預(yù)制拼裝綜合管廊研究和建設(shè)進(jìn)展*

黃劍

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 200092）

引言

綜合管廊具有保障市政管線(xiàn)安全、提高地下空間利用率、美化城市環(huán)境、避免路面重復(fù)開(kāi)挖等優(yōu)點(diǎn)，是新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的需要。2013年我國(guó)開(kāi)始明確提出綜合管廊的建設(shè)要求，隨后多部門(mén)、省市各級(jí)政府相繼發(fā)布相關(guān)政策。2015年開(kāi)始我國(guó)興起綜合管廊工程的建設(shè)熱潮，截止2016年底我國(guó)累計(jì)開(kāi)工建設(shè)2005km綜合管廊，2017年將繼續(xù)開(kāi)工建設(shè)綜合管廊2000km以上，到2020年我國(guó)綜合管廊建設(shè)規(guī)模將超過(guò)8000km。

綜合管廊工程技術(shù)在建設(shè)過(guò)程中不斷發(fā)展?！秶?guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于推進(jìn)城市地下綜合管廊建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》（國(guó)辦發(fā)〔2015〕61號(hào)）中指出：“推進(jìn)地下綜合管廊主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化，積極推廣應(yīng)用預(yù)制拼裝技術(shù)，提高工程質(zhì)量和安全水平，同時(shí)有效帶動(dòng)工業(yè)構(gòu)件生產(chǎn)、施工設(shè)備制造等相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展”。預(yù)制拼裝作為新型、綠色、環(huán)保的施工技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域。預(yù)制裝配的施工工藝在建筑工程中已經(jīng)較為普遍，研究成果較為豐富、施工工藝趨于成熟。到2025年，我國(guó)裝配式建筑占新建建筑的比例將達(dá)到30%。由于綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)化程度高的工程特點(diǎn)，預(yù)制裝配技術(shù)已成為綜合管廊工程建設(shè)的新趨勢(shì)和研究熱點(diǎn)。相比于建筑工程，我國(guó)在綜合管廊預(yù)制拼裝技術(shù)方面的研究才剛剛起步，多數(shù)工程項(xiàng)目也是在建設(shè)過(guò)程中同時(shí)著手研究關(guān)鍵技術(shù)。

本文首先概述了國(guó)內(nèi)外預(yù)制拼裝綜合管廊建設(shè)現(xiàn)狀，介紹了預(yù)制拼裝綜合管廊的分類(lèi)和特點(diǎn)。然后從預(yù)制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)的受力性能、防水性能和施工工藝等方面總結(jié)了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并介紹了典型工程案例。最后對(duì)我國(guó)預(yù)制拼裝綜合管廊的發(fā)展趨勢(shì)作了展望。

1 預(yù)制拼裝綜合管廊的分類(lèi)和特點(diǎn)

1.1 混凝土預(yù)制拼裝綜合管廊

混凝土預(yù)制拼裝綜合管廊按照構(gòu)件的預(yù)制程度可以分為全預(yù)制和半預(yù)制。

1.全預(yù)制混凝土綜合管廊

全預(yù)制混凝土綜合管廊指的是全部構(gòu)件在工廠加工預(yù)制完成、運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)就位安裝，構(gòu)件安裝過(guò)程中無(wú)需采用混凝土澆筑。其特點(diǎn)為：整體性好，構(gòu)件質(zhì)量高，施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境好。全預(yù)制混凝土綜合管廊按照截面拼縫形式又可分為整節(jié)段預(yù)制拼裝綜合管廊和分塊預(yù)制拼裝綜合管廊。

整節(jié)段預(yù)制拼裝綜合管廊是將綜合管廊結(jié)構(gòu)在縱向上進(jìn)行分段，每一段一次預(yù)制成型，在施工現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)承插口或者預(yù)應(yīng)力筋的形式在縱向連接，如圖1所示。該預(yù)制拼裝方式是我國(guó)管廊項(xiàng)目中最常用的一種形式。管段的運(yùn)輸和安裝受到起重設(shè)備起吊能力的限制，通常將管廊在縱向分割成2m～3m的預(yù)制管段。對(duì)于預(yù)制拼裝施工，構(gòu)件的制造、吊裝、運(yùn)輸、安裝都要求預(yù)制構(gòu)件能盡可能輕量化［1］。預(yù)制構(gòu)件的劃分不僅要考慮合理的受力狀態(tài)，更要考慮構(gòu)件制造和安裝的可行性。

圖1 整節(jié)段預(yù)制拼裝綜合管廊Fig.1 Segmental precast assembled utility tunnel

分塊節(jié)段預(yù)制拼裝綜合管廊是將綜合管廊結(jié)構(gòu)按部位、受力等特點(diǎn)進(jìn)行分塊并預(yù)制，形成預(yù)制塊，然后將預(yù)制塊拼裝，在縱向上形成管段，再將管段沿縱向拼裝形成整體，如圖2所示。分塊節(jié)段預(yù)制拼裝綜合管廊拼縫較多，除了有管段之間的橫向拼縫以外，還有沿管廊長(zhǎng)度方向、由構(gòu)件組成管段時(shí)產(chǎn)生的縱向拼縫。

