預(yù)制裝配式再生混凝土小型綜合管廊產(chǎn)業(yè)化的可行性研究

吳書安 許飛 馬曉寧

（揚州市職業(yè)大學(xué)，江蘇 揚州 225002）

0 引言

綜合管廊也稱“總管道”、“市政管廊”或“綜合管溝”等，是指將兩種或兩種以上的地下管線集中埋設(shè)于同一人工空間中所形成的一種現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施。我國于2013年開始明確提出綜合管廊的建設(shè)要求，2015年開始興起綜合管廊工程的建設(shè)熱潮，之后國家先后公布了兩批共計25個綜合管廊建設(shè)試點城市，截止2016年底，我國累計建設(shè)綜合管廊2000km，到2020年，綜合管廊建設(shè)規(guī)模將超過8000km[1]。

我國綜合管廊目前主要用于城市市政道路建設(shè)，而城市的住宅區(qū)、校區(qū)、廠區(qū)等小型區(qū)域內(nèi)綜合管廊應(yīng)用較少，市政綜合管廊與小型區(qū)域的綜合管廊建設(shè)不同步，導(dǎo)致綜合管廊功能不能得到充分的發(fā)揮。因此，城市小型綜合管廊建設(shè)勢在必行。

1 地下混凝土綜合管廊的分類

1.1 按管廊用途不同

1.1.1 市政綜合管廊：包括干線綜合管廊和支線綜合管廊。干線綜合管廊用于容納城市主干工程管線，一般采用獨立分艙方式建設(shè)；支線綜合管廊用于容納城市配給工程管線，一般采用單艙或雙艙方式建設(shè)。

1.1.2 小型綜合管廊：對接市政綜合管廊，用于住宅區(qū)、校區(qū)、廠區(qū)等小型區(qū)域內(nèi)的管線集成，實現(xiàn)小型區(qū)域內(nèi)管線的集中管理和維護。

1.2 按管廊結(jié)構(gòu)形式分類

1.2.1 預(yù)制綜合管廊：根據(jù)設(shè)計圖紙及圖集，在構(gòu)件預(yù)制工廠和施工現(xiàn)場預(yù)制管廊管節(jié)，運輸至指定區(qū)域進行吊裝和拼裝。預(yù)制拼裝綜合管廊可實現(xiàn)管廊管節(jié)的工廠化生產(chǎn)，生產(chǎn)過程可控性高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；施工簡便，可實現(xiàn)低碳環(huán)保型綠色施工作業(yè)方式[2]。

1.2.2 現(xiàn)澆綜合管廊：是指根據(jù)設(shè)計圖紙及圖集在施工現(xiàn)場采用傳統(tǒng)現(xiàn)澆方式完成綜合管廊的制作，現(xiàn)澆綜合管廊相比較預(yù)制拼裝綜合管廊工期長，對環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。

1.3 按管廊材料分類

1.3.1 混凝土綜合管廊

混凝土綜合管廊一般采用普通混凝土制作，使用骨料均為天然骨料，而天然骨料為不可再生資源，大量使用必將導(dǎo)致我國山石資源的匱乏；另一方面，普通混凝土早期強度低，養(yǎng)護時間長，施工效率低。

1.3.2 鋼制綜合管廊

鋼制綜合管廊一般采用鋼制波紋管制作，鋼制波紋管具有良好的受力和變形性能，利于發(fā)揮鋼材強度優(yōu)勢，管段可適應(yīng)土層位移，避免地基不均勻沉降的影響，但也存在諸如無成熟的結(jié)構(gòu)理論計算體系、結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計和施工困難等局限性，此外在滲漏、抗浮和耐久性等方面也存在一定問題[1]。

1.3.3 新材料綜合管廊

一些研究機構(gòu)和企業(yè)致力于綜合管廊結(jié)構(gòu)新材料的研發(fā)，如竹纏繞綜合管廊是以竹子為主要原料，采用熱固性樹脂做膠粘劑，通過纏繞工藝制作的新型管廊；高分子材料綜合管廊是以高分子材料作為結(jié)構(gòu)主體，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到100年的使用壽命。

近年來我國政府對建筑垃圾的循環(huán)再利用高度重視，已頒布相關(guān)法規(guī)和政策，推動建筑垃圾資源化利用，將廢棄混凝土經(jīng)過破碎、篩分、清洗等處理后制備成再生混凝土骨料，用其部分或全部代替天然骨料配制混凝土，可作為生產(chǎn)綜合管廊的理想材料，同時廢棄混凝土的規(guī)模利用，可有效緩解天然骨料大量使用導(dǎo)致我國山石資源匱乏的問題，符合國家政策要求和節(jié)能減排的社會理念。

