波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)分析與問題探討

鄭佳艷， 楊曉猛， 劉海京， 周志祥

(1. 重慶交通大學 省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點實驗室， 重慶 400074；2. 重慶交通大學土木工程學院， 重慶 400074；3. 招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶 400067)

0 引言

地下綜合管廊是存納、管理、維護城市給排水、電力、熱力、通訊或其他工業(yè)民用管道的隧道工程，可有效避免不同行業(yè)地下工程建設(shè)的重復施工，同時可有效降低城市建設(shè)和管理的成本和效能，提升城市管理水平。波紋鋼制管道、管涵與鋼管相比，具有獨特的剛度、抗彎性能和能量吸收等力學特征，在國內(nèi)外房屋建筑、公路、鐵路、機械、軍事等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。近年來，隨著城市的發(fā)展，波紋鋼在城市地下綜合管廊建設(shè)中也得到了應(yīng)用。國外研究者對波紋鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)技術(shù)[1-4]、運營結(jié)構(gòu)火災及腐蝕結(jié)構(gòu)承載能力、殘余壽命等進行了研究[5-7]，編制了多部行業(yè)規(guī)范、規(guī)程[8-13]。

近年我國地下管廊建設(shè)掀起新高潮，但因法律、政策、技術(shù)限制，我國地下管廊建設(shè)起步晚，技術(shù)水平低，規(guī)范和標準不完善。波紋鋼管廊作為新的地下管廊結(jié)構(gòu)型式，已在廣東、河北、青海、江蘇等多個省市管廊建設(shè)中得到應(yīng)用[14-15]，取得了較好的效果。相對于鋼筋-混凝土結(jié)構(gòu)，波紋鋼管廊屬于新型柔性結(jié)構(gòu)，其承載機制、設(shè)計施工方法的規(guī)范性較差，有必要根據(jù)需要系統(tǒng)開展裝配式波紋鋼管廊設(shè)計及施工方法研究，規(guī)范其設(shè)計、施工流程。

本文根據(jù)波紋鋼管廊建設(shè)需要，對國內(nèi)外波紋鋼管廊(道)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀、存在的技術(shù)問題、設(shè)計施工中的關(guān)鍵技術(shù)進行分析梳理，以期對我國波紋鋼管廊建設(shè)及研究提供參考。

1 波紋鋼管廊(道)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

相對于鋼筋-混凝土管道結(jié)構(gòu)，波紋鋼管結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量小、便于產(chǎn)品化、施工快捷、造價低等優(yōu)點；相對于傳統(tǒng)鋼管結(jié)構(gòu)，波紋鋼管結(jié)構(gòu)具有更好的剛度、抗彎和能量吸收性能。波紋鋼管結(jié)構(gòu)因其優(yōu)越的力學性能、經(jīng)濟性、環(huán)保性、靈活性等得到了廣泛關(guān)注，并在房屋建筑、土木、機械、軍事工程中得到了大量應(yīng)用。目前國內(nèi)外對波紋鋼管(板)結(jié)構(gòu)進行了大量的研究，同時，地下管廊設(shè)計工程師也充分利用波紋鋼管結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，將波紋鋼管應(yīng)用到地下管廊的建設(shè)中。

1.1 國外應(yīng)用情況

在英、美、澳洲等發(fā)達國家波紋鋼結(jié)構(gòu)的使用已經(jīng)超過100年，波紋鋼結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于市政、公路、鐵路、礦業(yè)、工業(yè)和民用等多個行業(yè)的各種通道、橋梁和排水管道工程建設(shè)中，典型項目如圖1所示。其中，在公路涵洞、市政排水通道中的應(yīng)用尤為廣泛。

(a) 7號線高速公路立交

(b) 高速公路下穿人行通道

(c) 機場跑道下穿車道

(d) 采礦巷道入口

波紋鋼管材料的廣泛應(yīng)用和發(fā)展促進了相關(guān)行業(yè)設(shè)計和施工規(guī)范、標準、指南的編制。以美國為例，美國土木工程師協(xié)會(ASCE)、美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)、美國鋼鐵協(xié)會(AISI)、美國州公路及運輸協(xié)會(AASHTO)、美國國家波紋管協(xié)會(NCSPA)等多個行業(yè)組織編制了相關(guān)技術(shù)規(guī)范和指南[8-13]。其中，美國材料與試驗協(xié)會編制的規(guī)范超過10項，具體如表1所示。