圖2 分塊節(jié)段預(yù)制拼裝綜合管廊Fig.2 Piecewise-combination precast assembled utility tunnel

以上兩種預(yù)制拼裝形式通常在單艙和雙艙綜合管廊工程中應(yīng)用較多。為滿(mǎn)足多艙室的需要，目前有一種新興的做法為“集裝箱式”的單艙預(yù)制多艙組合式的預(yù)制拼裝綜合管廊，其做法靈感來(lái)源于堆放的集裝箱。各艙室相互獨(dú)立，組合形式靈活，在縱向和橫向施加預(yù)應(yīng)力，可形成單層多艙或多層多艙的綜合管廊斷面，如圖3所示。

圖3 多艙組合預(yù)制拼裝綜合管廊Fig.3 Multi-compartment-combined precast assembled utility tunnel

2.半預(yù)制混凝土綜合管廊

半預(yù)制混凝土綜合管廊指的是結(jié)構(gòu)構(gòu)件部分通過(guò)工廠預(yù)制，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，安裝就位后澆筑混凝土，形成廊體。

疊合裝配式為目前國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的一種半預(yù)制綜合管廊建造方式。借鑒建筑工程中疊合裝配式高層建筑的建造方式，將工廠預(yù)制的混凝土疊合板件運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，待拼裝就位后，以疊合板件為模板綁扎鋼筋澆筑混凝土形成結(jié)構(gòu)整體，如圖4所示。

另一種半預(yù)制拼裝綜合管廊為底板采用現(xiàn)澆或預(yù)制方式，壁板和頂板采用預(yù)制方式，在壁板與底板、壁板與頂板的連接處通過(guò)預(yù)埋鋼筋構(gòu)件及現(xiàn)澆帶形成剛性整體，如圖5所示。

圖4 疊合裝配式綜合管廊Fig.4 Composite-slab precast assembled utility tunnel

圖5 節(jié)點(diǎn)現(xiàn)澆裝配式綜合管廊Fig.5 Node-cast-in-place precast assembled utility tunnel

半預(yù)制方式兼有現(xiàn)澆式和裝配式混凝土綜合管廊的優(yōu)點(diǎn)：相比于現(xiàn)澆綜合管廊工程，在施工過(guò)程中大大減少模板工程量，機(jī)械化定位安裝提升工程品質(zhì)，改善現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，減少施工作業(yè)量，減少工期；相比于全預(yù)制裝配式綜合管廊，由于其現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土實(shí)現(xiàn)各部分構(gòu)件之間連接并形成整體，避免橫向和縱向拼縫的存在，結(jié)構(gòu)整體性能好，防水性能也較優(yōu)。

1.2 鋼制綜合管廊

鋼制波紋管綜合管廊是一種新型預(yù)制裝配綜合管廊形式（圖6）。鋼制波紋管具有良好的受力和變形性能：管段的軸向和徑向可同時(shí)承擔(dān)外部荷載，有效傳遞應(yīng)力，發(fā)揮鋼材強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)；管段適應(yīng)土層位移，可避免地基不均勻沉降的影響。相比于現(xiàn)澆混凝土綜合管廊，鋼制波紋管綜合管廊結(jié)構(gòu)受力均勻，施工速度快，能降低鋼鐵行業(yè)過(guò)剩產(chǎn)能，減少了碎石、砂礫等原材料的開(kāi)采，符合我國(guó)節(jié)能減排的社會(huì)理念，具有廣闊的應(yīng)用前景。但鋼制波紋管綜合管廊也存在一些局限性：

（1）無(wú)成熟的結(jié)構(gòu)理論計(jì)算體系，暫無(wú)適用的結(jié)構(gòu)計(jì)算方案。

（2）結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和施工是難點(diǎn)，斷面以圓形、管拱形、橢圓形、馬蹄形為主，導(dǎo)致管廊分支口、投料口、通風(fēng)口、出入口等設(shè)計(jì)與加工復(fù)雜。

（3）滲漏問(wèn)題，管段通常采用板片搭接、螺栓連接緊固，在板片搭接處、螺栓孔連接處不能避免有空隙的存在，難以保證防水效果。

（4）材料耐久性問(wèn)題，綜合管廊長(zhǎng)期受地下水侵蝕，根據(jù)規(guī)范要求，城市地下綜合管廊的設(shè)計(jì)使用年限為100年，而截止目前我國(guó)使用鍍鋅波紋鋼結(jié)構(gòu)才不足20年，雖然通過(guò)各種耐久性試驗(yàn)得出的600g／m2的鍍鋅鋼板可以達(dá)到75年以上的使用壽命，但仍需調(diào)整工藝增強(qiáng)鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)的防腐能力。

（5）結(jié)構(gòu)斷面問(wèn)題，由于受力特點(diǎn)，鋼制波紋管綜合管廊不能像混凝土那樣做成矩形斷面，因此空間利用率不高，且以單艙、雙艙為主，隨著多種管線(xiàn)的納入并考慮適度超前，鋼制波紋管無(wú)法適應(yīng)三艙及以上斷面。