2 預(yù)制裝配式再生混凝土小型綜合管廊概念

預(yù)制裝配式再生混凝土小型綜合管廊是指適用于住宅區(qū)、校區(qū)、廠區(qū)等區(qū)域內(nèi)的支線綜合管廊；以再生混凝土為材料，以預(yù)制拼裝為制作方式，以節(jié)能環(huán)保和生產(chǎn)標準化為目的。

預(yù)制裝配式再生混凝土小型綜合管廊相比一般市政綜合管廊，具有以下特征：1）主要用于小型區(qū)域內(nèi)的管線集成，管廊上部所受荷載相對較小，管廊埋深也相對較淺，設(shè)計所需截面尺寸較小，構(gòu)件制作、吊裝、運輸、安裝等過程相對簡便。2）入廊管線類型相對較少，僅需容納強電、弱電和給水管線，且所需的管線數(shù)量和尺寸也較少，設(shè)計通常采用單艙矩形截面即可滿足要求。3）管廊為全預(yù)制，全部構(gòu)件在工廠加工預(yù)制完成、運輸?shù)浆F(xiàn)場就位安裝，構(gòu)件安裝過程中無需采用混凝土澆筑。4）截面拼縫形式設(shè)計為整節(jié)段預(yù)制拼裝，將管廊結(jié)構(gòu)在縱向上進行分段，每段分別預(yù)制成型，在施工現(xiàn)場僅需進行管節(jié)的縱向連接，無橫向連接施工。5）采用高取代率的再生混凝土生產(chǎn)，同時利用纖維增強技術(shù)提高成品性能，并根據(jù)不同工況采用干硬性混凝土技術(shù)或自密實混凝土技術(shù)。

3 預(yù)制裝配式再生混凝土小型綜合管廊產(chǎn)業(yè)化的政策環(huán)境

3.1 再生混凝土應(yīng)用政策支持

2011年，國家發(fā)展和改革委員會頒布的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2011年本》，再生混凝土產(chǎn)業(yè)屬于鼓勵類中第三十八項“環(huán)境保護與資源節(jié)約綜合利用”類產(chǎn)業(yè)，隸屬于其中的第28小項“再生資源回收利用產(chǎn)業(yè)化”。2017年10月，住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《建筑業(yè)10項新技術(shù)（2017年版）》，其中第二章節(jié)“鋼筋與混凝土技術(shù)”部分，再生骨料混凝土技術(shù)入選鋼筋混凝土技術(shù)分支，將作為新技術(shù)在全國推廣。[3]2018年10月，上海市八部門聯(lián)合出臺《上海市建筑廢棄混凝土回收利用管理辦法》，《辦法》規(guī)定本市C25及以下強度等級混凝土生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)當按照相關(guān)標準要求，在確保質(zhì)量基礎(chǔ)上合理使用再生骨料，再生骨料對同類材料的取代率不得低于15%；鼓勵C25以上強度等級混凝土、預(yù)拌砂漿、墻體材料等生產(chǎn)企業(yè)，按相關(guān)標準規(guī)定合理使用再生骨（粉）料等再生產(chǎn)品。

3.2 預(yù)制裝配式管廊應(yīng)用的政策支持

《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加強城市地下管線建設(shè)管理的指導(dǎo)意見》（國辦發(fā)〔2014〕27號）第十六條明確提出“積極推廣新工藝、新材料和新設(shè)備，推進新型建筑工業(yè)化，支持發(fā)展裝配式建筑，推廣應(yīng)用管道預(yù)構(gòu)件產(chǎn)品，提高預(yù)制裝配化率”?！秶鴦?wù)院辦公廳關(guān)于推進城市地下綜合管廊建設(shè)的指導(dǎo)意見》（國辦發(fā)〔2015〕61號）第八條支出“推進地下綜合管廊主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件標準化，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，同時有效帶動工業(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?！薄渡钲谑械叵戮C合管廊管理辦法（試行）》第二十三條提出“建設(shè)、交通運輸、水務(wù)等部門應(yīng)當推動建筑信息模型、管廊主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件標準化、預(yù)制拼裝等技術(shù)在管廊建設(shè)工程中的應(yīng)用?！薄逗戏适谐鞘械叵戮C合管廊管理辦法（試行）》第十一條鼓勵采用新材料、新工藝、新技術(shù)，穩(wěn)步推廣采用預(yù)制管廊拼裝技術(shù)，提高工程質(zhì)量、安全和節(jié)能環(huán)保水平。