表1 美國材料與試驗協(xié)會編制的波紋鋼管(板)的相關(guān)規(guī)范

此外，歐美波紋鋼管產(chǎn)業(yè)界編制了大量技術(shù)指南和手冊，長期的研究和大量的工程經(jīng)驗以及良好的行業(yè)、產(chǎn)業(yè)、研究機構(gòu)合作推動了波紋管結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工技術(shù)水平的不斷提升。20世紀90年代，日本和韓國在高速公路領(lǐng)域完善了波紋鋼管的相關(guān)設(shè)計要求。

1.2 國內(nèi)應(yīng)用情況

國內(nèi)波紋鋼管結(jié)構(gòu)使用時間較短，20世紀90年代開始作為涵洞結(jié)構(gòu)應(yīng)用于青藏公路，因其工期短、造價低、適用性能好，在高速公路、鐵路工程中也逐漸得到了廣泛應(yīng)用。隨后，波紋冷彎薄壁構(gòu)件在土木工程和建筑工程中也開始得到推廣。自2010年起，我國陸續(xù)發(fā)布JT/T 791—2010《公路涵洞通道用波紋鋼管(板)》、GB/T 34567—2017《冷彎波紋鋼管》等相關(guān)國家和行業(yè)標準[16-19]，以規(guī)范波紋鋼管(板)的生產(chǎn)和應(yīng)用。

波紋鋼管廊具有力學性能優(yōu)、造價低、工期短、環(huán)保、性能好等特點，相關(guān)優(yōu)勢已成為管廊項目方案選擇和決策時的重要影響因素，在地下管廊建設(shè)之初被重視、試驗和應(yīng)用。2001年，我國首座波紋鋼地下管廊工程于廣東建成[15]，用于廣州獵德污水處理廠高壓污泥輸送，管廊工程采用3座并行直徑為3 m的半圓形結(jié)構(gòu)(凈距為50 cm)。由于當時國內(nèi)技術(shù)水平所限，波紋鋼板標準構(gòu)件從澳大利亞英格公司引進，中澳聯(lián)合設(shè)計，國內(nèi)施工。2017年我國首座裝配式波紋鋼綜合管廊在河北開工建設(shè)[14]，同時青海、南京等多地開展測試試驗和實際工程建設(shè)，促進了波紋鋼管廊建設(shè)的技術(shù)水平和經(jīng)驗提升。

相關(guān)規(guī)范的缺位不利于工程建設(shè)的規(guī)范化，2015年我國頒布了GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》。該標準主要針對鋼筋-混凝土結(jié)構(gòu)，未涉及波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求。2017年河北省頒布了波紋鋼綜合管廊地方標準DB13(J)/T 225—2017《波紋鋼綜合管廊工程技術(shù)規(guī)程》，四川等地方規(guī)范已立項或正在研發(fā)。

與國外相比，國內(nèi)波紋鋼結(jié)構(gòu)的研究不夠深入、系統(tǒng)，設(shè)計施工經(jīng)驗缺乏。國內(nèi)相關(guān)規(guī)范對產(chǎn)品標準化、斷面分類、連接方式、強度計算、回填要求、經(jīng)驗參數(shù)、施工工藝和工法等方面的研究和經(jīng)驗積累均較薄弱。國內(nèi)規(guī)范雖已頒布，但主要參考國外的規(guī)范和標準，尚有較多技術(shù)問題未解決，主要問題如下：

1)國內(nèi)常用的波紋鋼管尺寸與國外不同，缺乏標準化或規(guī)范化尺寸要求以及相應(yīng)完善的管拱斷面設(shè)計方法；

2)作為埋置式地下結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)與地層相互作用機制、破壞模式不夠清楚，缺乏系統(tǒng)的地層-結(jié)構(gòu)荷載分配機制與計算方法，管廊(道)內(nèi)外荷載均需明確；

