分塊式預(yù)制管廊的關(guān)鍵技術(shù)

譚琳 勞偉康 高振宇

(1.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司廣東分院 廣州510060;2.廣東首匯藍(lán)天工程科技有限公司 廣州510060)

引言

城市地下綜合管廊(簡(jiǎn)稱(chēng)“管廊”),作為保證城市運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和“生命線”,近年在我國(guó)得到了大力且快速的發(fā)展。目前,管廊的結(jié)構(gòu)型式主要分為現(xiàn)澆和預(yù)制兩種。雖然現(xiàn)澆管廊仍是運(yùn)用較廣泛的結(jié)構(gòu)形式,但在當(dāng)前產(chǎn)業(yè)升級(jí)改造的大浪潮下,預(yù)制工藝也在市政行業(yè)大力推行,并在我國(guó)多個(gè)大型市政工程中得到了運(yùn)用,如： 上海世博園區(qū)預(yù)制預(yù)應(yīng)力綜合管廊、貴州都勻勻楊大道及環(huán)東路地下綜合管廊工程、湖南省吉首市地下綜合管廊工程、貴州六盤(pán)水市人民東路綜合管廊工程等。

預(yù)制管廊又根據(jù)其接頭位置的不同,分為整體式預(yù)制管廊與分塊式預(yù)制管廊兩類(lèi)。整體式預(yù)制管廊僅有縱向接頭,而分塊式預(yù)制管廊同時(shí)具有縱向與橫向接頭,如圖1 所示。本文以廣州市天河智慧城分塊式預(yù)制管廊為背景,從接頭防水、接頭力學(xué)計(jì)算和人防工況下力學(xué)計(jì)算三個(gè)方面對(duì)分塊式預(yù)制管廊進(jìn)行闡述。

1 預(yù)制管廊接頭防水

預(yù)制管廊具有施工周期短、施工場(chǎng)地綠色環(huán)保、施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn),但由于生產(chǎn)工藝、運(yùn)輸要求、吊裝安全等因素的影響,預(yù)制管廊具有較多接頭。對(duì)于地下工程,接頭設(shè)計(jì)制作工藝的優(yōu)劣影響其對(duì)地下水的控制作用,接頭防水是預(yù)制管廊成敗的關(guān)鍵因素。接頭的設(shè)計(jì)根據(jù)預(yù)制工藝、安裝工藝、防水工藝等不同,可分為平口式、承插式、企口式等[1,2]。

圖1 預(yù)制管廊示意Fig.1 Diagram of the precast municipal tunnel

1.1 預(yù)制管廊接頭形式

本文以廣州市天河智慧城管廊工程為例,其為干線管廊,入廊管線較大、艙室截面較大,如采用整體式預(yù)制管廊其單節(jié)重量和截面尺寸都較大,生產(chǎn)和運(yùn)輸、安裝將很難實(shí)現(xiàn),故該項(xiàng)目采用分塊式預(yù)制管廊。以其中一路段三艙管廊為例,每隔2.4m 設(shè)置一道縱向接頭,并且在截面中部設(shè)置橫向接頭,使得單節(jié)管廊重量控制于40t 之內(nèi),以方便生產(chǎn)、運(yùn)輸、吊裝。

鑒于縱向接頭可能因場(chǎng)地發(fā)生不均勻沉降易造成接頭防水破壞,且對(duì)于墊層找平質(zhì)量控制精度要求高等因素,同時(shí)考慮接頭構(gòu)造宜簡(jiǎn)單、方便生產(chǎn)及安裝止水帶等特點(diǎn),故縱向接頭采用了企口的形式,如圖2 所示。而對(duì)于橫向接頭,不受地基沉降及墊層找平的影響,但需考慮控制豎向預(yù)應(yīng)力鋼棒(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“PC 鋼棒”)的安裝精度,盡量減少PC 鋼棒張拉時(shí)預(yù)應(yīng)力損失的要求,橫向接頭采用了平口的形式,如圖3 所示。

圖2 縱向企口接頭構(gòu)造Fig.2 Detailed drawing of longitudinal joint

1.2 縱向企口接頭構(gòu)造

縱向企口接頭如圖2 所示,在接頭承口處迎水面與背水面均設(shè)置凹槽,以便填入高彈性密封膠,作為第一、三道止水措施。該高彈性密封膠的強(qiáng)度等性能指標(biāo)見(jiàn)表1,且根據(jù)相關(guān)檢測(cè)試驗(yàn)報(bào)告,在20℃時(shí)其預(yù)估壽命約為97年。同時(shí)也知,該密封膠與混凝土結(jié)合后其抗拉強(qiáng)度≥0.4MPa,是一般聚氨酯密封膏拉伸粘結(jié)強(qiáng)度2 倍以上,與結(jié)構(gòu)本體結(jié)合性較好,能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的密水性等要求。

