一种适用于沿海地区的暗柱叠合装配式地下综合管廊研究

2022-01-27黄国雄

福建建筑 2021年12期

黄国雄

(福州市规划设计研究院集团有限公司福建福州 350100)

0 引言

城市地下综合管廊，是我国城区市政基建中的一个重要项目，地下综合管廊的建设正得到快速发展与应用；对综合管廊结构设计、受力性能、施工方法及防水要求的相关研究与实践也越来越丰富[1]。目前，国内对管廊的研究主要集中在现浇和整体式预制管廊的受力性能与抗震性能，如胡翔等依照2010年上海世博综合管廊为研究原型，制作接足尺模型，研究其受力性能[2-3];汤爱平等设计了地下综合管廊结构的振动台试验模型，探讨了综合管廊整体在均匀场地中的地震反应特点[4]；彭真等研究多舱综合管廊破坏机制、承载力和变形能力等受力特性，将某综合管廊工程为原型，开展多舱管廊竖向单调静力原尺试验[5-6]。

由于地下结构所处场地环境、交通状况、地质水文条件不同，各地的管廊建设也存在不同特点。本文结合福建沿海工程中管廊的建设情况，对预制管廊的方案进行比选，探索沿海地区综合管廊建设的合理有效方案，提出性能良好的暗柱叠合装配式综合管廊方案。通过结构构造设计优化、数值理论分析、实验室足尺模型试验以及现场足尺试验等方面的具体工作，验证设计方案的可行性，对今后沿海地区的地下综合管廊设计与建设提供借鉴作用。

1 工程概况

本工程依托沿海地区福州市的福马路管廊项目，全长约5.1 km，为单舱断面，结构如图1所示。拟建场地位于福州市马尾区，地势较平坦，地貌单元为冲淤积平原地貌单元，地层从上往下有杂填土、粘土、淤泥、粉质粘土、卵石、全风化花岗岩、砂土状强风化花岗岩。拟建场地位于闽江流域，地表水补给主要受大气降水和生活用水补给，也受闽江涨落潮的影响，主要河流的历史最高水位标高约为6.00 m。拟建场地上层滞水水位的年变化幅度一般在1.5m左右，场地近3～5年最高地下水位埋深为0.50 m，历年地下水最高水位标高约为6.00 m。其它含水层地下水对工程影响较小。

图1 综合管廊标准横断面图

综合管廊在道路标准段布置于非机动车道和人行道下，常规段综合管廊覆土厚度约3 m，管廊原设计采用现浇方案。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10 g，属设计地震第三组。

现浇管廊方案已在工程建设中得到较好的应用，适用性较好，但是存在现场工作强度大，施工时间长等常见问题。该项目预留20 m标准段用于装配式管廊试验研究，探索装配式管廊方案在沿海软弱地层地区建设中的实际效果。目前国内常见的管廊预制方案有分节段工厂整体预制、工厂部分预制现场装配式方案。

2 管廊施工工艺的方案比选

本工程原设计为现浇方案。为探索一种更加适用于沿海地区的管廊施工工艺，该项目预留20 m标准段用于管廊工艺研究，目前常用的管廊施工工艺有现浇、预制拼装、叠合装配式及暗挖法。各种施工方法优缺点不一，明挖现浇法造价最低，但现场施工时间较长；预制拼装现场施工速度较快，造价略高于现浇，现场需要需要大型设备吊装；叠合拼装法，施工速度快，现场无需大型设备，规模体量大时，造价比现场预制拼装略高；暗挖法对现场影响程度较小，但造价最高。

本工程为104国道提升改造项目，分为主辅路型式，主线是连接福州市区与马尾区的重要客货集疏运通道，承担大量的过境交通。管廊结构设置于辅道下面，管廊基坑处于淤泥层范围，采用分节预制方案的现场可实施性小；而浅埋暗挖、顶管法以及盾构法等，由于现场试验场地受限，无法进行深入研究。因此本文对叠合装配式管廊进行研究，并提出一种适合沿海地区的暗柱叠合装配式管廊方案。

国内一些学者和工程项目也已开始装配式管廊的研究与建设。工程实践上，长沙市高新区已经进行了装配式管廊的建设，湖南省也编制了相应的装配式管廊地方技术标准。在通过调研国内其他地区装配式管廊建设方案和经验的基础上，提出了适用于福建沿海软土地区的相关装配式管廊改进方案。

(1)以往装配式管廊侧墙空腔内，布置有众多桁架钢筋，现场浇筑困难，振捣密实不易保证，管廊结构高度越大，这种现象越明显。因此优化采用内带暗柱的预制叠合侧墙，暗柱能够保证侧墙吊装、现场施工时候具有足够刚度，内、外预制层不发生相对位移，施工完成后结构的尺寸较好满足验收标准。侧墙结构图如图2所示。