（6）抗浮問(wèn)題，由于鋼制波紋管綜合管廊自重僅為混凝土綜合管廊的1／5，在地下水位較高的地區(qū)，抗浮問(wèn)題值得關(guān)注。

圖6 鋼制波紋管綜合管廊Fig.6 Steel corrugated pipe assembled utility tunnel

1.3 新材料綜合管廊

除了混凝土和鋼材兩種常見(jiàn)的工程建設(shè)材料，目前已有一些研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)致力于綜合管廊結(jié)構(gòu)新材料的研發(fā)。

1.竹制綜合管廊

我國(guó)是竹產(chǎn)量大國(guó)，約占世界產(chǎn)量的1／3。國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，以竹材為基體材料，以熱固性樹(shù)脂為粘結(jié)劑，采用纏繞工藝制作綜合管廊本體結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施。竹制綜合管廊具有以下優(yōu)勢(shì)：材料可再生，材料加工過(guò)程和管廊建造過(guò)程低碳環(huán)保，綜合成本低；輕質(zhì)高強(qiáng)，綜合性能好；防火耐水，使用年限長(zhǎng)；力學(xué)性能好，穩(wěn)定性高；抗地震、抗地質(zhì)沉降性能優(yōu)異；生產(chǎn)效率高，施工安裝方便；供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，帶動(dòng)相關(guān)竹材行業(yè)發(fā)展。圖7為竹制綜合管廊模型。

2.高分子材料綜合管廊

以高分子材料作為結(jié)構(gòu)主體（圖8），利用其良好的力學(xué)性能和耐久性能，有能力使綜合管廊達(dá)到100年的使用壽命。

圖7 竹制綜合管廊Fig.7 Bamboo utility tunnel

圖8 高分子材料綜合管廊Fig.8 Polymermaterial utility tunnel

以上各種形式預(yù)制拼裝綜合管廊的特點(diǎn)總結(jié)于表1。各種預(yù)制拼裝綜合管廊各具特點(diǎn)：整節(jié)段預(yù)制綜合管廊設(shè)計(jì)技術(shù)和建造工藝較為成熟，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［2］中有具體規(guī)定。但由于運(yùn)輸、吊裝條件限制，目前適用于截面較小的單雙艙斷面；疊合裝配式綜合管廊目前應(yīng)用較為廣泛，并且對(duì)于多艙、多層斷面形式具有明顯優(yōu)勢(shì)；多艙組合式綜合管廊的結(jié)構(gòu)拼裝形式較為靈活，也可適用于各艙截面較小的多艙和多層斷面；分塊節(jié)段預(yù)制和節(jié)點(diǎn)現(xiàn)澆裝配式綜合管廊將標(biāo)準(zhǔn)斷面拆分為多個(gè)構(gòu)件，適用于中、小斷面綜合管廊，但對(duì)于多艙、多層斷面現(xiàn)場(chǎng)拼裝或澆筑的工作量增大，快速化施工優(yōu)勢(shì)明顯降低；鋼制波紋管綜合管廊由于其受力特點(diǎn)，較為適用于中、小型單艙圓形斷面；新材料綜合管廊在某些較小的單艙圓形斷面中較為適用。

表1 各種預(yù)制拼裝綜合管廊特點(diǎn)對(duì)比Tab.1 Comparison of precast assembled utility tunnels

2 結(jié)構(gòu)受力性能

2.1 靜力性能

由于運(yùn)輸條件和施工工藝的限制，預(yù)制拼裝綜合管廊一般存在著大量的拼縫和接頭。在工作階段，預(yù)制拼裝綜合管廊發(fā)生變形，并會(huì)在接頭處產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，如果變形過(guò)大，則可能導(dǎo)致接頭處開(kāi)裂，從而影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的使用性能和受力性能。薛偉辰等［3，4］通過(guò)足尺模型單調(diào)靜力試驗(yàn)分別研究采用彎曲螺栓方式連接和預(yù)應(yīng)力筋方式連接的預(yù)制綜合管廊接頭和結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)性能，對(duì)綜合管廊接頭的破壞形態(tài)與破壞機(jī)制、特征荷載、拼縫面變形形態(tài)、抗彎剛度和抗彎承載力等力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，并提出了預(yù)制預(yù)應(yīng)力綜合管廊的抗彎模型。

接頭剛度kθ是預(yù)制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)計(jì)算中的關(guān)鍵參數(shù)，取值一般根據(jù)接頭受力試驗(yàn)、有限元分析或建立力學(xué)模型，根據(jù)概念、通過(guò)公式推導(dǎo)而得到，尚無(wú)公式或圖表可循。K.Mori等［5］對(duì)矩形隧道的接頭進(jìn)行了性能試驗(yàn)，測(cè)試了接頭的強(qiáng)度，確保其達(dá)到強(qiáng)度要求。目前已有的研究主要考慮了如下幾種模型的計(jì)算公式：不考慮混凝土受力的橫向接頭剛度計(jì)算公式［6］、考慮混凝土壓應(yīng)力線(xiàn)性分布的橫向接頭剛度計(jì)算公式［7］以及考慮混凝土壓應(yīng)力按拋物線(xiàn)分布的橫向接頭剛度計(jì)算公式［8］。