在承口內(nèi)側(cè),距高彈性密封膠約50mm 處設(shè)置一道止水膠條(豎向止水膠條),作為第二道止水措施,如圖2 所示。止水膠條是由彈性橡膠與遇水膨脹橡膠制成的復(fù)合密封墊,彈性橡膠采用三元乙丙橡膠。該止水膠條通過(guò)縱向鋼絞線的張拉,使其得到充分壓縮,使得止水膠條的界面應(yīng)力能夠抵抗足夠的水壓作用。在插口處設(shè)置上下兩道檢查孔,作為在構(gòu)件安裝完成后檢測(cè)接頭的防水密閉性的用途,而且還能在接頭出現(xiàn)滲漏的情況下注入密封膠,作為接頭防水的應(yīng)急措施之一,起到補(bǔ)漏作用。

1.3 橫向平口接頭構(gòu)造

橫向平口接頭如圖3 所示,在上下管節(jié)接頭處迎水面與背水面均設(shè)置凹槽,以便填入高彈性密封膠,作為第一、三道止水措施。該高彈性密封膠與縱向企口接頭使用的材料一致。在下管節(jié)內(nèi)側(cè),距高彈性密封膠約50mm 處設(shè)置一道止水膠條(縱向止水膠條),如圖3 所示,該止水膠條與縱向企口接頭使用的材料一致。該止水膠條通過(guò)豎向PC 鋼棒的張拉,使其得到充分壓縮,使得止水膠條的界面應(yīng)力能夠抵抗足夠的水壓作用。

分塊式管廊的接頭最薄弱點(diǎn)為橫向接頭與縱向接頭在十字交叉處的止水膠條與高彈性密封膠相互關(guān)系的處理。該處縱向與橫向迎水面與背水面的凹槽尺寸均為一致,該凹槽處理比較簡(jiǎn)單、質(zhì)量容易保證; 但較容易出現(xiàn)設(shè)計(jì)盲點(diǎn)的是中間處縱向與豎向止水膠條,該處縱向膠條需預(yù)留出構(gòu)件,與豎向膠條位置重合、發(fā)生搭接關(guān)系,這個(gè)節(jié)點(diǎn)是分體式預(yù)制管廊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。因此,在設(shè)計(jì)時(shí)考慮橫向接頭的縱向止水膠條須預(yù)留出5cm ～10cm,以便與縱向接頭的豎向橡膠止水帶搭接,其剖面如圖4 所示。并且在該節(jié)點(diǎn)處在承口和插口處均設(shè)置橫向止水膠條,使得該節(jié)點(diǎn)成為閉合的空間,以便做閉水試驗(yàn)、也利于解決日后可能會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)滲漏問(wèn)題。對(duì)于該分體式預(yù)制管廊,將存在三處完全閉合的止水措施,適用于地下水豐沛且水位較高的地區(qū)。

2 預(yù)制管廊接頭力學(xué)計(jì)算

分塊式預(yù)制管廊縱向采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行連接,預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉力主要受控于縱向接頭止水橡膠的界面應(yīng)力控制,且縱向連接采用的企口接頭為柔性接頭,能較好地承受地基不均勻沉降及地震力的影響,故在此對(duì)縱向接頭不過(guò)多敘述。而橫向接頭一般均設(shè)置在側(cè)壁的跨中,該處為側(cè)壁受力最大處[3],故橫向接頭采用剛度較大的PC 鋼棒進(jìn)行連接,下文將對(duì)橫向接頭的力學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行論述。

2.1 橫向接頭承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算

根據(jù)文獻(xiàn)[4]的要求,分塊式橫向接頭需進(jìn)行承載力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算。對(duì)于承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算,考慮管廊為整體結(jié)構(gòu),采用MIDAS GEN 對(duì)其進(jìn)行受力計(jì)算,計(jì)算模型如圖5所示。取該模型下基本組合時(shí)的跨中彎矩、剪力、軸力,此時(shí)因中部是完全分離的,因此僅考慮PC 鋼棒與受壓區(qū)混凝土共同承受此部分力,按式(1) ～式(3)計(jì)算PC 鋼棒直徑D。

式中： M 為接頭彎矩設(shè)計(jì)值; fpy為PC 鋼棒抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值; Ap為PC 鋼棒截面面積; h 為構(gòu)件截面高度; b 為構(gòu)件截面寬度; x 為構(gòu)件受壓區(qū)高度; a1為混凝土系數(shù); fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值; D 為PC 鋼棒直徑。

圖5 預(yù)制管廊整體計(jì)算結(jié)果(單位： kN·m)Fig.5 Recults of integral calculation for precast municipal tunnel(unit： kN·m)

2.2 橫向接頭正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

分塊式預(yù)制管廊橫向接頭考慮MIDAS GEN模型下的標(biāo)準(zhǔn)組合效應(yīng),并考慮長(zhǎng)期作用影響對(duì)該接頭的外緣張開(kāi)量進(jìn)行驗(yàn)算,見(jiàn)公式(4)。根據(jù)規(guī)范[1]的要求 Δmax一般取2mm。而旋轉(zhuǎn)彈簧常數(shù)K 的取值受到接頭構(gòu)造、裝配應(yīng)力和裝配方式等因素的影響,一般需要通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)確定。參考國(guó)際隧道協(xié)會(huì)的指南[5],K 值一般為25000kN·m/rad ～50000kN·m/rad 之間。