3)無完善的施工工藝及工法；

4)無最小回填厚度及回填要求；

5)缺乏標準化、規(guī)范化環(huán)向和縱向接縫布置位置和方式；

6)缺乏規(guī)范化支座或支架布置方法，無結(jié)構(gòu)安全計算方法；

7)國內(nèi)劉保東等[20]研究者僅進行了部分數(shù)值模擬或現(xiàn)場測試，受測試、計算模型等方法的限制，未深入研究結(jié)構(gòu)承載及破壞機制。

2 波紋鋼管拱結(jié)構(gòu)技術(shù)特征

2.1 承載特征復雜

與其他地下埋置式管道一樣，波紋鋼管拱結(jié)構(gòu)是埋置于地下的，結(jié)構(gòu)受到周圍土體的外力，承載特征受土體-結(jié)構(gòu)相互作用影響，具有較復雜的力學特征，主要表現(xiàn)為以下4個方面。

1)剛度特征。根據(jù)地層剛度和結(jié)構(gòu)剛度的對比[2]可知，波紋鋼管廊(道)結(jié)構(gòu)剛度小于土層剛度，屬于柔性結(jié)構(gòu)；相反，鑄鐵、混凝土管屬于剛性結(jié)構(gòu)。剛性結(jié)構(gòu)與柔性結(jié)構(gòu)分擔土體壓力不相同，破壞特征亦不相同，結(jié)構(gòu)的柔度對于基礎(chǔ)土體、圍護土體加固及回填土體的施工質(zhì)量要求至關(guān)重要。

2)連接特性。不同于鑄鐵和鋼筋混凝土管道，波紋鋼管廊(道)尤其是大跨波紋鋼管廊(道)是由鋼板片通過螺栓拼裝而成的，管廊(道)結(jié)構(gòu)的承載特征由結(jié)構(gòu)本身承載能力和接縫強度綜合決定，且接頭或接縫處剛度突變可能改變結(jié)構(gòu)受力及破壞機制。

3)強度與破壞特征。與鋼管類似，波紋鋼管廊(道)結(jié)構(gòu)主要承受環(huán)向壓力，強度也受壓力控制；特殊斷面的箱型管或方拱結(jié)構(gòu)，除受壓力控制外，還受彎曲荷載控制。結(jié)構(gòu)失效的原因可能是壓應(yīng)力超過波紋鋼結(jié)構(gòu)及接縫屈服強度。波紋鋼板屬于薄壁冷彎構(gòu)件，也存在特殊的失效方式——屈曲失穩(wěn)(如圖2所示)[21]，在波紋鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力遠低于鋼材屈服強度時發(fā)生破壞，值得高度重視。

圖2 波紋鋼結(jié)構(gòu)屈曲失穩(wěn)[21]

4)破壞與斷面相關(guān)特征。結(jié)構(gòu)承載特征除取決于斷面尺寸、巖土體特征和埋置深度等因素外，還與斷面形式及相關(guān)參數(shù)有關(guān)，如斷面形狀、矢跨比。對于圓形和拱形斷面管道結(jié)構(gòu)，其強度由軸力控制；對于箱型斷面管拱結(jié)構(gòu)，其強度由軸力和彎矩共同控制。波紋鋼管拱屬于薄壁結(jié)構(gòu)，對彎矩更加敏感，不利于承受彎矩，設(shè)計中應(yīng)盡量控制或消除。

2.2 斷面大且形狀多樣

波紋鋼管拱結(jié)構(gòu)屬于鋼結(jié)構(gòu)，便于標準化定制和工廠化生產(chǎn)，后期施工不需要特別工藝或工序時，可通過管片安裝或拼裝直接完成； 另外，波紋鋼管拱結(jié)構(gòu)在橫斷面、縱向線形、管線交叉方面具備了其他結(jié)構(gòu)無法滿足的多樣性、靈活性和快捷性特點，使波紋管拱結(jié)構(gòu)的拼裝特性具備了不可比擬的優(yōu)勢，同時采用波紋鋼管拱結(jié)構(gòu)可降低工程成本，進一步擴大了其應(yīng)用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域。

