。

图1为南宁五象新区1号路某常用规格的电力直线工作井，该工作井的外轮廓尺寸为长6.5m×宽1.8m×高2.4m，原设计顶、底板厚250mm，侧壁和端板厚为200mm，顶部人孔920mm×920mm×2个，端孔为920mm×920mm。针对此工作井，本文设计6种预制拼装方案进行比较，各方案的拼装接口布置、预制拼装件组装方式如图2所示。图2中，除方案5和方案6外，其余方案纵向水平接口沿厚度方向的形状一律采用外低内高的阶梯形，以抵挡井外地下水的渗入，并使板件相互咬合，防止发生滑动。

图1 电力直线工作井施工现场

3 预制拼装方案比选

为便于比较，将该电力直线工作井的井壁厚度统一调整为200mm，钢筋混凝土容重取25kN/m3。分别采用以上6种预制拼装方案进行分割，预制拼装件分割尺寸示意图详见图3，综合性能比较详见表1。

图2 6种预制拼装方案示意图

图3 直线形工作井实例：6种预制拼装方案的预制件分割尺寸示意图

表1 6种预制拼装方案的综合性能比较一览表

表1中，空间效应和整体性对用钢量有直接影响：空间效应和整体性越强，内力相对越小，所需配筋量也越少。接口总长度关系到拼装时需处理的接口总量及薄弱部位的长度，可表征拼装速度、人工成本和防水性、抗渗性、耐久性的水平。对6种拼装方案的优缺点做如下综述。

3.1 方案1

优点：单块预制件自重较轻，吊装设备吨位要求小，生产模具简单、体量小，运输和堆放时占地少，空间利用率高；缺点：接口长度较长，预制件的类型数较多，拼装总件数多，整体性差，用钢量大，在车—土—水压力共同作用下纵向水平接口外侧有张开趋势，对抗渗性和耐久性不利。

3.2 方案2

优点：预制件类型数少，接口总长度短，拼装复杂程度小，箱体整体性好，用钢量少，由于无纵向水平接口，在车—土—水压力共同作用下不存在水平接口外侧张开的薄弱环节，但该方案不足是预制件自重大，对吊装设备的起吊吨位要求较高。当需要控制预制件单体自重时，可减小纵向长度，但接口长度会相应增加。

3.3 方案3

该方案以“瓶+盖”的组合方式，其优点是纵向水平接口位于箱体上部位置，水压力最大的下部无纵向水平接口，可减少渗水的可能性，而且拼装难度小，拼装速度快，但预制件类型数和总块数、单件预制件自重、接口总长度、箱体整体性，在车—土—水压力共同作用下纵向水平接口开闭性等指标均无优势。

3.4 方案4

该方案是现浇与预制拼装相结合的方案，相当于在现浇底板上扣上一个“盖子”，预制件类型数和总件数最少，单片预制件的自重较方案2轻，并具有整体性较好、用钢量适中、拼装难度小、拼装速度快等优点；与其他方案相比，该方案底板上无接口，可最大程度保证底板的抗渗性。不足是需在现场浇筑底板，施工工期和人工成本稍有增加，而且纵向水平接口位于水压较大的箱体底部位置，在井侧水、土压力作用下该接口有张开趋势。从受力而言，现浇底板为板类构件，当其厚度较薄时，由于刚度小，对地基不均匀变形的抵抗能力较弱，因此对地基条件要求较高；当地基较软弱时，在拼装不同位置的Π形预制件时，底板可能容易开裂，需要通过增加板厚和配筋加以解决，但会增加造价；对此，可在底板两侧边增加适当高度的反边（或反梁），则可利用板件的空间效应增加底板刚度，而不需增加板厚和配筋。值得注意的是，底板虽需现浇，但仅需侧模板，模板用量很少，并可重复利用，施工总体比较简便。

3.5 方案5

该方案能够控制单片预制件的自重，是各方案中的最轻者，可降低对吊装和运输设备的要求，但预制件总数增多，类型数也不少，接口总长度达各方案的最大值，箱体整体性、拼装难度和荷载作用水平接口开闭性也无优势，由于侧壁高度中间设置水平接口，并位于同一直线上，在非均匀的水、土压力作用下，箱体上、下半部分容易发生水平错动，出现裂缝。总体来看，该方案的缺点多于优点。

