中日綜合管廊設計規(guī)范的對比研究

王嘉偉，王 建

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

綜合管廊是國家著力推進的城市基礎設施組成部分，是城市轉型發(fā)展的重要標志，其發(fā)展目標是作為城市道路工程的基本配套項目，實現(xiàn)城市工程管線集約建設與管理，充分利用城市道路下部的空間資源。然而其建設周期長、高能耗、高造價的建設現(xiàn)狀在很大程度上制約了其發(fā)展。近年來隨著國內管廊建設經驗的不斷積累，綜合管廊逐漸向輕量化、標準化的方向發(fā)展，迫切需要進一步提高我國綜合管廊設計技術水平。因此結合管廊的特異性，在探討其所涉及各專業(yè)的技術規(guī)程在管廊領域適用性的同時，還需積極借鑒國外發(fā)達國家綜合管廊的建設經驗和技術法規(guī)，努力探索一條中國特色的管廊設計技術道路。

國外綜合管廊的發(fā)展已有近200年的歷史，歐洲早期綜合管廊是由排水廊道演變而來，并無相關專門針對綜合管廊建設的技術規(guī)程，近代法國和德國開展綜合管廊的技術研究，并出版了相關研究專著，但沒有出臺相關標準規(guī)范。日本自20世紀50年代開始興建綜合管廊，在綜合管廊的規(guī)劃、設計、施工、運維進行了深入研究。我國綜合管廊建設與發(fā)展過程中，較多地借鑒了日本的經驗。因此本文主要針對日本綜合管廊技術標準——《共同溝設計指南》（以下簡稱《指南》）進行研究，對其編制概況和標準體系的組成進行闡述，從總體設計、結構設計及抗震設計三方面探討其與《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》（GB 50838—2015），以下簡稱《管廊規(guī)范》）的異同。

1 《共同溝設計指南》編制概況

日本地下綜合管廊系統(tǒng)是在其密集的城市公共設施建設中，為了高效利用地下空間，和城市交通路網同步建設起來的[2]。它不僅解決了城市交通擁堵問題，還極大方便了電力、通信、燃氣、供排水等市政設施的維護和檢修，此外還具有一定的防震減災作用。為了對綜合管廊的建設進行規(guī)范化，日本成立了專門的“共同溝規(guī)程研究委員會”，針對管廊建設時空跨度大、地下環(huán)境和荷載條件復雜、涉及部門和涵蓋專業(yè)繁多等特殊性，兼顧管廊高標準的建設規(guī)格，對管廊建設中的若干關鍵問題進行明確，包括規(guī)劃設計（包括規(guī)劃和總體設計）、地質勘查、主體結構設計、抗震設計、臨建構造物的設計（主要指圍護結構）、附屬設備的設計及建設過程中可能用到的一些普適性資料?！吨改稀坊靖采w了明挖法綜合管廊全專業(yè)的整個設計過程，并給出了管廊特殊節(jié)點、通用節(jié)點以及附屬設備的推薦做法，標準化程度非常高，可以大大提高綜合管廊的建設效率。

《指南》明確指出了該規(guī)程的適用范圍，即采用擋土墻或修筑圍堰施工法，用鋼筋混凝土構筑共同溝建設過程中的主體構造、附屬設備及臨建工程，在預制裝配技術、非明挖技術、橋涵施工等方面仍需特定的專項規(guī)范對其補充，從而形成一個完整的綜合管廊標準規(guī)范體系。此外，并未見專門的綜合管廊運營管理技術規(guī)程，這一方面是由于日本綜合管廊的建設規(guī)模一般較小，包括艙數、斷面尺寸、節(jié)點數目等；另一方面，日本綜合管廊的相關法律體系較為齊全，這對于規(guī)范管廊的運營管理具有極其重要的指導作用。

2 中日綜合管廊規(guī)范對比梳理

2.1 總體設計

2.1.1 標準斷面的內徑尺寸

綜合管廊標準斷面的內徑尺寸主要由入廊管線的種類、規(guī)格、數量及其安裝要求確定。《管廊規(guī)范》指出電力電纜的支架間距和通信線纜的橋架間距需參考各自的專業(yè)技術規(guī)程；《指南》中則在卷末資料中給出了此類管線的安裝要求（見表1）?？梢园l(fā)現(xiàn)：我國的檢修通道較日本更寬；從管道的敷設來看，中日管廊所需空間較為接近，日本略大于我國；結合實際工程，我國敷設電力電纜和通信線纜的空間要顯著大于日本，這一方面是由于我國線纜的入廊需求數量更大，另一方面可能是由于我國入廊的電力電纜電壓等級一般高于日本，且線纜在管廊內的安裝要求均有其各自的技術規(guī)程，并未針對管廊內的環(huán)境進行重新評估。

