节段预制拼装技术在综合管廊工程中的应用研究*

2021-03-06强健

特种结构 2021年1期

强健

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 200092

引言

综合管廊具有保障城市工程管线安全、促进城市地下空间综合利用、美化城市环境等优点，自20世纪90年代以来，我国的现代化综合管廊工程不断涌现。2015年以来，我国较大规模的开展了综合管廊工程建设活动，城市地下综合管廊工程技术取得了较大的发展。同时，预制拼装综合管廊技术与实践也有了一定的发展［1，2］。

广义来说，预制拼装综合管廊包括预制拼装钢筋混凝土综合管廊、钢制波纹管综合管廊、竹制综合管廊、高分子材料综合管廊等。结合施工工法，预制拼装综合管廊可区分为明挖工法和暗挖工法下的预制管廊。暗挖工法下的预制拼装综合管廊主要指顶管法、盾构法、矿山法等方式下的管廊预制衬砌结构和预制内部结构。

薛伟辰等［3］系统地介绍了工程中常见的4种典型预制拼装综合管廊结构体系的构造特点与适用范围，介绍了预制拼装综合管廊的结构设计方法与工程应用情况。油新华等［4］针对全现浇和节段整体预制技术存在的部分缺点，提出了叠合装配技术，利用足尺模型进行了力学和防水试验，初步建立了结构计算模型和方法以及现场验收标准，并在湖北十堰管廊项目进行了工程应用。黄剑［5］概述了国内外预制拼装综合管廊建设现状，从预制拼装综合管廊结构受力性能、防水性能和施工工艺等方面总结了国内外研究现状，给出了典型工程案例。谭琳等［6］以广州市天河智慧城管廊为背景，介绍了分块式预制管廊纵向和横向接头的接头形式及细部防水构造，以及分块式预制管廊横向接头力学设计计算要求，分析了在人防工况下分块式预制管廊的相关要求及力学设计计算原则。胡翔等［7］进行了考虑土-结构共同工作的预制拼装混凝土综合管廊有限元分析，认为软弱土层弹性模量减小会加剧管廊的不均匀沉降，沉降变形量与软弱土层弹性模量的关系函数可近似简化为对数函数，而且软弱土层对管廊结构的内力影响较大。钟翔等［8］以成都蜀龙路五期综合管廊为背景，归纳整理预制“管片”拼装技术在综合管廊中的应用技术和设计计算方法，包括分块尺寸、荷载计算、计算模型、分析计算等。秦端等［9］建立预制混凝土板式拼装综合管廊侧墙-底板嵌入式节点在侧向加载下的有限元模型，分析认为侧墙厚度的增加有利于提高初始转动刚度、屈服时转动刚度、后期转动刚度，而腋角高度、嵌入深度主要影响屈服和后期转动刚度相对值。黄国苏［10］介绍柔性承插式接头、纵向锁紧承插式接头、胶结预应力接头的构造设计要点、连接工艺特点、适用情况等，总结了各类接头在制作难度、施工工期、运营效果、耐久性能、工程造价等方面的特点。

虽然预制拼装综合管廊技术与实践有了一定的发展，但从总体来看，采用预制拼装技术在综合管廊建设工程中的应用率并不高，在很多综合管廊工程中，预制拼装综合管廊多为试验段。本文系统梳理目前工程实践中已应用的预制拼装综合管廊技术，分析预制拼装技术在综合管廊应用中存在的问题，从推广角度给出节段预制拼装综合管廊的成套设计技术方案，为预制拼装综合管廊技术和实践的进一步发展提供参考。在此说明，本文中的预制拼装综合管廊仅指常见的明挖工法下的钢筋混凝土综合管廊。由于综合管廊的功能需求等原因，综合管廊工程中包含有多种功能节点，这些功能节点多为异形或多层结构，不符合预制装配工业化生产的标准化要求。因而，一般来说，预制拼装技术在综合管廊中的应用多指在管廊标准段范围内的应用。

1 预制拼装综合管廊的分类

查阅近年公开发表的学术成果，可以看到关于预制拼装综合管廊的有关定义是比较混乱的。例如，将“预制拼装”称为“预制装配”或“装配式预制”，“节段预制拼装”称为“整舱预制拼装”或“整节段预制拼装”等。为便于交流与使用，本文从预制构件与管廊标准横断面关系的角度，对目前工程实践中出现的预制拼装综合管廊型式分类进行介绍。