2.2 抗震性能

相比于地上建筑，地下結(jié)構(gòu)數(shù)量和規(guī)模較小，所報(bào)道的震害事例較少、程度較輕。一般認(rèn)為，土層的約束有利于地下結(jié)構(gòu)抗震。所以，地下結(jié)構(gòu)的抗震研究常常被人們所忽視［9］。我國(guó)地震活動(dòng)較為頻繁，隨著現(xiàn)代城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)，地下空間開(kāi)發(fā)和建設(shè)規(guī)模不斷加大，地下結(jié)構(gòu)的抗震性能成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程界廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題［10］。

1.震害機(jī)理

地下結(jié)構(gòu)的震害主要由地震慣性力和土體大變形失穩(wěn)造成［11］。淺埋的地下結(jié)構(gòu)受地震慣性力影響較大，當(dāng)結(jié)構(gòu)自振頻率與地震頻率接近時(shí)，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生共振，破壞機(jī)理與建筑結(jié)構(gòu)相似。此外，地下結(jié)構(gòu)受土體約束，當(dāng)?shù)卣甬a(chǎn)生過(guò)大的土體位移時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的變形而產(chǎn)生破壞。一般而言，埋深較大的綜合管廊因地震慣性力造成破壞的可能性較小，而一般淺埋的綜合管廊或地面口部位置受土體約束較弱，破壞將由地震慣性力造成。在地震波作用下，類(lèi)似于綜合管廊這樣的長(zhǎng)線(xiàn)型地下結(jié)構(gòu)的變形可以分為：拉壓變形、彎曲變形、橢圓變形和截面擠壓變形［12］，如圖 9所示。

圖9 地下結(jié)構(gòu)地震變形模式［12］Fig.9 Seismic deformation pattern of underground structure［12］

2.設(shè)計(jì)要點(diǎn)

目前綜合管廊建設(shè)重視靜力條件下的設(shè)計(jì)與后期運(yùn)營(yíng)，對(duì)結(jié)構(gòu)及內(nèi)部管道大多未進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的抗震設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō)，綜合管廊及其附屬結(jié)構(gòu)震害特點(diǎn)為：（1）接縫、接頭處通常為薄弱部位，在地震時(shí)容易發(fā)生錯(cuò)位，甚至斷開(kāi)；（2）管廊受周?chē)馏w變形影響較大，而對(duì)加速度并不敏感，震害大多是由于土體變形過(guò)大或周?chē)馏w發(fā)生液化；（3）管廊內(nèi)部管道受慣性力影響，對(duì)加速度較為敏感；（4）管廊震害極易引發(fā)次生災(zāi)害，且震后修復(fù)與重建難度大、成本高昂。

3.國(guó)內(nèi)外抗震研究

至今綜合管廊的震害記錄較少。在1995年阪神大地震中，大部分直埋式管線(xiàn)遭到了破壞，但綜合管廊內(nèi)部管線(xiàn)完好，僅有管廊本體局部位置出現(xiàn)輕微裂縫［13］。但國(guó)內(nèi)外學(xué)者仍然對(duì)綜合管廊抗震進(jìn)行了一些非常有意義的研究。1960年左右，日本學(xué)者開(kāi)展了綜合管廊的抗震設(shè)計(jì)、施工方法和抗震加固等方面的研究。1994年北嶺地震后，美國(guó)對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)已建綜合管廊開(kāi)展了大規(guī)模的加固，許多大學(xué)開(kāi)展了抗震加固技術(shù)的研究。

雖然從2015年開(kāi)始我國(guó)掀起了綜合管廊的建設(shè)熱潮，但綜合管廊抗震研究水平比較落后。一些國(guó)內(nèi)學(xué)者已開(kāi)展綜合管廊抗震問(wèn)題研究。李杰等［14－18］和 Chen等［19－21］先進(jìn)行多點(diǎn)激勵(lì)的綜合管廊模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，然后基于試驗(yàn)研究成果，并采用數(shù)值方法，研究了均勻場(chǎng)地中綜合管廊在一致激勵(lì)、非一致激勵(lì)和瑞利波作用下的地震響應(yīng)規(guī)律。王會(huì)波等［22］對(duì)與綜合管廊類(lèi)似的地下箱涵結(jié)構(gòu)的震害、反應(yīng)特點(diǎn)、地震分析方法等概述，并給出了結(jié)構(gòu)不同設(shè)計(jì)階段所采用的設(shè)計(jì)方法。湯愛(ài)平等［23，24］采用土箱振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了綜合管廊結(jié)構(gòu)本體和內(nèi)部管線(xiàn)的地震響應(yīng)。由浩宇［25］基于綜合管廊內(nèi)部管線(xiàn)的地震響應(yīng)研究提出了管道隔震裝置。

隨著我國(guó)綜合管廊工程的大量建設(shè)，尤其是在高抗震設(shè)防烈度區(qū)的工程項(xiàng)目，亟需研究預(yù)制拼裝綜合管廊抗震技術(shù)。預(yù)制拼裝綜合管廊存在大量接頭，相比于現(xiàn)澆整體式綜合管廊，在橫斷面平面內(nèi)，拼裝處很可能成為地震薄弱部位；另一方面，沿管廊縱向，由于預(yù)制管廊縱向接頭存在一定柔性，反而有利于減輕結(jié)構(gòu)震害。需要進(jìn)行相關(guān)研究，進(jìn)一步為工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

