国外某综合管廊工程的设计与应用

高 璇

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海 200092)

0 引言

对于综合管廊而言,其建设规模对于现代城市甚至国家的基础设施建设水平是一个重要的衡量标志。综合管廊在国外的发展已经存在了很多年,尤其是在发达国家,对于综合管廊的设计及建设技术已经非常的完整及成熟。国内综合管廊通常是将各种管线(排水、给水、中水、电力、电缆、燃气、通讯等)收集到同一个地下的隧道内,以便于今后的施工、维修及管理等[1]。而本项目综合管廊主要作用是为沙特NEOM新未来城输水管廊。同时施工时采用预制施工,充分利用装配式的优势[2]。

NEOM区域位于沙特境内,本次管廊工程属于NEOM the spine带状基础设施工程的一部分。管廊与the spine基础设施工程的其他工程内容均以东西方向,平行于NEOM新城建设(见图1)。管廊工程总长约80 km,其中西线为桩号6+000—44+000,东线工程为桩号44+000—86+194。该地区气候干旱,年降雨量少;地下水位普遍较深。

本文通过对NEOM综合管廊项目的设计过程阐述,为类似国外管廊项目的设计提供理论依据及经验参考。

1 管廊设计需求

1.1 管廊功能

此次建造综合管廊主要目的是保障NEOM新城建设东西方向的输水。NEOM新城是建设在大片沙漠中的绿色未来城市,受沙特自然环境的影响,保障水源的供应是十分重要的,所以管廊设计以输水为主要目的,伴随部分功能要求。

1.2 设计规范

国外与国内在管廊设计中参考的规范不同,如荷载考虑不同[3-4]、规定的不同、结构设计的不同[5]。参考NEOM-NEN-SCH-005技术规范和标准列表,与项目相关的设计规范和设计标准数量众多。有些是由不同的发行机构开发的。本次设计选择的参考有:《LRFD桥梁设计规范》[6]《公路隧道设计与施工技术手册》[7]《城市和农村事务部道路设计手册》《沙特建筑规范》及一些设计依据报告,除此之外,还有一些未列出的其他规范和标准。

1.3 特殊需求

对于本次管廊的功能和使用提出的相关要求也作为本次设计执行的准则,与国内规范在要求上也有所不同,主要从以下方面去响应:

1)管廊的纵断面设计满足以下要求:a.整个管廊应保持最大0.5 m的土壤覆盖层,但在河沟处(管廊需要掩埋的地方)和未来的公用设施交叉处除外;b.最小土壤覆盖层0.2 m;c.最大管廊坡度8%。2)SWT West管廊考虑的荷载包含:a.最大0.5 m的覆土荷载;b.附加最大1 m的砂土荷载;c.贯穿SWT West全长的MOMRA交通荷载;d.每间隔800 m宽度为70 m的未来公用设施交叉口荷载,考虑为SWT西管廊顶部7.2 m土壤覆盖层的最小等效荷载。3)以1∶100年重现期洪水作为防护设计标准,为SWT设计所需的冲刷保护和防洪。4)管廊尺寸及净距的设计满足表1中的要求。

表1 管廊尺寸及净距要求 mm

而对于国内规范[8]则要求如表2所示。

表2 国内综合管廊的管道安装净距 mm

从表1,表2对比中可以看出,国外与国内对于管道安装的净距要求无论是横向还是纵向都是有所不同的。并且,国内净距要求是按照管道的材质及管径的大小范围划分的,而本次国外项目是按照管道的功能进行划分的,这也是后面断面类型界定的一个重要因素。

2 设计方法

2.1 设计理念

国内的管廊节点断面设计是按照运维功能区分的,根据运维功能的不同,分为接出口、投料口、人员出入口、通风口和交叉口(见图2)。

而此项目根据需求,节点断面是按照管道功能区分的。本项目的主要目的是为东西向输水工程,管廊内主要为供水管道管径DN2 000一根,远期预留DN2 000管道一根,并每隔2.4 km,管廊向外接出DN1 000预留口。根据工艺管道的管道功能将断面分为排气阀节点、冲洗阀节点、空气阀节点等,并根据荷载及地质条件具体划分,最后分为16种标准断面。项目断面示意图如图3所示。

此项目综合管廊还有一个特点,即除特殊区域外全线采用可开启盖板,盖板为预制混凝土盖板。这种全线可开启的盖板在后期运维时,可直接从顶部对管道进行维护,十分方便快捷。

2.2 设计方法

设计依据美标体系下,符合适用性和强度极限状态要求,以及抗浮和管道推力方面的结构稳定性。

根据需要,使用ETABS软件将结构分析为2D框架/3D板模型(见图4)。管廊结构底板已建模并将支撑在土壤上。荷载将作为均匀分布或三角形分布荷载施加(垂直和水平构件上)。根据屋顶和底板的设计规范建议,轴荷载计算并分配为点荷载/面积荷载。根据AASHTO LRFD组合,设计中考虑了垂直和水平荷载的各种条件以及荷载系数。

根据模型计算结果,提取各个构件弯矩进行配筋计算及裂缝的验算。

2.3 典型断面

下面列举了两种典型断面,在不同情况下的荷载考虑及结构组成。

1)典型截面图-1管廊上500 mm土壤覆盖层(MOMRA交通荷载)。典型截面图-1是输水管廊段的主要延伸段(如图5所示),具有典型的管道布置,带有可拆卸顶盖,用于根据水操作要求进入和维护管道和配件。大部分的断面的基本组成都和这个断面相同。并且这种断面施工起来开挖最小且易于构造结构的方案。管廊由连续的混凝土底板、两个外墙、两排纵向间距为5 m的柱、连梁和可移动顶板组成。所有部件均由钢筋混凝土制成,并具有防水保护。