表1 中日管廊規(guī)范對標準斷面內徑尺寸的要求對比

2.1.2 與相鄰地下構筑物的距離要求

《指南》第3.5.1條指出，“共同溝與辦公和住宅樓的間距，應不小于1 m”；第3.5.2條指出，“與已有構筑物的關系應與相關單位充分協(xié)商”。

《管廊規(guī)范》第5.2.2條指出，“綜合管廊與相鄰地下管線及地下構筑物的最小凈距應根據地質條件和相鄰構筑物性質確定”，并給出其與地下構筑物和管線的最小水平凈距為1 m，與地下管線的最小交叉垂直凈距為0.5 m。

根據條文說明，其取值依據為國家標準《城市電力電纜線路設計技術規(guī)定》（DL/T 5221—2016），該規(guī)定的適用對象為電纜隧道。其中，對于明挖施工而言，平行最小間距的規(guī)定是為了預留打鋼板樁所需最小間距，交叉最小間距的規(guī)定是為了給其他管線交叉跨越預留空間；對于暗挖施工而言，預留平行間距是為了防止擠土效應對相鄰構筑物的影響，而垂直凈距的規(guī)定則是為了防止擠土效應對相鄰構筑物的影響以及路面隆起或者下沉[3]。

可以發(fā)現(xiàn)，對于明挖施工的綜合管廊，中日規(guī)范的相關規(guī)定較為相近，這主要是由于兩者在考慮圍護樁時，都是針對價格相對低廉的鋼板樁。此外，此處給出的均為最小限值，當基坑開挖深度較大，采用其他圍護形式時，凈距的取值應根據計算結果且預留足夠的作業(yè)空間，并滿足相關規(guī)范的要求。

2.1.3 埋深要求

綜合管廊的埋深對綜合管廊的工程造價影響較大，因此在滿足外部條件下，盡量采用淺埋方式敷設。綜合管廊的埋深主要考慮四個因素，即結構抗浮、綠化種植、管廊節(jié)點設計、管線接入引出支管埋深。

《管廊規(guī)范》對覆土深度主要有以下規(guī)定：

（1）第4.4.5條指出，“綜合管廊的覆土深度應根據地下設施豎向規(guī)劃、行車荷載、綠化種植及設計凍深等因素綜合確定”。

可以發(fā)現(xiàn)，對于普通段，《管廊規(guī)范》中并未給出明確的埋深要求。而《指南》第3.3條明確指出，“道路表面至共同溝的頂板之間為覆土，標準部位為2.5 m以上，特殊部位、換氣口等處原則上確保超過路面設計厚度，一般不宜小于1 m”。

（2）第5.2.1條指出，“綜合管廊穿越河道時應選擇在河床穩(wěn)定的河段，最小覆土深度應滿足河道整治和綜合管廊安全運行的要求”，根據航道等級，管廊頂部與遠期規(guī)劃航道底的間距分別為2.0 m（Ⅰ～Ⅴ級）和1.0 m（其他情況）。

根據條文說明，該條為參照國家標準《城市工程管線綜合規(guī)劃規(guī)范》（GB 50289—2016）第4.1.8條規(guī)定，該規(guī)范中此條款針對的是河底敷設的工程管線，主要是為了保證河道疏?；蛘螘r不對過河管線產生影響，為其預留施工空間[4]。然而綜合管廊的斷面尺寸遠大于一般的過河管線，其頂板頂部覆土更易被沖刷，考慮到綜合管廊為“百年工程”，隨著時間的推移，可能會出現(xiàn)頂部覆土過薄的問題，這無疑將為綜合管廊的安全運行帶來隱患。因此建議應對綜合管廊頂部一定范圍內的河道進行拋石加固，尤其是大斷面的管廊。

對此類問題，《指南》中并未給出明確的指引，僅在第2.2節(jié)第（7）條中指出，“在共同溝橫穿鐵道或河流等場地，要就其位置及構造等和相關管理部門協(xié)商后進行設計”。

2.2 結構設計

2.2.1 結構上的作用

《指南》在設計共同溝主體結構時，主要考慮了如下荷載，包括靜荷載（結構自重）、活荷載（包括車輛荷載、人行荷載及地面堆載）、土壓力（包括豎向和側向土壓力）、水壓力、浮力、地震的影響及地基變形的影響。