1)結(jié)構(gòu)斷面逐漸增大。以加拿大為例，20世紀60年代晚期，通用波紋鋼板的波紋尺寸為152 mm×51 mm，通過增加縱向、環(huán)向支撐和加固件，波紋鋼管結(jié)構(gòu)斷面跨度可更大，承受更多土體荷載和活載，直徑最大可以達18 m，凈空面積可達到100 m2； 20世紀90年代出現(xiàn)了尺寸為381 mm×140 mm的深波紋鋼板，管拱結(jié)構(gòu)跨度可達23 m，斷面面積達到157 m2； 隨后，出現(xiàn)了尺寸為400 mm×150 mm深波紋鋼板。大跨結(jié)構(gòu)特別適合矢跨比較小的結(jié)構(gòu)，且適用的結(jié)構(gòu)埋深為0.3～30 m。

2)結(jié)構(gòu)斷面形式多樣。波紋鋼管道在國外主要應(yīng)用于車輛人行通道、雨水溪流通道等工程。AISI和加拿大波紋鋼管研究所(CSPI)給出了11種常用結(jié)構(gòu)斷面形式，分別為圓形(round)、豎橢圓(vertical ellipse)、管拱(pipe-arch)、地下通道(underpass)、拱(arch)、水平橢圓(horizontal ellipse)、梨形(pear)、高拱(high profile arch)、低拱(low profile arch)、箱式(box culvert)和特別斷面(special)，前10種斷面形式如圖3所示； 并給出了不同斷面形式對應(yīng)的用途和跨度[13]。

AASHTO認為，只要屬于圖4所示5類斷面形式的結(jié)構(gòu)均屬于大跨結(jié)構(gòu)。

我國GB/T 34567—2017《冷彎波紋鋼管》參照國外的研究經(jīng)驗，給出了常用的圓形、半圓形、低拱、高拱、凸拱、橫橢圓、豎橢圓、梨形、箱式、馬蹄等斷面形式，并將常用的波紋鋼管按照波形分為淺波、中波、深波和大波4類(如表2所示)[17]； 同時給出了4類波紋管的適用斷面形狀，如表3所示。

以低拱斷面的最大波拼裝波紋鋼管為例，給出最大跨度Smax、底跨S、高度H、頂半徑Rt、側(cè)半徑Rs、起拱高度Hq等參數(shù),如圖5所示。

2.3 良好的空間適應(yīng)性

波紋鋼管(拱)結(jié)構(gòu)平面和縱面線形具有良好的適應(yīng)性和組合特征。圖6示出大跨管道結(jié)構(gòu)在復雜地形條件下可以較好地適應(yīng)平面線形。地下管廊處于城市地區(qū)，地下結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)眾多，環(huán)境復雜多變，采用波紋鋼管廊可更好地適應(yīng)復雜幾何空間。

波紋鋼管的分支和交叉亦可根據(jù)需要靈活設(shè)置，一條管廊(道)可根據(jù)需要同時設(shè)置多條分支通道或岔口(如圖7所示)，且可同時與多個不同形狀(圓形、方形或其他多邊形、拱形)斷面的通道連接或搭接。

表2 波紋鋼管按波形分類[17]

表3 拼裝波紋鋼管適用斷面形狀

圖5 低拱斷面結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

圖6 復雜地形下大跨管道結(jié)構(gòu)

圖7 復雜形式的多波紋管道

此外，波紋鋼管結(jié)構(gòu)可以與其他結(jié)構(gòu)混合使用。可與鋼筋-混凝土結(jié)構(gòu)、其他鋼結(jié)構(gòu)、巖土體及支護通過螺栓等構(gòu)件實現(xiàn)完美連接，充分利用不同結(jié)構(gòu)形式優(yōu)勢，成為真正組合裝配式結(jié)構(gòu)。

3 波紋鋼管拱結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工

城市地下管廊屬于埋置式地下結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)承載特征由基礎(chǔ)承載力、回填土體荷載、結(jié)構(gòu)的剛度綜合決定，即由土體與結(jié)構(gòu)的相互作用決定。

3.1 基礎(chǔ)及土體回填

波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)一般通過明挖回填法施工，回填土荷載與土體類型、壓實程度、埋置深度和基礎(chǔ)的承載能力有關(guān)，也與波紋管廊結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)。關(guān)于回填土體壓實度和最小回填厚度的分析如下：