4 預(yù)制裝配式再生混凝土小型綜合管廊產(chǎn)業(yè)化的市場環(huán)境

4.1 豐富的資源供給

近年來，我國城市建設(shè)快速發(fā)展，大量廢舊建筑被拆除，每年產(chǎn)生約3億噸建筑垃圾，其中約30%以上為廢棄混凝土塊。傳統(tǒng)的建筑垃圾處理方式主要是運往郊外填埋，這樣不僅要花費大量的運輸費用，占用大量的耕地，還會造成城市郊區(qū)的環(huán)境破壞。若能對廢棄混凝土加以利用，用以生產(chǎn)預(yù)制裝配式再生混凝土小型綜合管廊，不僅能解決日益增長的垃圾處理危機，而且可以節(jié)約生產(chǎn)混凝土所需的天然材料，具有顯著的社會、經(jīng)濟、環(huán)境效益。

4.2 潛在的市場需求

4.2.1 完善城市管廊體系建設(shè)的要求。目前，我國綜合管廊多用于城市市政道路建設(shè)，根據(jù)調(diào)研，目前諸多城市已建成的城市綜合管廊利用率較低，未能充分發(fā)揮其應(yīng)有作用，究其原因是住宅區(qū)、校區(qū)、廠區(qū)等區(qū)域內(nèi)綜合管廊的應(yīng)用較少，未能實現(xiàn)小型區(qū)域綜合管廊與城市市政綜合管廊連接。因此，城市市政綜合管廊必須與小型區(qū)域的綜合管廊協(xié)同建設(shè)，構(gòu)建完整的城市管廊體系，才能更好發(fā)揮已建城市市政綜合管廊的作用。

4.2.2 小型區(qū)域運性管理的要求。在小型區(qū)域推廣使用綜合管廊，充分利用小區(qū)內(nèi)的道路及其他公用設(shè)施的地下空間，有利于在局部區(qū)域內(nèi)實施各類管線的共同維護和集中管理，解決小區(qū)內(nèi)部管線敷設(shè)位置緊張、管線雜亂無章、管線升級和管線維修帶來的路面重復(fù)開挖等問題，提高小區(qū)運行管理的效率和水平。

4.2.3 綠色生產(chǎn)的要求。小型綜合管廊采用預(yù)制拼裝技術(shù)，可實現(xiàn)管廊管節(jié)的工廠化生產(chǎn)，生產(chǎn)過程可控性高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；施工簡便、安全、有序，工期短，可實現(xiàn)低碳環(huán)保型綠色施工作業(yè)方式。

目前小型區(qū)域綜合管廊建設(shè)已經(jīng)在部分城市進行采用，如山東青島千禧國際村項目；遼寧沈陽溫馨港灣園區(qū)；天津塘沽區(qū)悅海花園小區(qū)等項目均采用小型綜合管廊。國家重視地下空間綜合利用，對綜合管廊推廣力度不斷加大，小型綜合管廊建設(shè)項目將日漸增多，小型綜合管廊將會形成一定規(guī)模的市場需求。

5 預(yù)制裝配式再生混凝土小型綜合管廊產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)環(huán)境

5.1 預(yù)制裝配式管廊技術(shù)發(fā)展狀況

5.1.1 規(guī)范標準編制狀況

近年來國家和各省市積極進行地下綜合管廊技術(shù)標準的編制工作。2015年，國家標準《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(GB50838)批準實施；上海市地方標準《城市綜合管廊維護技術(shù)規(guī)程》(DG/TJ08-2168)批準實施；黑龍江省地方標準《哈爾濱市預(yù)制裝配整體式混凝土綜合管廊技術(shù)導(dǎo)則》批準實施；湖南省地方標準圖集《市政綜合管廊的主體工程、節(jié)點工程、附屬工程、預(yù)制拼裝工程》(湘2015SZ102-1-2-3-4)、《城市綜合管廊BIM技術(shù)應(yīng)用》正式出臺。2017年，湖南省地方標準《湖南省預(yù)制裝配整體式混凝土綜合管廊結(jié)構(gòu)技術(shù)標準》（DBJ43/T329-2017）正式實施；國家建筑標準設(shè)計圖集《綜合管廊給水管道及排水設(shè)施》（17GL301、17GL302）、《綜合管廊熱力管道敷設(shè)與安裝》（17GL401）、《綜合管廊纜線敷設(shè)與安裝》（17GL601）正式實施。2018年，中國工程建設(shè)標準化協(xié)會批準《城市地下綜合管廊管線工程技術(shù)規(guī)程》（T/CECS532-2018）正式實施；國家建筑標準設(shè)計圖集《綜合管廊工程BIM應(yīng)用》（18GL102）正式實施。其余如江蘇省、福建省、遼寧省也都出臺了各自的綜合管廊建設(shè)指南或技術(shù)導(dǎo)則。