《管廊規(guī)范》第8.3條對管廊主體結構設計時應考慮結構上的作用的取值方法及組合方式進行了簡單描述，但是并未明確給出各個荷載的取值方法，目前一般參照包括《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）、《公路路線設計規(guī)范》（JTG D20—2017）、《建筑邊坡工程技術規(guī)范》（GB 50330—2013）等規(guī)范進行荷載計算。下面主要對《指南》中與我國規(guī)范給出的各類荷載求解規(guī)定差異較大的幾項進行梳理對比。

2.2.1.1 活荷載

《指南》中活荷載是指車輛荷載、人行荷載及地面堆載，對車輛荷載應考慮其沖擊荷載。其中，人行荷載取為5 kPa；地面堆載取為10 kPa；車輛荷載需根據道路的規(guī)劃等級分別采用T-20和TT-43荷載，在土中沿45°擴散分布，并需考慮覆土深度的影響。車輛荷載的沖擊系數取值當覆土深度小于3.5 m時取為0.3，否則取為0。

《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）第5.6.2條規(guī)定，車輛啟動和剎車的動力系數可采用1.1～1.3[5]。

2.2.1.2 土壓力

土壓力主要包括豎向和側向土壓力，其中豎向土壓力的計算較為簡單，但是當共同溝下為有支撐樁的壓實地基時，不同部位地基土之間的沉降差會加大豎向土壓力，增大系數與覆土厚度及管廊的寬度相關，取值在1.0～1.6。而側向土壓力則采用水土分算方法，其計算過程與我國《建筑邊坡工程技術規(guī)范》（GB 50330—2013）中式（6.2.1）較為類似[6]，區(qū)別在于兩者的靜止土壓力系數K0取值不同：前者一般情況下取0.4～0.7，對于普通的砂土及黏性土（塑性指數小于50），可以取0.5；后者建議K0宜由試驗確定，無試驗條件時，對砂土可取0.34～0.45，對黏性土可取0.5～0.7。同時在計算側向土壓力的過程中，將由地面堆載引起的管廊側面附加荷載也包含在內。此外，以3.5 m為界，《指南》中指出共同溝的荷載組合方法還與其管廊覆土深度有關。

2.2.1.3 浮力

《指南》中對于浮力和抗浮安全系數的計算方法與我國常用計算方法一致。計算過程中，工程結構主體的自重不包含內置設施的重量，而且不考慮覆土的抗剪阻力和結構主體側壁部分與土的摩擦阻力，抗浮安全系數為1.2?！豆芾纫?guī)范》中第8.1.9條規(guī)定“抗浮穩(wěn)定性抗力系數不低于1.05”。

綜上，在結構荷載的計算方法上，中日兩國規(guī)范較為接近，但是計算參數和安全系數的取值方面，兩者存在差異?？偟膩碚f，《指南》更為保守。

2.2.2 結構設計方法

《指南》第5.2～5.6條對主要結構設計方法的描述如下：

（1）設計計算原則。在構件設計中應用的截面內力依據彈性理論計算，構件設計要依據容許應力強度法進行，將共同溝主體視為鋼架結構計算截面內力。

（2）材料強度及容許應力。共同溝主體的使用材料及容許應力強度見表2。

表2 材料的容許應力強度

（3）彎角部位的設計彎矩計算。角隅部位的設計彎矩，向構件內部等高移動，梁托呈1∶3傾斜，作為有效截面進行計算，如圖1所示。

《管廊規(guī)范》中與之對應的相關規(guī)定如下：

（1）設計計算原則方面。第8.1.2條指出，“綜合管廊結構設計應對承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行計算”，這說明管廊的結構設計計算同時包含了強度計算和耐久性設計（裂縫、撓度等）。同時第8.1.7條中還指出，結構構件的最大裂縫寬度限值應小于或等于0.2 mm，且不得貫通。一般情況下，按0.2 mm裂縫控制計算的配筋要比按強度計算的更為保守。第8.4.1條的條文說明中明確了管廊結構的受力模型為閉合框架，其計算模型與《指南》類似。根據《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010），綜合管廊壁板的結構設計一般可采用彈性分析方法。

圖1 彎角部位設計彎矩計算示意圖[2]