1)回填土體壓實度。回填土體壓實度對結(jié)構(gòu)-土體的相互作用和荷載分配至關(guān)重要，決定了波紋鋼結(jié)構(gòu)土體抗力的大小。抗力過大不利于結(jié)構(gòu)變形，無法體現(xiàn)柔性結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，且土體加固成本高； 抗力過小，不利于土體-結(jié)構(gòu)共同變形，結(jié)構(gòu)承受荷載比例過大，不利于結(jié)構(gòu)安全和變形控制。對于回填土體壓實度，國內(nèi)尚無相關(guān)規(guī)定，需要分別對基礎(chǔ)、基礎(chǔ)兩側(cè)回填土體的質(zhì)量對結(jié)構(gòu)承載特征的影響進行專題研究，且研究宜參照地基或基礎(chǔ)土體相關(guān)規(guī)范。

2)最小回填厚度。作為埋置式結(jié)構(gòu)，波紋鋼管廊可能下穿公路、鐵路或其他建筑結(jié)構(gòu)，承受車輛活載甚至其他沖擊荷載，荷載由土體傳遞至波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)。地表活載由土體傳遞至結(jié)構(gòu)的過程中，土體分擔部分活載，造成土體與結(jié)構(gòu)共同承載產(chǎn)生擴散效應(yīng)。擴散系數(shù)與土體和結(jié)構(gòu)分擔的比例與回填土體厚度、密實程度有關(guān)。經(jīng)驗表明回填厚度越大、密實度越大，土體分擔比例越大；如果回填土體厚度過小，活載或直接作用在結(jié)構(gòu)上，對結(jié)構(gòu)受力不利，故必須設(shè)置最小回填厚度。

3.2 結(jié)構(gòu)荷載特征

波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)屬于冷彎薄壁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計時將波紋鋼板(管)簡化為平面梁結(jié)構(gòu)，其壁厚尺寸遠小于另外2個方向的尺寸，薄壁結(jié)構(gòu)抗彎模量較小，結(jié)構(gòu)宜承受軸力而不宜承受彎矩。圓形管是均布荷載下合理的拱軸線結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力主要為軸力，符合最經(jīng)濟原則，國內(nèi)外波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)選取時均遵循了此原則。

結(jié)構(gòu)承受的荷載主要有2類，土體荷載和地表活載。活載包括地表車輛荷載、沖擊荷載，必要時還要考慮地震荷載； 土體荷載計算既要考慮土體計算范圍，也要考慮不同土體密實程度、埋深、矢跨比。圖8示出CSPI提出的埋深與跨度之比(H′/Dh)與結(jié)構(gòu)土體拱效應(yīng)系數(shù)Af的關(guān)系曲線，其中，Dh/Dv為矢跨比。

3.3 結(jié)構(gòu)強度驗算

強度驗算是結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心和安全的保證，國外對波紋鋼管的設(shè)計是基于經(jīng)驗進行的，按照結(jié)構(gòu)斷面跨度與回轉(zhuǎn)半徑的比值將結(jié)構(gòu)劃分為一般結(jié)構(gòu)、大跨結(jié)構(gòu)和特殊結(jié)構(gòu)。管廊(道)結(jié)構(gòu)斷面較小時，結(jié)構(gòu)斷面安全由軸力控制，應(yīng)力超過屈服應(yīng)力時發(fā)生破壞，或發(fā)生屈曲破壞； 對于大跨或箱型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)同時承受彎曲內(nèi)力，結(jié)構(gòu)設(shè)計時需同時考慮軸力和彎矩的影響； 特殊斷面如箱式結(jié)構(gòu)斷面安全則由彎矩控制。

圖8 埋深與跨度之比(H′/Dh)與結(jié)構(gòu)土體拱效應(yīng)系數(shù)Af的關(guān)系曲線[13]

3.3.1 跨度小于3 m的結(jié)構(gòu)

對于跨度小于3 m的結(jié)構(gòu)，CSPI給出的結(jié)構(gòu)斷面強度驗算方法是按照直徑或跨度與波紋鋼的波紋回轉(zhuǎn)半徑比值選取結(jié)構(gòu)屈曲應(yīng)力值的。