3 防水性能

地下水的侵蝕是地下結(jié)構(gòu)常常面臨的問(wèn)題。由于存在大量橫向和縱向接頭，防水性能是預(yù)制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。目前，預(yù)制拼裝綜合管廊接頭防水性能的試驗(yàn)研究較少。此外，對(duì)預(yù)制混凝土構(gòu)件材料也提出了防水性能要求。

3.1 接頭防水

綜合管廊通常位于新建道路下方，且埋深較淺，地面荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較大。車(chē)輛循環(huán)荷載的長(zhǎng)期作用下，接頭承載能力將下降，接觸狀態(tài)劣化，并發(fā)生滲漏。特別在軟土地基下，管廊結(jié)構(gòu)不均勻沉降會(huì)產(chǎn)生縱向變形曲率，如果該縱向變形曲率過(guò)大，將造成管廊接頭張開(kāi)或開(kāi)裂。若水位較高，將容易產(chǎn)生滲漏現(xiàn)象［26］。此外，接頭密封止水條一般為彈性橡膠材料，受到物理化學(xué)作用易發(fā)生老化。老化將造成橡膠止水條密封壓力減小，抗?jié)B能力降低，從而產(chǎn)生滲漏水。

針對(duì)地下預(yù)制結(jié)構(gòu)接頭的防水問(wèn)題，目前所開(kāi)展的工作主要包括橡膠材料物理力學(xué)性能［27，28］和接頭防水性能的理論分析與試驗(yàn)研究。胡翔等［29］利用足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)上海世博會(huì)園區(qū)預(yù)制拼裝綜合管廊試驗(yàn)段接頭的短期和長(zhǎng)期防水性能進(jìn)行研究，建立了遇水膨脹橡膠條壓力計(jì)算公式和壓力－變形關(guān)系，基于研究結(jié)果提出了接頭防水構(gòu)造形式與優(yōu)化建議。圖10為遇水膨脹橡膠條示意。投入運(yùn)營(yíng)的十年來(lái)，上海世博會(huì)園區(qū)綜合管廊未有滲漏事故發(fā)生。

圖10 遇水膨脹橡膠條示意（單位：mm）Fig.10 Rubber strip with water expansion（unit：mm）

3.2 結(jié)構(gòu)防水

《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》［2］規(guī)定，綜合管廊結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫控制等級(jí)為三級(jí)，防水等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為二級(jí)。綜合管廊結(jié)構(gòu)本體允許帶裂縫工作。由于混凝土的收縮、徐變或預(yù)制構(gòu)件養(yǎng)護(hù)不足，導(dǎo)致實(shí)際工作狀態(tài)裂縫可能超此限制值，甚至是裂縫貫通，可能發(fā)生滲漏。所以，對(duì)防水混凝土設(shè)計(jì)抗?jié)B等級(jí)提出要求，在結(jié)構(gòu)材料如：混凝土防水劑的選擇和配合比的設(shè)計(jì)、原材料的質(zhì)量控制及準(zhǔn)確計(jì)量、構(gòu)建制作時(shí)的振搗及細(xì)部結(jié)構(gòu)處理、構(gòu)建拆模時(shí)間及養(yǎng)護(hù)等方面詳細(xì)規(guī)定。

3.3 外包防水

為了確保管廊結(jié)構(gòu)具有更加可靠的防水性能，除保證接頭和混凝土材料的防水能力外，許多工程在綜合管廊管段拼裝完成后還要進(jìn)行外包防水施工。外包防水材料包括防水涂料和防水卷材，按照材料主要成分不同，可以分為以下幾類(lèi)：瀝青類(lèi)、高聚物改性瀝青類(lèi)、合成高分子類(lèi)（合成樹(shù)脂類(lèi)和合成橡膠類(lèi)）、水泥類(lèi)、聚合物水泥類(lèi)等。按照材料特性不同，又可分為剛性和柔性防水材料。剛性防水材料以砂漿和混凝土等為主，柔性防水材料包括涂膜和卷材等。通過(guò)在結(jié)構(gòu)表面噴涂或包裹防水材料來(lái)阻斷水的通路，達(dá)到防水目的或增強(qiáng)抗?jié)B漏的能力。隨著化工行業(yè)的發(fā)展，正在越來(lái)越多地出現(xiàn)與混凝土粘結(jié)性能好、耐久性佳、塑性性能和防水性能均優(yōu)，且價(jià)格相對(duì)低廉的材料作為外包防水層。但外包防水性能在很大程度上受到施工質(zhì)量影響，目前施工技術(shù)很難保證外包防水性能。為體現(xiàn)預(yù)制拼裝綜合管廊優(yōu)勢(shì)，充分發(fā)揮構(gòu)件材料質(zhì)量好的特點(diǎn)，應(yīng)盡量弱化外包防水，降低防水施工成本。

