城市道路下穿立交管線通道及排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述

周文鴻

(浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 310012)

下穿立交是目前城市道路立體交通系統(tǒng)的常見(jiàn)形式,由于其下穿標(biāo)高一般低于周邊地塊及道路,引道的縱坡也較大,極易導(dǎo)致雨水快速匯流,如不能及時(shí)排除則造成橋下積水,影響人員安全,因此，設(shè)計(jì)合理、經(jīng)濟(jì)、安全的下穿排水系統(tǒng)非常重要。同時(shí),由于城市道路需同步埋設(shè)眾多市政配套管線,因此如何結(jié)合下穿建設(shè),合理布置穿越下穿立交的市政管線通道也是整個(gè)立交設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。

1 工程概況

杭州市某城市主干道寬度為60 m,雙向10車道,需建設(shè)下穿鐵路立交,下穿涉及五股鐵路,規(guī)模極大,引道及框架橋長(zhǎng)度共計(jì)達(dá)約530 m,下穿最低點(diǎn)低于兩側(cè)場(chǎng)地約7 m。道路同步埋設(shè)的配套管線有給水、電力、通信、污水、雨水、燃?xì)獾?。工程平面?jiàn)圖1。

圖1 工程平面圖

2 市政管線通道設(shè)計(jì)

本工程道路下布置的配套管線共計(jì)6大類9根管線。根據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(CJJ 11—2011)》[1]第3.0.19條中的強(qiáng)制性條文規(guī)定：“嚴(yán)禁在地下通道內(nèi)敷設(shè)電壓高于10 kV配電電纜、燃?xì)夤芗捌渌扇?、有毒或腐蝕性液、氣體管?！?因此本工程的污水、燃?xì)狻?10 kV管線需設(shè)置單獨(dú)的管線涵穿越鐵路。另外，DN1400給水管由于其口徑極大,根據(jù)有關(guān)管理單位的協(xié)調(diào)結(jié)果,也需單獨(dú)設(shè)涵穿越鐵路。單獨(dú)設(shè)置過(guò)鐵路的管線涵根據(jù)要求須由鐵路專門(mén)單位設(shè)計(jì),本文不作介紹。除此以外,其余的DN600給水，兩條10 kV電力及通信共4條市政管線均需隨下穿立交一并穿越鐵路,相應(yīng)的市政管線通道設(shè)計(jì)如下：下穿分為立交框架橋部分及兩側(cè)引道部分,由于下穿段中非機(jī)動(dòng)車道及人行道的凈空要求低于機(jī)動(dòng)車道,因此兩者之間除引道起坡段外,路面標(biāo)高上均存在高差。在一定條件下,非機(jī)動(dòng)車道及人行道范圍可保證一定的覆土厚度,可作為市政管線通道。其中框架橋處管線通道布置見(jiàn)圖2。

圖2 框架橋范圍管線通道布置

在立交框架橋兩側(cè)引道設(shè)計(jì)中,市政管線通道的布置要求也是其結(jié)構(gòu)形式選擇的重要考慮因素之一。為有效控制地下水對(duì)道路的影響,引道的機(jī)動(dòng)車道采用U形槽結(jié)構(gòu)較為安全。兩側(cè)的非機(jī)動(dòng)車道及人行道范圍可根據(jù)市政管線的穿越要求,選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式。常見(jiàn)的非機(jī)動(dòng)車道及人行道結(jié)構(gòu)形式的對(duì)比見(jiàn)表1。其具體結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖3～5。

綜合比較工程造價(jià)、管線穿越便利性、結(jié)構(gòu)形式、安全風(fēng)險(xiǎn)等因素,設(shè)計(jì)考慮非機(jī)動(dòng)車道及人行道的結(jié)構(gòu)形式采用組合形式,即在起坡點(diǎn)至下穿深度不大的范圍選擇擋墻結(jié)構(gòu)(圖3)。此段由于高差不大,地下水影響及結(jié)構(gòu)安全的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小,施工簡(jiǎn)單且能靈活滿足穿越管線埋設(shè)的覆土要求；而在下穿深度較大段(非機(jī)動(dòng)車道及人行道與機(jī)動(dòng)車道之間的路面高差在1.5 m以上時(shí)),采用圖5的U形槽結(jié)構(gòu),以提高結(jié)構(gòu)整體安全性且能滿足市政管線敷設(shè)的覆土要求。U形槽與擋墻結(jié)構(gòu)相接處均設(shè)置混凝土端墻,管線穿越端墻的孔洞處要求采取防水措施封堵,避免擋墻段地下水進(jìn)入,保證U形槽范圍不受地下水影響。