1.1 节段预制拼装综合管廊

节段预制拼装综合管廊是指按照综合管廊标准横断面进行全断面预制成型为预制构件。节段预制拼装综合管廊的单个预制构件的横断面即为综合管廊标准横断面，如图1所示。

图1 某节段预制拼装双舱综合管廊Fig.1 A segmental prefabricated double compartments utility

1.2 分块预制拼装综合管廊

分块预制拼装综合管廊是指将综合管廊标准横断面进行分块后，分别制成预制构件，分块预制拼装综合管廊的数个预制构件横断面可组合成为综合管廊标准横断面，如图2所示。

1.3 叠合预制拼装综合管廊

叠合预制拼装综合管廊是将组成综合管廊标准横断面的每个墙、板构件再进行拆分，墙体构件进一步拆分为两片包含结构主筋的两片预制薄板，板构件进一步拆分为包含下部主筋的一片预制薄板，在现场通过钢筋连接辅以现浇混凝土形成综合管廊结构。叠合预制拼装综各管廊的数个预制薄板可组合成综合管廊标准横断面的边界，经现浇混凝土填实可形成综合管廊标准横断面，如图3所示。

图2 某分块预制拼装双舱综合管廊Fig.2 A block prefabricated double compartments utility tunnel

图3 某叠合预制拼装四舱综合管廊Fig.3 A composite prefabricated double compartments utility tunnel

叠合预制拼装综合管廊因其有较大的混凝土现浇工作量，有些工程师将其称为半预制拼装结构。因其在目前的预制拼装综合管廊建设中已有一定规模的应用，本文将其纳入预制拼装综合管廊类别。

1.4 组合预制拼装综合管廊

组合预制拼装综合管廊是指组合利用节段预制、分块预制、叠合预制等技术而形成的管廊横断面，其预制构件可以是若干个节段、若干个分块构件、若干个薄板。在组合预制拼装综合管廊技术中，比较常见的若干个节段的组合，如两个单舱预制节段组合成为双舱综合管廊标准横断面，如图4所示。

图4 某组合预制拼装双舱综合管廊Fig.4 A combined prefabricated double compartments utility tunnel

2 节段预制拼装综合管廊技术应用存在的问题

我国的分块预制、叠合预制拼装综合管廊研究与应用较晚，分块预制的接头刚度与抗剪承载力、叠合预制的节点构造与抗渗性能等均需进一步研究。这些预制拼装技术在工程应用中都比较谨慎，尤其在高地下水的地区较少应用，不作更多讨论。本文基于大量的工程实践，仅总结了影响当下我国节段预制拼装综合管廊技术应用发展的因素。

2.1 造价

相比现浇钢筋混凝土综合管廊，预制拼装综合管廊在原材料节约方面引起的造价降低并不明显，但却有较高的设备摊销费、预制构件运输费和吊装费，而且运输费、吊装费随单个预制构件重量的增大而呈现指数级增大。另一方面，在软土地区，由于基坑临边的大重量预制构件吊装，需进行的必要的基坑工程加固费用也较高。这也是技术相对成熟的节段预制拼装技术在实践中较少应用的主要原因。

在笔者参与的综合管廊案例中，多数进行过预制工法与现浇工法的经济技术比选。一般的，同等条件下，预制拼装综合管廊比现浇综合管廊造价高10%～100%，只有预制拼装的规模较大时，其模具、机械、场地等前期摊销费用降低，才有一定的经济性。从一定意义上来说，节段预制拼装综合管廊工程的应用与发展，需要“规模产生效益”。

2.2 管廊系统布置

综合管廊工程采用预制拼装技术的优点之一是实现综合管廊建设的工业化、产业化，这前提是预制构件的标准化。

在目前的综合管廊标准体系下，综合管廊总体设计需要布置通风口、吊装口、设备间、逃生口、管线分支口等较多的功能节点。根据不完全统计，扣除这些不适合预制拼装工法的功能节点，综合管廊标准段在整个综合管廊纵向长度范围内所占比例仅约为50%～60%。由于预制构件的生产的模具、机械、场地等前期费用较大，这种相对较小的预制率，进一步增大了预制段的摊销费用。

2.3 入廊管线

当综合管廊内纳入热力和天然气时，由于热力管道与天然气管道的技术特点，对预制拼装技术在综合管廊的应用与发展有一定的限制。

热力管道纳入综合管廊时，一般采用支架架空敷设。热力管道支架分为滑动支架和固定支架。其中，固定支架的作用是限制热应力，保证管道与设备、管道相互连接部分的安全，主要承受管道热胀冷缩等原因造成的纵向荷载。根据笔者参与的若干热力管道入廊的综合管廊工程案例，在热力管道固定支架处的纵向荷载可达到1000kN以上。这种大的集中荷载通过支架最终传递到综合管廊结构上。经过计算可以发现，固定支架处若为预制拼装结构，单个预制结构构件是不能承担这个荷载效应的。因而，一般在热力管道固定支架处，不宜采用预制拼装结构体系。