4 BIM技術(shù)

BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技術(shù)是繼CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）技術(shù)之后工程建設(shè)領(lǐng)域又一重要計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，具有高效和直觀的特點(diǎn)。BIM技術(shù)已經(jīng)在建筑工程中廣泛使用。對(duì)于綜合管廊工程，BIM技術(shù)也已經(jīng)開(kāi)始得到關(guān)注。BIM技術(shù)在預(yù)制拼裝綜合管廊建設(shè)不同階段的應(yīng)用包括設(shè)計(jì)階段、施工階段和管理運(yùn)維階段。

4.1 設(shè)計(jì)階段

設(shè)計(jì)階段包含管廊本體及附屬設(shè)施設(shè)計(jì)和入廊管線(xiàn)的設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，涉及管廊復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的深化、各項(xiàng)工程量的提取、管廊與已建或已規(guī)劃地下空間、軌道交通的碰撞檢查、入廊管線(xiàn)碰撞檢查等。

4.2 施工階段

BIM技術(shù)在預(yù)制拼裝綜合管廊施工階段的應(yīng)用可確保施工的準(zhǔn)確性、保證施工進(jìn)度等。BIM技術(shù)模擬預(yù)制拼裝綜合管廊施工如圖11所示。

圖11 BIM施工模擬Fig.11 Construction simulation using BIM

4.3 運(yùn)維階段

在綜合管廊工程竣工后，BIM技術(shù)結(jié)合GIS（地理信息系統(tǒng)）、自動(dòng)化控制、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)可實(shí)現(xiàn)智慧化管理運(yùn)維平臺(tái)，構(gòu)建完全信息化的、可視可控的管廊運(yùn)行環(huán)境，并將市政管網(wǎng)變成可視化、數(shù)字化、虛擬化的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綜合管廊的全生命周期的管控。圖12為綜合管廊BIM＋GIS漫游圖像，結(jié)合綜合管廊中實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部環(huán)境和管線(xiàn)狀態(tài)全方位運(yùn)維管理。

圖12 BIM＋GIS漫游Fig.12 Virtualwandering using BIM and GIS

5 施工工藝

5.1 明挖法

明挖法是最為常見(jiàn)的一種施工方法，適用于城市新區(qū)的綜合管廊建設(shè)，或與道路、地鐵、等基礎(chǔ)設(shè)施整合建設(shè)。根據(jù)開(kāi)挖深度和地質(zhì)情況，明挖法基坑支護(hù)形式主要有放坡開(kāi)挖和基坑圍護(hù)開(kāi)挖，如圖13、圖14所示。放坡開(kāi)挖適用于土質(zhì)情況較好、基坑較淺，且場(chǎng)地較為寬敞的挖方段，可結(jié)合水泥砂漿護(hù)坡防止雨水沖刷。基坑圍護(hù)開(kāi)挖，如鋼板樁加鋼支撐支護(hù)、SMW工法樁等，適用于土質(zhì)情況差、基坑較深，鄰近其他結(jié)構(gòu)的情況。明挖法施工需中斷交通設(shè)施，對(duì)城市中的交通管理也有著一定的影響，但結(jié)合預(yù)制拼裝綜合管廊施工工藝可大大降低建設(shè)周期。但隨著開(kāi)挖深度的增加，明挖法土方開(kāi)挖量比較大，且在回填上有著較高的要求，造價(jià)將大大增加。

圖13 放坡開(kāi)挖Fig.13 Slope excavation

圖14 圍護(hù)開(kāi)挖Fig.14 Enclosure excavation

5.2 非開(kāi)挖工藝

目前絕大多數(shù)綜合管廊建設(shè)在城市新區(qū)。在舊城區(qū)，人口密集，基礎(chǔ)設(shè)施的落后極大程度限制了城市的發(fā)展，所以綜合管廊的建設(shè)需求更加迫切。但相比于城市新區(qū)具有的良好施工場(chǎng)地和建設(shè)條件，在舊城區(qū)實(shí)施綜合管廊項(xiàng)目采用明挖法施工需要考慮現(xiàn)有市政管線(xiàn)、建筑、道路、隧道等市政基礎(chǔ)設(shè)施的保護(hù)和避讓?zhuān)婕暗缴鐣?huì)利益的方方面面，從而建設(shè)難度較大。在建造方式上，須采用非開(kāi)挖方式進(jìn)行綜合管廊施工，避免對(duì)城市交通的影響，保證穿越對(duì)象的正常運(yùn)行。非開(kāi)挖施工方式已廣泛應(yīng)用于地鐵、公路、電力、熱力、排水等城市隧道工程，包括淺埋暗挖、頂管和盾構(gòu)等方式。