表1 非機(jī)動(dòng)車道及人行道結(jié)構(gòu)形式的對(duì)比

圖3 機(jī)動(dòng)車道U形槽結(jié)構(gòu)+非機(jī)動(dòng)車道及人行道擋墻結(jié)構(gòu)

注：由于起坡段標(biāo)高關(guān)系,為滿足非機(jī)動(dòng)車道及人行道范圍的管線通道的覆土要求,只能將該范圍U形槽底板標(biāo)高降低。圖4 機(jī)動(dòng)車道+非機(jī)動(dòng)車道及人行道U形槽結(jié)構(gòu)(起坡段)

注：此時(shí)的標(biāo)高關(guān)系能保證在底板標(biāo)高一致時(shí),非機(jī)動(dòng)車道及人行道范圍可滿足管道通道的覆土要求。圖5 機(jī)動(dòng)車道+非機(jī)動(dòng)車道及人行道U形槽結(jié)構(gòu)(坡底段)

3 下穿立交排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下穿立交排水系統(tǒng)是整個(gè)立交設(shè)計(jì)中的重要一環(huán),它直接關(guān)乎整個(gè)下穿系統(tǒng)能否安全運(yùn)行。根據(jù)下穿段的結(jié)構(gòu)形式,本工程下穿排水系統(tǒng)可分為地面水收集系統(tǒng)、地下水收集系統(tǒng)及雨水泵站。

3.1 地面水收集系統(tǒng)

1)下穿段雨水計(jì)算應(yīng)選取較高標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)參數(shù),本工程設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P取10年,地面集水時(shí)間t1根據(jù)計(jì)算取5 min,徑流系數(shù)取0.9。

2)控制下穿匯水面積,減少坡底聚集水量。

下穿雨水設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是合理且明晰地確定匯水面積,高水高排,低水低排,并采用有效攔截措施防止高水進(jìn)入低水系統(tǒng)。這樣才能保證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力與實(shí)際運(yùn)行情況相符,并使得排水系統(tǒng)尤其是泵站的設(shè)計(jì)規(guī)模不至于過(guò)大,以提高系統(tǒng)的合理性、安全性。根據(jù)許多下穿積水案例分析,實(shí)際集水面積超出設(shè)計(jì)預(yù)期是造成積水的最常見(jiàn)原因。本設(shè)計(jì)遵循以上原則,在道路縱斷設(shè)計(jì)時(shí),要求下穿道路引道的兩端設(shè)置反坡,構(gòu)成“駝峰”(圖6),這樣能在地形標(biāo)高關(guān)系上形成清晰的下穿系統(tǒng)匯水范圍邊界,有效防止范圍以外的路面雨水進(jìn)入本系統(tǒng)。同時(shí)為控制路塹段周邊綠化及場(chǎng)地區(qū)域的雨水面流匯入下穿排水系統(tǒng),設(shè)計(jì)在道路兩側(cè)沿路塹擋墻克頂處設(shè)置通長(zhǎng)的集水邊溝,截留場(chǎng)地雨水面流直接排至河道,保證 “高水高排,低水低排”的實(shí)現(xiàn)。

圖6 下穿道路縱斷設(shè)計(jì)示意

3)道路范圍的雨水收集。

由于機(jī)動(dòng)車道下穿縱坡較大,路面雨水的流速極大,點(diǎn)狀的雨水口很難保證收水效果,因此在機(jī)動(dòng)車范圍設(shè)置通長(zhǎng)邊溝,以提高收水能力。根據(jù)橫斷面布置及U形槽結(jié)構(gòu),利用底板上部的防水混凝土鋪裝層布置通長(zhǎng)邊溝,共布置4條邊溝,尺寸分別為B×H=0.5 m×0.55 m及0.5 m×0.4 m,上覆孔隙率大于40%的雨水篦蓋。見(jiàn)圖7。