3.6 方案6

该方案的特点与方案5相近，仅侧壁的水平接口相互错开，起咬合作用，可防止上半部分与下半部分在侧向土压力和水压力梯度作用下出现水平错动而发生水平剪切撕裂，但因此也增加了一种预制件类型，总体上略优于方案5。

由上述分析可知，方案1、5、6的优势不太明显，方案2、3、4在吊装设备吨位满足的前提下，方案2各方面优势较为明显；当吊装设备吨位较低，且地基条件满足要求时可选用方案4。应注意的是，方案2须保证底板接口的抗渗性；方案4可将预制件拼装与底板混凝土浇筑紧密配合，利用预制件自重压紧底板未完全硬化的混凝土增强两者间的黏结力，并通过柔性防水构造措施保证底部纵向水平接口的抗渗性能。

4 拼装接口构造设计

地下工作井的拼装接口应满足抗渗性好、承载力高、传力效率高、耐久性好和制作难度低、拼装便捷等多项要求，需从连接方式和接口形状两方面进行设计。在连接方式上，目前有干接、湿接和胶接3种类型可供选择。其中，胶接接口以抗拉强度高于混凝土的环氧树脂胶为接口黏结材料，通过施加预应力将预制件拼装成整体，环氧树脂胶具有找平、填缝、缓冲、均匀传力、防水的作用，因此胶接在承载力、整体性、传力性能、抗渗性和施工便利性等各方面无明显短板，综合性能最优。地下浅埋预制市政工作井因同时承受汽车荷载、土压力和水压力，对承载力和防水性能要求较高，以胶接最为合适。

图4 预制件接口构造详图

接口形状对相邻预制件之间剪力的传递能力、接口的抗剪承载力具有控制作用，采用图4（a）、（b）所示的齿状剪力键接口形状较为合理。由于市政工作井长度较短（一般在10m以内），预应力损失大，故施加预应力的作用有限。尽管如此，由于胶接预制件仍需通过纵向通长钢筋连成整体，因此笔者建议沿井体纵向采用环氧涂层预应力螺纹钢筋作为纵向通长钢筋（见图4a、b），两端通过螺母加垫片的螺纹锚具施加初始预应力，待工作井拼装完毕后再补张拉一次，使接口胶体结合紧密，提高整体性，再在孔道内灌浆，使预应力螺纹钢筋与混凝土之间产生黏结力，以保护钢筋不易锈蚀，并保证在预应力被混凝土和胶体的收缩徐变抵消而损失殆尽后，该纵向通长预应力钢筋仍可作为接口抗裂钢筋发挥重要作用，同时起一定的抗弯和抗剪作用。井体宽度和高度方向因尺寸较小，预应力效果不明显，加之预制件厚度有限，不建议设置预应力钢筋，相应的纵向水平接缝依靠预制件自重和覆土压力保持闭合状态。环向接口的剪力键加强钢筋构造详见图4（c）。

5 结语

本文针对市政管线地下箱式工作井设计6种预制拼装方案，以实际电力工作井为例，对比分析各方案的综合性能，并对接口构造进行概念设计，得到以下结论：

（1）在吊装设备满足起重吨位要求的前提下，箱形预制件拼装方案在拼装难度、拼装工作量、防水抗渗性、整体性、经济性等各方面性能优势较明显，可作为较优方案推荐使用，其次是现浇底板+Π形顶板—侧板预制件方案，但对地基条件要求较高，且需要现场浇筑作业。

（2）环向和纵向水平拼装接口建议采用带剪力键的胶接形式，并沿工作井纵向均匀布置通长的环氧涂层预应力螺纹钢筋，通过螺母+垫片锚具施加预应力，并在拼装施工过程中反复张拉；待预应力筋张拉完毕后，宜在孔道内灌浆，以保护钢筋并发挥抗裂和提高整体性的作用。