5.1.2 技術(shù)推廣應(yīng)用狀況

在綜合管廊的建設(shè)發(fā)展過程中，國內(nèi)眾多學(xué)者和專家圍繞市政綜合管廊進行了一系列研究，累計發(fā)明多項專利技術(shù)和專有技術(shù)，形成多個自主知識產(chǎn)權(quán)體系和系列研究成果。上海同濟大學(xué)通過足尺模型試驗對預(yù)制預(yù)應(yīng)力綜合管廊進行研究，預(yù)制管節(jié)通過預(yù)應(yīng)力筋現(xiàn)場拼接，研究成果被成功應(yīng)用于上海世博園管廊項目中。哈爾濱工業(yè)大學(xué)和黑龍江宇輝建設(shè)集團共同研發(fā)疊合裝配式綜合管廊體系，將管廊的內(nèi)外墻、頂板、底板拆分為單個構(gòu)件，利用約束鋼筋搭接連接和鋼筋環(huán)插筋連接技術(shù)現(xiàn)場拼裝，現(xiàn)場后澆混凝土。湖南遠大住工發(fā)展有限公司開發(fā)了一種預(yù)制疊合整體式綜合管廊體系，該體系包含夾心疊合側(cè)墻、疊合底板和疊合頂板三類構(gòu)件，均由預(yù)制和現(xiàn)澆兩部分組成，受力和計算方式同現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。北京中泰國際公司自主研發(fā)了泰合金復(fù)合材料為主材的管廊模具系統(tǒng)和接口密封防護技術(shù)[4]。

5.2 再生混凝土技術(shù)發(fā)展狀況

5.2.1 規(guī)范標準編制狀況

我國對再生混凝土利用技術(shù)的研究相比較發(fā)達國家起步較晚，但隨著國家對建筑固體廢棄物循環(huán)再利用高度重視，近年來再生混凝土技術(shù)發(fā)展迅猛。為促進再生混凝土行業(yè)健康發(fā)展，國家和地方陸續(xù)出臺相關(guān)技術(shù)標準，2010年，頒布《混凝土和砂漿用再生細骨料》GB/T25176-2010、《混凝土用再生粗骨料》GB/T25177-2010、《再生瀝青混凝土》GB/T25033-2010。2011年起，相繼出臺《再生骨料地面磚和透水磚》CJ/T400-2012、《再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ/T240-2011、《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》CJJ/T253-2016等行業(yè)標準。

5.2.2 技術(shù)推廣應(yīng)用狀況

上海市早在2010年就在世博園項目中進行了再生混凝土工程應(yīng)用示范，兩幢單體建筑的樓板均用C30再生混凝土澆筑，取得了滿意的結(jié)果。揚州惠民再生資源有限公司于2013年建成全市首家再生混凝土示范生產(chǎn)線，其新廠區(qū)辦公樓主體結(jié)構(gòu)及廠區(qū)道路建設(shè)中全部采用了該生產(chǎn)線生產(chǎn)的再生混凝土，同時該公司建設(shè)有多個再生混凝土制品生產(chǎn)線，其產(chǎn)品被應(yīng)用于揚州市及周邊城市的多個工程中。北京建筑工程學(xué)院積極研發(fā)廢棄混凝土處理與利用技術(shù)，建成兩條大中型廢棄混凝土處理示范生產(chǎn)線，并研制了再生磚、再生砂漿等產(chǎn)品的制備技術(shù)，其產(chǎn)品在本院6號實驗樓工程中被成功應(yīng)用。浙江省有多家企業(yè)開展再生混凝土制品的研發(fā)，如桐鄉(xiāng)市同德墻體建材有限公司開發(fā)的再生混凝土多孔磚生產(chǎn)線，杭州富麗華建材有限公司開發(fā)的再生混凝土輕質(zhì)隔墻板生產(chǎn)線，富陽市拒興建材有限公司開發(fā)的再生混凝土生產(chǎn)線等，產(chǎn)品被應(yīng)用到多個工程中。