非機(jī)動(dòng)車道匯水面積及縱坡相對(duì)較小,可設(shè)置點(diǎn)狀雨水口收水,在標(biāo)高最低點(diǎn)處適當(dāng)加密雨水口布置。

圖7 U形槽排水邊溝示意

3.2 地下水收集系統(tǒng)

U形槽結(jié)構(gòu)能很好地起到隔水作用,因此地下水不會(huì)影響其范圍內(nèi)的道路結(jié)構(gòu)安全,但擋墻段的地下水位若高于道路結(jié)構(gòu)層,則需有效控制并降低地下水位,以保持路基和路面的干燥,否則會(huì)引起路基翻漿等病害,影響下穿立交的正常使用。常規(guī)的設(shè)計(jì)是在擋墻段道路下布置盲管及反濾層系統(tǒng),路塹擋墻后背設(shè)置泄水孔等措施,實(shí)現(xiàn)地下水的降低及控制。

通過(guò)調(diào)查,發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí),類似下穿擋墻段的道路存在以下問(wèn)題：擋墻臺(tái)后土體內(nèi)的地下水可能會(huì)通過(guò)泄水孔及沉降縫滲出,沿著擋墻面淌至地面。即使在晴天,也可能會(huì)造成路面潮濕或有明水,影響行人通過(guò)的舒適性。在冬季還可能產(chǎn)生路面結(jié)冰,造成安全事故等(圖8)。本次設(shè)計(jì)針對(duì)以上弊端采取以下優(yōu)化改進(jìn)措施(圖9)：

圖8 常規(guī)擋墻路面淌水

圖9 擋墻優(yōu)化措施

1)沿?fù)鯄Ω坎贾眯∵厹?邊溝蓋板沿線開(kāi)孔,擋墻的墻體及沉降縫滲水可直接流入邊溝。

2)取消臺(tái)后泄水孔,改在沿?fù)鯄ε_(tái)后縱向布置盲溝及透水盲管,盲溝每隔20～30 m設(shè)置連接管接至擋墻根部邊溝,透水盲管系統(tǒng)最終也接入此邊溝。

以上措施既可增強(qiáng)地下水收集能力,有效控制地下水的水位,又解決了常規(guī)擋墻段路面淌水的弊端。

3.3 U形槽綠化帶排水

根據(jù)道路橫斷面布置及綠化要求,道路范圍共設(shè)置3條綠化帶,分別是寬3 m的中央隔離帶及兩側(cè)寬1.7 m的隔離帶,綠化要求種植灌木。由于綠化隔離帶的底部均為U形槽鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)底板,無(wú)法滲水,持續(xù)降雨期間,過(guò)量雨水將會(huì)蓄積在土壤內(nèi)無(wú)法下滲,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起植物爛根等病害。設(shè)計(jì)考慮沿以上綠化帶布置縱向盲管,排除綠化帶內(nèi)過(guò)量的下滲積水,保證植物生長(zhǎng)要求。盲管系統(tǒng)每隔約20 m接入邊溝,其中的中央綠化帶需通過(guò)預(yù)埋在混凝土防水層的2XD50鋼管接至邊溝(圖10)。

圖10 下穿段排水系統(tǒng)平面布置示意

3.4 下穿立交雨水泵站

下穿段雨水無(wú)法自流排除,需由泵站提升后強(qiáng)排。本工程設(shè)置雨水泵站一座,自動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)下穿范圍的地下水及地面水的收集、控制、排放等功能要求,保證道路安全。