在綜合管廊施工中，暗挖法使用較少。頂管法適用于綜合管廊穿越鐵路、公路、河流、建筑物等情況，可采用圓形、矩形和異形預(yù)制綜合管廊斷面，適用土層為非巖石性土層。頂管法也有一些不足，如對(duì)縱向曲率半徑小而且多曲線(xiàn)組合的綜合管廊適應(yīng)性差；在軟土層中頂進(jìn)易發(fā)生偏差，且糾正偏差難度較大，管廊易發(fā)生不均勻沉降；頂進(jìn)時(shí)遇到障礙物處理困難。盾構(gòu)法在地鐵、地下隧道的施工中較為常用，目前也有越來(lái)越多的城市采用盾構(gòu)法進(jìn)行綜合管廊施工。盾構(gòu)法適合較深層次的地下綜合管廊工程，目前盾構(gòu)綜合管廊斷面主要為圓形，雙層四艙的標(biāo)準(zhǔn)斷面使用較多。但盾構(gòu)法主要缺點(diǎn)是施工費(fèi)用較高。

5.3 新型施工工藝

除了傳統(tǒng)的施工工藝外，企業(yè)正致力于綜合管廊新型施工工藝的研發(fā)。U型盾構(gòu)設(shè)備就是結(jié)合明挖和盾構(gòu)施工工藝的特點(diǎn)研制的新型施工設(shè)備，在明挖施工的基礎(chǔ)上大大增加了機(jī)械化程度，利用類(lèi)似于盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)設(shè)備作為開(kāi)挖后的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，大大降低基坑支護(hù)帶來(lái)的施工周期和費(fèi)用。綜合管廊管段在掘進(jìn)設(shè)備后部拼裝，掘進(jìn)設(shè)備以拼裝完成結(jié)構(gòu)為支撐，不斷向前推進(jìn)，形成移動(dòng)式支擋結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)明挖施工方式相比，U型盾構(gòu)法機(jī)械化程度高、施工速度快、工期縮短、施工范圍小、對(duì)周邊環(huán)境影響小、安全性能更高。U型盾構(gòu)綜合管廊施工工法示意如圖15、圖16所示。

圖15 U型盾構(gòu)施工技術(shù)示意Fig.15 Schematic of U-shaped shield construction technology

6 典型工程實(shí)例

6.1 上海世博會(huì)園區(qū)整體預(yù)制拼裝綜合管廊

為服務(wù)2010年上海世博會(huì)，充分體現(xiàn)“城市，讓生活更美好！”這一主題，在總面積為5.7km2的浦西和浦東園區(qū)內(nèi)規(guī)劃綜合管廊工程，并前瞻性考慮世博會(huì)后地塊的二次開(kāi)發(fā)。目前已建成并成功運(yùn)營(yíng)的綜合管廊位于浦東新區(qū)的博成路、國(guó)展路、后灘路、白蓮涇路，呈“口”字形布置，總長(zhǎng)6.4km，包括6.2km的現(xiàn)澆段和200m的預(yù)制裝配綜合管廊示范段。

圖16 U型盾構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)示意Fig.16 Schematic of U-shaped shield construction site

預(yù)制段綜合管廊納入了電力、通信和給水管線(xiàn)，用單艙形式標(biāo)準(zhǔn)截面。管段采用整截面預(yù)應(yīng)力筋縱向拼裝。管節(jié)由工廠制作完成，然后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)拼裝。預(yù)制拼裝段管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面高度3800mm、寬度3300mm，考慮運(yùn)輸和吊裝能力，將縱向長(zhǎng)度劃分為每節(jié)2m，重約20 t。采用載重能力為50t的拖車(chē)運(yùn)輸，每車(chē)裝2節(jié)預(yù)制管段。圖17為預(yù)制拼裝綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)施工現(xiàn)場(chǎng)。

圖17 世博整節(jié)段預(yù)制拼裝管廊Fig.17 ShanghaiWorld Expo segmental precast assembled utility tunnel

上海世博會(huì)園區(qū)綜合管廊項(xiàng)目為國(guó)內(nèi)首次采用預(yù)制拼裝法施工的綜合管廊項(xiàng)目，是綜合管廊施工工藝的重大創(chuàng)新?；谙嚓P(guān)研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，形成了我國(guó)第一本綜合管廊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《上海世博會(huì)園區(qū)綜合管溝建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》，成為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50838的編制基礎(chǔ)。

6.2 ?？诏B合裝配式綜合管廊

海口是我國(guó)綜合管廊建設(shè)試點(diǎn)城市，在2017年綜合管廊績(jī)效考核中成績(jī)?yōu)閮?yōu)。在長(zhǎng)約1.27km的三艙綜合管廊中，容納了給水、再生水、110kV電力、220kV電力、10kV電力、信息及自用電纜等管線(xiàn)。采用疊合裝配式施工工藝，將底板、頂板和側(cè)壁進(jìn)行了拆分，拆分后的管廊由現(xiàn)澆底板、疊合板側(cè)壁、預(yù)制頂板等組成。預(yù)制構(gòu)件組裝完成后澆筑側(cè)壁夾芯部分和頂板現(xiàn)澆自密實(shí)混凝土，標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖18所示。

圖18 ?？诏B合裝配式綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面Fig.18 Standard section of Haikou composite-slab precast assembled utility tunnel