天然气纳入综合管廊，在实践中一直存在一些争议。主要是担心在漫长的使用期限中，可能因管道、设备甚至结构本身的缺陷导致天然气泄漏，有着较大的风险。预制拼装结构有着较多的接缝，制作误差、荷载条件变化、不均匀沉降、围岩应力应变场改变等情况都可能导致接缝处脱开，进而可能产生天然气泄露到相邻舱室的二次风险。因而，在纳入天然气的综合管廊工程中，应谨慎使用预制拼装结构体系。

2.4 预制拼装技术

在目前几类预制拼装综合管廊技术体系中，节段预制拼装综合管廊技术一定程度上继承了预制混凝土箱涵技术，其结构体系受力性态清晰、接头构造成熟，在不同地质条件下均有成功案例，得到了工程界的广泛认可。但这项技术应用时，存在造价较高的缺点，需要进一步研究合适的工法，有效降低造价。

3 节段预制拼装综合管廊设计技术方案

节段预制拼装技术在我国综合管廊工程建设中应用的最早，2010年上海世博会园区综合管廊工程在我国首次开展了节段预制拼装综合管廊示范应用。2012年，经过改进的节段预制拼装技术在沈阳浑南新城综合管廊工程中进行了大规模的应用，如图5所示。

这些早期的节段预制拼装综合管廊工程都是单舱断面，实践证明是成功的。2015年以来，随着我国综合管廊建设事业爆发性的增长，以及城市工程管线“能入则入”的发展要求，综合管廊向着“多舱、高大”的方向发展。在这个背景下，节段预制拼装技术在应用中遇到了制约。

通过较多工程实践的积累，采取合适的技术方案，如提高预制率、降低预制构件重量和生产成本、优选可快速施工的技术方案、保障接缝质量等，合理降低预制工程建安费，突出预制工法“快”的特点，节段预制拼装技术在综合管廊工程仍有很大的发展前景。

在业内有一个观点是被普遍认同的，就是项目产品成本的80%～90%是约束性成本，并且在项目的设计阶段就已经确定。基于推动预制管廊技术发展的目的，在总结多个节段预制拼装综合管廊工程经验的基础上，本章给出推荐的节段预制拼装综合管廊设计技术方案，供同行参考。

3.1 总体设计

综合管廊总体设计，就是对综合管廊工程全局问题的设计。对于采用预制拼装技术的综合管廊工程，在总体设计中要兼顾预制拼装的技术特点。

管廊的总体设计应提高工程的预制范围，以提高工程预制率，降低模具、机械等摊销费用，从而降低预制工程造价。因而，总体设计应尽量提升采用预制工法的标准段在工程中所占的比例，同时从方便施工、降低施工费用的角度，将标准段尽可能集中连续布置。

在总体设计时，可采取“区间设计”的原理和方法［11］，将通风口、吊装口、逃生口、管线分支口、设备间等综合管廊功能节点集中布置在“单元区间”的两端，并进行功能整合，形成长度短、具备复合功能的综合节点，从而使采用预制工法的标准段长而集中，如图6所示。

图6 采用区间设计方法的某管廊总体设计纵向示意Fig.6 The longitudinal schematic diagram of the overall design of the utility tunnel using interval design method

从图6可以看出标准段连续布置在区间中部，区间两端集中布置各类功能节点，区间两端集中布置了分支口、吊装口、设备间、通风口、逃生口、防火隔断等功能节点。这些节点进行功能区域综合布置后，只形成一个长约20m～30m的综合节点，增大了标准段的长度。采用区间设计方法，可将标准段在管廊工程中所占的比例提升到75%以上。

当热力管道纳入综合管廊时，应提前进行支架设计，将热力管道的固定支架布置在综合节点上，避开采用预制工法的标准段，可规避固定支架处的大的集中荷载对预制结构的不利影响。