3.4.1 泵房進(jìn)水管布置

根據(jù)鐵路部門(mén)要求,泵站布置要求距離鐵路路基及下穿構(gòu)筑物外壁的凈距均不小于30 m,故泵房位置距離U形槽有一定距離。因此,首先需在下穿段的最低點(diǎn)處,布置橫向的連接總管連接各條邊溝、雨水管及盲管,接至U形槽以外的集水井,再設(shè)進(jìn)水管道接至雨水泵站。根據(jù)設(shè)計(jì)流量要求,橫向的連接總管為D800～D1 000鋼管,標(biāo)準(zhǔn)段的底板及上部防水混凝土層結(jié)構(gòu)厚度無(wú)法滿足其布置要求,設(shè)計(jì)采取局部加厚、加寬U形槽底板鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),將連接總管置于底板結(jié)構(gòu)的保護(hù)之中,避免穿透底板,提高了連接總管及U形槽結(jié)構(gòu)的安全性。見(jiàn)圖11。

連接總管及接出井一般可以結(jié)合U形槽及鐵路框架橋的圍護(hù)結(jié)構(gòu)一并施工。接出井至泵站的進(jìn)水管段埋深最大,且已在圍護(hù)體系以外,故設(shè)計(jì)為頂管。接出井兼作頂管工作井,另一端的泵房沉井可利用作為接收井,其中泵房井室內(nèi)的隔墻等應(yīng)在頂管施工完成后再施工,避免影響頂管機(jī)具的取出。

3.4.2 泵房設(shè)計(jì)

雨水泵站的設(shè)計(jì)流量理論上應(yīng)包括路面水及地下水的流量。由于本工程路面水的匯水范圍較大,而盲管收集的地下水流量計(jì)算涉及眾多參數(shù),較為繁瑣,且其值在總流量中所占的比例極小,可簡(jiǎn)化不予考慮。故本雨水泵站的設(shè)計(jì)流量直接按路面水計(jì)算流量確定為Q=1.2 m3/s。泵站按潛水泵站布置,配置格柵2臺(tái)、水泵4臺(tái)(圖12)。

按照《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50014—2006)》[2]的規(guī)定,并無(wú)對(duì)雨水泵站配置備用泵作強(qiáng)制要求。但按照《城鎮(zhèn)給水排水技術(shù)規(guī)范(GB 50788—2012)》[3]的要求,道路立體交叉地道雨水泵站和為大型公共地下設(shè)施設(shè)置的雨水泵站應(yīng)設(shè)置備用泵。因此，本設(shè)計(jì)按其要求配置三用一備的潛水泵。

由于雨水泵站的特點(diǎn),檢修可在日常晴天時(shí)進(jìn)行,因此筆者認(rèn)為在電氣設(shè)計(jì)時(shí)可將該備用泵的用電功率也考慮在總用電負(fù)荷內(nèi),以期在超標(biāo)準(zhǔn)降雨時(shí),備用泵可應(yīng)急一并使用,以增加整個(gè)排水系統(tǒng)應(yīng)對(duì)超標(biāo)降雨的彈性及安全度。

本工程的雨水泵站埋深約12 m,設(shè)計(jì)為沉井。雖然離鐵路有一定距離,但鑒于該處鐵路的重要性,根據(jù)鐵路管理部門(mén)的要求,對(duì)沉井采用高壓旋噴樁等措施進(jìn)行處理,有效控制大體量大深度沉井施工過(guò)程中的超沉、偏沉、基底涌土等問(wèn)題,杜絕土體擾動(dòng)對(duì)周邊鐵路設(shè)施的不利影響,滿足了鐵路方面的高標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖11 下穿段排水連接總管布置示意

圖12 雨水泵房布置示意

4 結(jié) 語(yǔ)

本工程是目前杭州市規(guī)模較大的市政下穿道路之一,于2014年竣工投入使用,至今已經(jīng)過(guò)了多年汛期強(qiáng)降雨的考驗(yàn),運(yùn)行情況良好。本文通過(guò)對(duì)該工程相關(guān)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的介紹,總結(jié)出城市道路下穿立交設(shè)計(jì)中, 市政管線通道的合理布置是下穿結(jié)構(gòu)形

式選擇的重要因素之一；合理、經(jīng)濟(jì)、安全的下穿排水系統(tǒng)是下穿立交工程的重要組成及安全保障。本工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)類似工程的精細(xì)化設(shè)計(jì)有一定的參考意義。