式中： Δ 為接頭外緣張開(kāi)量; Mk為接頭彎矩標(biāo)準(zhǔn)值; K 為接頭旋轉(zhuǎn)彈簧常數(shù); Δmax為接頭外緣最大張開(kāi)量。

3 預(yù)制管廊人防工況下力學(xué)計(jì)算

3.1 管廊人防設(shè)計(jì)的基本要求

管廊作為城市基礎(chǔ)工程的“生命線”應(yīng)該充分考慮戰(zhàn)時(shí)的人防需求,天河智慧城管廊作為全國(guó)試點(diǎn)管廊項(xiàng)目,首次嘗試全線進(jìn)行人防設(shè)計(jì)。對(duì)綜合管廊進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)的目的,是在戰(zhàn)時(shí)遭受預(yù)定的核武器及常規(guī)武器襲擊產(chǎn)生的破壞效應(yīng)及其次生災(zāi)害環(huán)境下,保障管理內(nèi)各種城市工程管線的安全,利于戰(zhàn)后恢復(fù)使用[6]。管廊的人防設(shè)計(jì)只是針對(duì)管線的防護(hù)而非人員的防護(hù),無(wú)需進(jìn)行防化要求且允許染毒。所以管廊可根據(jù)防火分區(qū)的劃分進(jìn)行防護(hù)單元的劃分,同時(shí)本工程管廊的防常規(guī)武器抗力級(jí)別和防核武器抗力級(jí)別均為6 級(jí)。

3.2 預(yù)制管廊關(guān)鍵人防計(jì)算要點(diǎn)

本工程因其中間艙室存在污水管,污水管需要設(shè)置較多出線口,故中間艙室不設(shè)置人防要求為非人防區(qū),兩側(cè)艙室為人防區(qū),因此內(nèi)壁均為臨空墻,如圖6 所示(填充區(qū)為人防區(qū))。對(duì)于分塊式預(yù)制管廊,內(nèi)壁均設(shè)置PC 鋼棒進(jìn)行拉結(jié),對(duì)于人防設(shè)計(jì)可只進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算。又根據(jù)相關(guān)要求[7],在進(jìn)行驗(yàn)算時(shí),混凝土的材料強(qiáng)度可以考慮材料強(qiáng)度綜合調(diào)整系數(shù)γd,但對(duì)于高強(qiáng)的預(yù)應(yīng)力鋼棒不考慮調(diào)整系數(shù)γd。人防工況下的荷載簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖7,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。以右側(cè)外側(cè)壁為例,在基本荷載組合下常規(guī)荷載工況下跨中彎矩為129kN·m,而人防荷載工況下為126kN·m,側(cè)壁人防計(jì)算時(shí)綜合考慮調(diào)整系數(shù)γd并采用式(1) ～式(3)可計(jì)算PC鋼棒直徑。由計(jì)算結(jié)果可知對(duì)于預(yù)制管廊外側(cè)壁及頂?shù)装宄Ｒ?guī)荷載為控制工況,而對(duì)于中壁(即臨空墻)人防荷載為控制工況。

圖6 預(yù)制管廊人防區(qū)示意Fig.6 Diagrammatic sketch for civil air defence of precast municipal tunnel

圖7 預(yù)制管廊人防荷載簡(jiǎn)圖Fig.7 Civil air defense load for precast municipal tunnel

圖8 預(yù)制管廊人防計(jì)算結(jié)果(單位： kN·m)Fig.8 Results of civil air defense calculation for precast municipal tunnel(unit： kN·m)

4 結(jié)語(yǔ)

1.分塊式預(yù)制管廊縱向接頭宜采用對(duì)變形有更好的適應(yīng)能力、對(duì)細(xì)節(jié)要求高的企口接頭;橫向接頭宜采用構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工便捷的平口接頭。

2.縱向接頭及橫向接頭設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮相互搭接,形成一個(gè)閉合空間,并須考慮接頭拼裝完成后的檢測(cè)及加固需求。

3.橫向接頭力學(xué)計(jì)算應(yīng)考慮強(qiáng)度及使用狀態(tài)下的相關(guān)計(jì)算,以此選取PC 鋼棒。

4.管廊人防設(shè)計(jì)是對(duì)管線的防護(hù),并非對(duì)人員的防護(hù)。設(shè)計(jì)時(shí),綜合考慮不同艙室的人防需求,是否能夠滿足設(shè)防的要求。在進(jìn)行人防力學(xué)設(shè)計(jì)時(shí),只需考慮強(qiáng)度計(jì)算,無(wú)需考慮長(zhǎng)期使用狀態(tài)下的計(jì)算。

廣州市天河智慧城分塊式預(yù)制管廊接頭的防水性能在實(shí)踐檢驗(yàn)中取得較好成果,橫向接頭在管廊安裝完成后其變形等監(jiān)測(cè)指標(biāo)均滿足相關(guān)要求。