典型截面图-1考虑了0.5 m的覆土荷载,顶部允许MOMRA交通通行,同时考虑了20 kPa的附加荷载,可承担顶部堆积的砂等意外荷载。

2)Wadi断面图-埋地管廊断面。此断面(如图6所示)根据沿the spine进行的水力分析,确定了主要和次要的河道,并计算了不同的洪水深度和流速。对于主要的洪水穿越段,管廊段被认为埋在涉水河床以下。由于这个原因,无法从顶部对管道进行维护,因此制定了一种不同的策略,需要比典型的非交通管廊截面稍大的管廊。因此,设计了整体封闭管廊截面,以满足所有空间要求。

2.4 BIM应用

在此次设计时,采用了一种相对新颖的方式,不同于以往的CAD画图,直接采用了BIM建模。这样的方式更加的直观清晰,利用BIM设计的可视化特性和BIM可视化成果,让各参建方基于可视化成果进行沟通,提高效率。对于设计中出现的错漏碰缺也能更直观的观察到,对可能存在的净空、净高问题进行优化。在此基础上后期施工图可进行正向出图(如图7所示)。

图7中为此段输水管廊已建好的整体模型,可以看到整段管廊的节点布置、整体走向,标高变化,也可利用剖面框详细的看每一个构件的尺寸、结构布置、空间大小和工艺管道的相对关系等,非常清晰明了。

3 预制装配的应用

3.1 业主初步方案

最初业主提出施工方式采用概念设计,在概念设计中,综合管廊采用构件预制结合节点连接的方案。管廊构件包含底板、壁板、柱、顶梁和顶板。二次施工的内容包含底板顶部找坡层、防水等内容。但在概念设计的预制方案中,在结构的受力、连接、安装等方面也存在了一些需要深化的内容,预制构件之间的连接均采用了现场浇筑混凝土的湿连接方式,施工过程中预制与现浇面容易发生开裂进而降低结构性能。在预制壁板和现浇底板的连接中,壁板的钢筋和底板预留的钢筋并没有进行连接,为了保证受力性能,对现场混凝土的浇筑质量有较高的要求等问题。

3.2 优化方案

综合考虑结构的力学性能、防水性能、使用功能、建造的效率、绿色建造等方面因素,本项目拟采用“线性滑动钢模板”建造方案。本方案有以下特点:

1)现浇结构拥有更好的整体性能,预制结构得力于钢制的模板和养护条件而拥有更好的混凝土质量。

2)现浇结构一次性浇筑的体量可以很大,现场模板量和湿作业量大,预制构件受限于运输和吊装,其体量较小,现场的安装量大。

3)现浇结构一次成型,防水性能较好,而预制构件连接面防水薄弱。

现浇混凝土结构和预制混凝土结构有着各自的优缺点,如果可以取长补短,则可以获得更好的工程效果。“线性滑动钢模板”建造方案能够较好的满足上述需求。“线性滑动钢模板”建造方案是采用大型成套设备对管廊壁板、柱进行连续现浇,完成一个区段的浇筑后快速移动到下一个区段,重复使用。建造模式相较于概念设计而言,将壁板预制、柱预制后现场浇筑混凝土连接的环节替换为现浇壁板、现浇柱,其余环节保持不变。和传统现浇混凝土工程相比有如下特点:传统的现浇混凝土工程现场需要大量的模板(通常采用木质模板),以及固定模板的支架。而线性滑动钢模体系取消了现浇混凝土需要的固定模板支架,变固定模板为滑移式活动钢模(见图8)。

在管廊中立柱的施工中,采用滑移式活动钢模,并将其集成在器械中,随器械移动施工。如图9所示的立柱模板可集成至线性滑动钢模体系中。

底板采用现浇的方式,即作为管廊结构的一部分,在壁板施工时,也作为滑动器械的支撑平台。顶板和顶板采用与概念设计相同的建造方案。

3.3 其余可应用方案

其余还有节段预制拼装综合管廊方案和叠合预制综合管廊方案。但也存在预制构件重量较大,防水薄弱环节较多的缺点。叠合预制管廊是采用预制叠合板,通过可靠连接,在叠合板中浇筑混凝土形成整体的综合管廊。但本工程的环境存在较高的腐蚀性能,对钢筋的保护层厚度要求较为严格,因此会增加叠合板的预制层厚度,使其便于运输和安装的优势下降。而且为了满足叠合板的整体力学性能,需要在预制层和现浇混凝土层之间设置桁架钢筋以增强界面的抗剪性能,叠合构件的含钢量将会增加,在经济性上处于劣势。此两种方案与上述方案对比后发现不适用于本工程,故在此不做过多赘述。

4 结论

沙特NEOM新未来城输水管廊西线工程是国外的综合管廊项目,与国内的管廊工程还是有所不同的,为此,我们针对此次项目与国内管廊的不同点进行了分析比对,并提出了设计方案,总结如下:

1)针对设计理念对比了国内外管廊的不同。对于本项目涉及的国外规范进行整理,并依照美标体系下规范进行设计。2)利用ETABS软件设计断面,并详细阐述两个典型断面的设计思路。3)利用BIM建模建立可视化成果,并可应用于后面施工图的正向出图。4)对于施工方案,对比了4种施工方案,提出了最经济合理的施工方案,即“线性滑动钢模板”建造方案。