图2 带暗柱式预制侧墙板示意图

(2)管廊内侧墙需设置后期安装时的支架构件。现浇管廊结构通常直接在施工浇筑时预埋连接钢筋和槽型支架，装配式管廊多采用在预制板上预留螺栓孔后期连接。采用叠合板后，侧墙内层板厚一般比较小，设置预埋件容易穿透板，对施工控制要求高。该项目优化方案后，结合暗柱的设置间距，将支架槽预埋在暗柱部位，在工厂内一并预制，既满足预埋构件的稳定性，又使现场施工难度减小，效果良好。侧墙构造及节段连接平面投影如图3所示。

图3 侧墙平面投影图

(3)装配式结构为方便工厂预制及运输，常常不设置倒角加腋，通过国内大量的学者试验与研究，腋角可以大大提高管廊结构的极限承载力。因此，本项目的装配式结构参照现浇管廊的做法，保留腋角。对装配式管廊结构进行构件分解为双面侧板、顶板下层板、底板上层板，其余部位待现场安装后进行现场浇筑。工厂预组装如图4所示。

图4 管廊预制装配安装图

3 暗柱式叠合装配式管廊性能研究

3.1 结构受力性能理论分析

采用MIDAS NX 2020分析软件建立纵向一延米钢筋混凝土闭合框架模型计算。模型和单元编号图如图5所示。模型共有40个节点，40个单元。底板和侧墙支承采用弹性地基梁，地基系数取20 000 kN/m。分别对无水工况和有水工况的计算结果进行包络，得到不同荷载组合下的弯矩包络图如图6～图7所示。选取管廊受力不利的节点抗弯、抗剪及裂缝验算如表1所示。

图5 标准段计算模型及编号图

图7 正常使用极限状态弯矩包络图(单位：kN·m)

表1 管廊抗弯、抗剪及裂缝验算

由以上计算可知，设计埋深4m的综合管廊标准段结构及配筋验算均满足要求。

3.2 足尺模型试验结果与分析

在预制构件工厂内制作完成等比例尺的试验模型，在各个预制装配构件完成蒸汽养护后，进行吊装及拼装，再安装并绑扎现场钢筋，最后进行浇筑C40混凝土，并养护28 d。

综合管廊在使用过程中，顶板受均布荷载，管廊两侧墙受自上而下逐渐增大的面荷载，底板受不均匀分布的荷载。加载以弯矩分布相似原则，确定等效集中力的作用位置。管廊荷载计算简图及加载分别如图8～图10所示。

试验表明，在加载前期，管廊整体变形处于弹性阶段。随着荷载的增大，裂缝数量及裂缝宽度开始增加，整体构件进入屈服阶段。侧墙跨中位移增长较快，侧墙底部、顶部以及顶、底板侧边的数量逐渐增多，裂缝开展分布较为均匀。在屈服阶段中期，顶、底板跨中裂缝缓慢开展。随着侧墙底部负弯矩的增大，该位置的新、旧混凝土叠合面在弯矩作用下，叠合面剪力达到临界值，裂缝沿着叠合面局部开展；随着荷载的增大，内侧叠合面裂缝也逐渐增大，新、旧混凝土在该部位相互脱开。在试验未发生破坏前，整体变形以弯曲为主；最终破坏形态为：由于叠合面失效导致的脆性剪切破坏。裂缝分布图如图11所示。

图8 管廊计算简图

图9 试验加载布置图

图10 足尺加载装置

(a)厚度方向破坏形态 (b)背水侧破坏形态图11 叠合式管廊加载裂缝分布图

荷载换算后，对设计进行分析，表明新型装配叠合式综合管廊满足正常使用状态下的裂缝宽度、承载力极限状态的设计要求，管廊具备一定的安全储备。

4 装配式地下综合管廊现场施工

4.1 现场施工安装

(1)基坑开挖支护后，浇筑管廊基础垫层混凝土并施作底板防水层，然后将装配式预制构件运至现场。

(2)在垫层混凝土上进行管廊定位标志，将底板构件吊入基坑，就位后进行底板调平及混凝土保护层垫块安放。

(3)对侧墙进行吊装安装，并架立斜支撑。

(4)铺设满堂支撑，并吊装顶板，如图12所示。

(5)绑扎预制钢筋，浇筑混凝土。

(6)结构外防水层施工，待混凝土强度达到要求后进行基坑回填、廊顶覆土及路基施工。

图12 现场顶板安装完照片

4.2 节段的现场拼接接缝设计

本试验段装配式管廊标准段为长2 m的预制节段，预制管廊节段侧墙与侧墙之间采用钢筋笼拼接；顶板与顶板，底板与底板之间亦采用钢筋拼接，钢筋安装完成后对剩余部分进行现场混凝土浇筑，详细大样如图13所示。该方案对预制节段之间的连接方式进行了创新改进，防水性能基本接近于现浇结构，现场已施工完的实体结构未出现渗水现象。