5.3 預(yù)制裝配式再生混凝土小型綜合管廊技術(shù)研究

揚州市職業(yè)大學(xué)圍繞預(yù)制裝配式再生混凝土小型綜合管廊技術(shù)開展系統(tǒng)研究，編制完成應(yīng)用于城市小型區(qū)域的預(yù)制裝配式再生混凝土小型綜合管廊圖集，選取其中A1型小型管廊為研究對象，管廊凈寬2.2米，凈高2.0米，單個預(yù)制管節(jié)長度2米，共制備3節(jié)管廊，材料選用C30纖維增強干硬性再生骨料混凝土，再生骨料替代率為100%，增強纖維采用改性聚丙烯纖維，纖維摻量為1.2kg/m3，鋼筋采用熱軋HPB300級鋼筋和熱軋HRB400級鋼筋，管廊連接采用承插口式雙膠圈柔性連接，模具采用專用鋁合金模板，管節(jié)容納給水管道、電力電纜、通訊線纜及自用管線，采用蒸汽養(yǎng)護。管廊成品制成過程中進行材料性能檢測，包括再生骨料性能檢測、再生混凝土力學(xué)性能檢測；管廊成品制作完成后，模擬車行道下管廊承載及受力，對管廊成品的進行壓力實驗，同時開展閉水實驗。[5]實驗主要結(jié)論表明：1）再生骨料性能滿足《混凝土用再生粗骨料》（GB/T25177-2010）的要求。2）干硬性再生混凝土前期強度增長較快，具有明顯的快硬早強特點，可發(fā)揮裝配式混凝土構(gòu)件工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)勢。3）壓力實驗中，在模擬的車行道荷載的作用下，小型管廊成品的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)可滿足《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(GB50838-2015)、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）等相關(guān)規(guī)范要求。4）閉水實驗中，試驗管段浸泡2天后，在規(guī)定的觀測時間內(nèi)未發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，管廊防水性能滿足《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》（GB50838-2015）、《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》（GB50108-2008）、《地下防水工程質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB50208-2011）等相關(guān)規(guī)范要求。

6 預(yù)制裝配式再生混凝土小型綜合管廊碳排放的評估

揚州市職業(yè)大學(xué)預(yù)制裝配式再生混凝土小型綜合管廊課題組選取圖集中A1型小型管廊為研究對象，以碳排放作為評價指標，對管廊混凝土結(jié)構(gòu)進行了全生命周期碳排放量的評估（不包括管線）。研究時間界定為從管廊制備材料準備至管廊拆除回收的整個過程，并將全生命周期劃分為建材生產(chǎn)、施工建設(shè)、運行與維護、拆除與回收階段四個階段[6]。

采用Bottom-up模式，基于各階段主要采用的機械設(shè)備類型及作業(yè)時間等參數(shù)，結(jié)合《2018年全國統(tǒng)一施工機械臺班費用定額》及能源消耗與燃料碳排放標準，建立了預(yù)制裝配式再生混凝土小型綜合管廊全生命周期碳排放評價模型，并以某小區(qū)的A1型小型管廊為算例，對其進行了碳排放的評估，結(jié)論如下：1）總長僅200m預(yù)制拼裝再生混凝土小型綜合管廊會產(chǎn)生11t碳排放，因此應(yīng)制定科學(xué)合理的生產(chǎn)、施工組織設(shè)計，嚴格控制對環(huán)境的影響。2）建材生產(chǎn)與施工建設(shè)階段產(chǎn)生了全生命周期內(nèi)絕部分的碳排放（約96%），其中建材的運輸與溝槽邊坡支護比重最大，應(yīng)作為重點控制工序，通過減少運輸距離、優(yōu)化邊坡支護方案等有效措施進行改善。

7 結(jié)語

目前，國家已出臺系列預(yù)制綜合管廊及再生混凝土循環(huán)利用的政策，預(yù)制裝配式再生混凝土小型綜合管廊的產(chǎn)業(yè)化推廣具有豐富的資源供給和廣闊的市場需求，支撐產(chǎn)品生產(chǎn)的技術(shù)條件初步具備。因此，預(yù)制裝配式再生混凝土小型綜合管廊產(chǎn)業(yè)化無論在政策上、技術(shù)上及市場化推廣等方面的評估結(jié)果均是可行的。