此外，总体设计应对强弱电支架给出原则性要求。对于强弱电支架的立柱，应优先选用可随预制构件制作同步预埋的U型槽立柱，立柱间距应符合节段长度模数要求。

3.2 节段预制构件设计

预制构件的设计是节段预制拼装综合管廊的关键环节。合理的预制构件设计，应是满足强度、刚度、抗渗等要求基础上的节约型设计，以最小的原材料生产成本，建造重量尽可能小的预制构件。同时，预制构件应进行必要的预留预埋，将施工工作尽可能地安排在预制工厂内完成，以缩短现场工期。经过数个不同类型的综合管廊工程设计，本文推荐的常规条件下的节段预制构件设计原则如下：

1.技术标准

结构重要性系数γ0=1.1，结构的设计使用年限为100年。抗震设防类别为重点设防类。

2.裂缝控制标准

节段预制构件的裂缝控制等级为三级，构件最大裂缝允许值取0.2mm。

3.主要结构材料

预制构件混凝土强度等级建议取C50，抗渗等级为P6，当特殊地段预制构件埋深大于10m时，抗渗等级取为P8。钢筋选用热轧HRB400级钢筋。

4.预留预埋

随节段预制构件同步在工厂制作完成的预留预埋包括（不限于）：预应力筋孔道、张拉手孔、强弱电支架立柱U型槽、管道支架预埋钢板、管线安装辅助吊钩、接地预埋钢板、走道素混凝土垫层等。

5.节段长度

节段长度可取1.5m、2.0m、2.5m等，节段长度的取值宜以“单个节段重量不超过50t”为原则控制。

3.3 连接设计与接缝构造

《城市综合管廊工程技术规范》（GB 50838—2015）规定［12］预制拼装综合管廊接缝应采用弹性密封垫，且弹性密封垫的界面应力不低于1.5MPa，以达到接缝防水防渗的目的。对于节段预制拼装综合管廊来说，预制构件的力学模型为横向等代框架的平面应变模型，在弹性密封垫的垂直方向上没有理论上的荷载作用。要使弹性密封垫产生界面应力，需在构件拼装后施加纵向预应力。因而，节段预制拼装综合管廊，应采取“预应力纵向锁紧”的连接方式。

结合数个节段预制构件的成功案例，本文推荐节段预制拼装综合管廊采用“带注浆孔系统的纵向张拉锁紧承插式接头”，其节段构件连接如图7所示。张拉孔设置于舱室四周腋角，如图8所示。接缝构造如图9所示。

图7 节段预制构件连接示意Fig.7 Schematic diagram of connection in the segmental precast component

图8 构件腋角的张拉孔示意Fig.8 Schematic diagram of the tensioning hole at the axillary angle

图9 接缝构造Fig.9 Diagram of the joint

图7为每个节段之间均进行张拉的连接示意图。实践应用时可根据不同工程的特点，在现场足尺模型试验验证的基础上，改为“2节一张拉”或“3节一张拉”，可提高现场施工速度。

图8中示意的张拉孔，其数量与预应力筋的根数和张拉工作量密切相关。一般的，对于单舱管廊，应于舱室四角设置4道张拉孔、4根预应力筋，以使弹性密封垫的界面压力均衡。对于多舱综合管廊，应在现场足尺模型试验验证的基础上，适当地将张拉孔和预应力筋均衡布置在断面上，以减小张拉工作量，降低造价。

图9中的注浆孔系统可“一孔二用”。在节段拼装试验和施工时，可利用此套注浆孔系统进行现场压力注水试验，进行接缝质量检测。在综合管廊使用期，当发生接缝渗水事故时，可利用此套注浆孔系统进行注浆止水修复。

3.4 防水设计

综合管廊结构的防水等级为二级［12］，即综合管廊工程应以混凝土结构自防水为基础，并设置外设防水层。采用前述方案的预制拼装综合管廊，其结构体系与盾构隧道衬砌结构体系是类似的。而高水位软土地区地铁常见的盾构隧道，当处于非腐蚀性的地层时，规范［13］并不要求外设防水层。在目前的综合管廊技术标准体系下，外设防水层设置的必要性值得商榷。预制管廊的外包防水设计，应紧密契合预制拼装的技术特点。

节段预制拼装综合管廊的防水特点主要有：①预制构件混凝土质量好；②拼缝较多；③拼缝处可能有微小变形等。因而，外设防水层的选型应选择具备抗窜水、抗变形性能的防水材料。同时，外包防水材料应选择施工速度快、施工效率高的防水材料。在总结多个管廊项目防水材料选型的经验基础上，本文建议采用快速成膜、与混凝土粘结性好、防窜水、能适应接缝微小变形的丙烯酸盐喷膜防水材料或喷涂速凝橡胶沥青防水涂料。