預(yù)制構(gòu)件在工廠中批量生產(chǎn)。首先，在臺(tái)模上設(shè)置第1皮墻的模板，安裝鋼筋網(wǎng)片。在澆筑混凝土后，順流水線(xiàn)進(jìn)入養(yǎng)護(hù)窯。然后，待混凝土達(dá)到所要求的強(qiáng)度后，通過(guò)流水線(xiàn)運(yùn)送、翻轉(zhuǎn)、疊合在完成混凝土澆筑的第2皮墻上，形成疊合板。最后，雙皮墻整體進(jìn)入養(yǎng)護(hù)窯進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，達(dá)到要求強(qiáng)度后通過(guò)吊車(chē)將構(gòu)件吊放在特制的存儲(chǔ)支架上，送至堆場(chǎng)存放。

管廊側(cè)壁和頂板的構(gòu)件通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，可實(shí)現(xiàn)模塊化安裝；無(wú)需支設(shè)模板，在節(jié)約周轉(zhuǎn)料費(fèi)用的同時(shí)，使設(shè)備、材料現(xiàn)場(chǎng)管理變得簡(jiǎn)單。施工現(xiàn)場(chǎng)安裝方便，操作簡(jiǎn)便迅速。

6.3 鋼制波紋管預(yù)制拼裝綜合管廊

青海省海東市鋼制波紋管綜合管廊全長(zhǎng)1.1km，管廊主體采用內(nèi)徑為4.0m的鋼波紋管（圖19a），設(shè)置4座抗?jié)B混凝土工作井、3個(gè)鋼波紋管檢修口兼逃生口、3個(gè)鋼波紋管自然進(jìn)風(fēng)口。管溝開(kāi)挖深度7m、管頂填埋高度3m。管廊內(nèi)可容納給水管、輸水管、通信管線(xiàn)、110kV高壓電力和10kV電力管線(xiàn)。此外，河北省衡水市采用鋼制波紋管建成50m裝配式綜合管廊示范段，采用寬6.5m、高4.8m的馬蹄形標(biāo)準(zhǔn)斷面，如圖19b所示。沈陽(yáng)棋盤(pán)山國(guó)際會(huì)議中心和山東日照機(jī)場(chǎng)等綜合管廊項(xiàng)目也采用了鋼制波紋管結(jié)構(gòu)形式。

圖19 鋼制波紋管預(yù)制拼裝綜合管廊內(nèi)部Fig.19 Interior of Steel corrugated pipe assembled utility tunnel

7 展望

隨著我國(guó)綜合管廊工程建設(shè)浪潮的興起和建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的不斷深入，預(yù)制拼裝綜合管廊由于具有諸多優(yōu)點(diǎn)，正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但總體看來(lái)，我國(guó)預(yù)制拼裝綜合管廊的研究剛剛起步，在以下方面需要進(jìn)一步深入：

1.預(yù)制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)體系的研究

預(yù)制拼裝混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有兩種觀點(diǎn)：一種是預(yù)制拼裝混凝土結(jié)構(gòu)受力性能等同于甚至超過(guò)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)受力性能；另一種是預(yù)制拼裝混凝土結(jié)構(gòu)是一種獨(dú)立的結(jié)構(gòu)體系，其受力性能設(shè)計(jì)方法不應(yīng)該仿照現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。應(yīng)通過(guò)理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬等研究手段，進(jìn)一步研究不同預(yù)制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)體系的靜力和抗震性能，以及結(jié)構(gòu)與土體的共同作用。

2.關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)連接形式和構(gòu)造措施

橫向和縱向接頭對(duì)荷載傳遞路徑至關(guān)重要，影響到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的合理性。一方面應(yīng)加強(qiáng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，使節(jié)點(diǎn)承載能力不低于其他部位；另一方面應(yīng)使節(jié)點(diǎn)連接形式和構(gòu)造措施簡(jiǎn)單、易于安裝。

3.防水性能的保障

預(yù)制拼裝綜合管廊的防水問(wèn)題較現(xiàn)澆綜合管廊更加突出。為保障結(jié)構(gòu)本體及內(nèi)部管線(xiàn)的正常使用，研究結(jié)構(gòu)本體的自防水性能與接頭構(gòu)造的防水性能是必要的。盡量弱化外包防水措施，降低防水施工成本。

4.新材料的應(yīng)用

除了高性能混凝土以外，探索耐候鋼、高分子材料等高性能材料在預(yù)制拼裝綜合管廊工程中的應(yīng)用，不僅保證結(jié)構(gòu)受力性能，更提高結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性和耐久性，達(dá)到預(yù)制拼裝綜合管廊工程100年的設(shè)計(jì)使用年限。

5.預(yù)制拼裝綜合管廊工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定

我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范主要針對(duì)現(xiàn)澆混凝土綜合管廊，涉及預(yù)制拼裝綜合管廊的設(shè)計(jì)規(guī)定很少，且多為原則性的規(guī)定。需針對(duì)常見(jiàn)預(yù)制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)形式，提出設(shè)計(jì)計(jì)算方法指導(dǎo)實(shí)際工程。目前已有相關(guān)單位著手研編預(yù)制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范。

6.預(yù)制拼裝綜合管廊產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

預(yù)制拼裝綜合管廊模塊化的構(gòu)件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和施工方法到目前為止還不是很成熟，還有很多不足需要進(jìn)一步研究，需要積累更多的工程經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)綜合管廊產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，并帶動(dòng)相關(guān)行業(yè)。

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