（2）材料方面?！豆芾纫?guī)范》第8.2.1條指出，“主要材料宜采用高性能混凝土、高強鋼筋，地基承載力良好、地下水位在綜合管廊底板以下時，可采用砌體材料”；第8.2.2條指出，“鋼筋混凝土結構的混凝土強度等級不應低于C30”。《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010）第4.2.1條指出，“混凝土結構的縱向受力普通鋼筋可采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500、HRB335、RRB400、HPB300鋼筋”[7]。綜上，得益于我國近年來高強度鋼筋和混凝土的推廣，我國綜合管廊采用的混凝土和鋼筋的設計強度均高于日本規(guī)范。

（3）角隅部位設計方面。盡管我國綜合管廊在角隅部位一般也會設置腋角，但是往往將其作為安全儲備，在結構設計計算過程中不考慮其對結構整體承載能力的提升作用。

2.2.3 結構構造規(guī)定

從結構上講，綜合管廊是以橫向為主受力方向的地下閉合框架板式結構，其縱向的空間跨度大，沿線的地質、水文條件復雜。在滿足鋼筋混凝土構件相關規(guī)范的基礎上，管廊規(guī)范中還結合其自身的結構特點，對包括變形縫、最小板厚、鋼筋的設置等提出了一些構造要求（見表3）?？梢园l(fā)現(xiàn)，在結構構造規(guī)定方面，日本要較我國更為嚴格，這可能是由其鋼筋和混凝土的材料強度較低所致。

表3 中日管廊規(guī)范中結構構造相關規(guī)定的對比

2.3 抗震設計

《指南》明確了需進行抗震計算的工程范圍，即軟弱地基、地基條件變化部位或構造特殊的場所。而對于其余情況，第5.8.3條的說明中明確指出，只需滿足規(guī)范規(guī)定所要求的鋼筋量（主要為縱向鋼筋）就不必再進行抗震設計，這大大簡化了日本共同溝的抗震設計工作?！吨改稀分芯C合管廊地震響應的計算主要采用反應位移法，還對地震情況下可能出現(xiàn)的地基土發(fā)生液化時對共同溝的上浮力作用進行了分析探討，但是其計算模型、設計地震輸入及荷載計算方法等均未針對綜合管廊的特殊性做出相應調整，方法的指向性不強。此外，《指南》自1986年發(fā)布以來至今未曾更新，而2002年日本頒布的《日本建筑基準法》中即對抗震設計提出了一些新的要求，因此《指南》中的抗震設計篇章具有一定的時效性。

《管廊規(guī)范》中對于地震設計未展開詳細論述，僅第8.1.5條指出，“綜合管廊工程應按乙類建筑物進行抗震設計，并應滿足國家現(xiàn)行標準的有關規(guī)定”，目前一般參照《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011—2010）進行設計。

3 結 語

本文通過對中日綜合管廊規(guī)范相關規(guī)定的梳理對比，可以得出以下結論：

（1）總體設計方面。由于我國管廊內纜線安裝需參考相關專業(yè)規(guī)范，并未針對管廊的特殊性給出專門要求，且管線入廊需求大，管廊標準斷面凈高和凈寬一般均大于日本；與相鄰地下構筑物的距離要求，中日較為接近；對于標準段和特殊部位的覆土深度，除過河段外，我國規(guī)范并未給出明確要求。

（2）結構設計方面。中日兩國在荷載種類及計算方法上類似，部分取值和構造規(guī)定日本規(guī)范更為保守，這可能與其材料的容許應力強度較低有關，但在設計計算原則和彎角部位的處理上，我國規(guī)范的設計裕度更大。

（3）抗震設計方面。由于日本管廊規(guī)范的時效性，其抗震設計計算方法并不具備參考性，但對于管廊抗震設計的計算理念有助于簡化設計工作。

此外，《指南》給出了一些管廊內的通用節(jié)點和特殊部位的推薦做法，如通風口、集水坑、變形縫、防水做法、附屬金屬構件等，這些都有利于綜合管廊的標準化建設。

綜合管廊的建設范圍大、涉及專業(yè)多、涵蓋面廣，僅依靠一本國家規(guī)范無法從細節(jié)上規(guī)范綜合管廊的整個建設過程，而對于管廊涉及的各個專業(yè)以及一些重要專項，諸如防水技術、非開挖技術、預制裝配技術等，其技術標準并未考慮綜合管廊的特殊性。因此迫切需要結合管廊建設和發(fā)展的實際需求，建立一個完整的、指向性明確的、層級分明的綜合管廊標準體系。