式中：fb和fy分別為結(jié)構(gòu)屈曲強度和屈服強度；D和r分別為管廊半徑和波紋鋼的波紋回轉(zhuǎn)半徑。

AASHTO認為屈曲強度fcr的取值除與結(jié)構(gòu)跨度S、波紋鋼的波紋回轉(zhuǎn)半徑r有關(guān)外，還與結(jié)構(gòu)的拉伸強度Fu、彈性模量Em以及土體的剛度系數(shù)k有關(guān)，屈曲強度的計算方法為

(2)

3.3.2 跨度大于3 m的結(jié)構(gòu)

對于跨度大于3 m的結(jié)構(gòu)，不同的規(guī)范和方法處理方式不同。AISI和AASHTO認為結(jié)構(gòu)跨度大于3 m時式(2)仍適用，且AASHTO給出了深波紋結(jié)構(gòu)整體屈曲失穩(wěn)臨界強度計算公式，即

Rb=1.2φbCn(EpIp)1/3(φsMsKb)2/3Rh。

(3)

式中：Rb和Rh分別為結(jié)構(gòu)整體屈曲的名義軸力和回填土幾何形狀的修正系數(shù)；φb和φs分別為整體屈曲的抵抗系數(shù)和土體抵抗系數(shù)；Ms為基礎(chǔ)的約束模量；Ep和Ip分別為管道材料的彈性模量和慣性矩；Cn為考慮非線性效應(yīng)的標定參量，取0.55； 常數(shù)Kb=(1-2ν)/(1-ν2),ν為泊松比。

此外，施工過程中的施工荷載需要滿足

(4)

式中:P和PPf分別代表實際軸力及考慮屈服的設(shè)計軸力；M和MPf分別為實際彎矩及考慮屈服的設(shè)計彎矩。

對于深波紋鋼結(jié)構(gòu)同樣需進行彎矩和軸力驗算。國內(nèi)波紋鋼管廊地方規(guī)范[19]參照CSPI的屈曲方法進行屈曲驗算，但相關(guān)參數(shù)取值和計算方法不明確。

3.3.3 方拱形結(jié)構(gòu)或箱型結(jié)構(gòu)

對于方拱形結(jié)構(gòu)或箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計一般認為軸力可以忽略，斷面完全由彎矩控制，需對結(jié)構(gòu)拱頂和拱腰進行安全驗算，即拱頂和拱腰處彎矩均小于結(jié)構(gòu)極限抗彎強度。此外，還需對方拱結(jié)構(gòu)和鋼板拱結(jié)構(gòu)底座的反力進行驗算。

3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及步驟

針對波紋鋼管廊(道)結(jié)構(gòu)設(shè)計，除需考慮荷載、結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與回填土體等因素外，還需要對施工柔度、接縫強度、結(jié)構(gòu)加強加固構(gòu)件、防腐蝕、相鄰連接結(jié)構(gòu)厚度差等內(nèi)容進行設(shè)計和檢查，并對一般結(jié)構(gòu)、大跨結(jié)構(gòu)和箱型結(jié)構(gòu)分別提出明確的設(shè)計流程。例如： CSPI提出了大跨結(jié)構(gòu)設(shè)計流程，共分為12步[13]，具體如圖9所示。

圖9 大跨結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

此外，其他要素如施工柔度、加強加固構(gòu)造、預應(yīng)力、相鄰連接結(jié)構(gòu)厚度差等均需要進一步研究，以建立和完善波紋鋼管廊設(shè)計方法和流程。

3.5 波紋鋼管廊關(guān)鍵技術(shù)問題

地下綜合管廊建于城市地下空間，建設(shè)環(huán)境復雜，結(jié)構(gòu)斷面形式、結(jié)構(gòu)內(nèi)部及外部承載特征、結(jié)構(gòu)安全、防排水、周圍土體變形控制、施工安全風險等技術(shù)要求均較高，與一般公路立交結(jié)構(gòu)、地下通道和排水溝管等不同，需要建立與之匹配的設(shè)計原則與要求。針對波紋鋼管廊建設(shè)中面對的主要技術(shù)問題分析如下。

1)斷面形式。目前已應(yīng)用的波紋鋼綜合管廊斷面形式有圓形和方拱形2種。圓形斷面施工簡便，但空間利用率不高，如圖10所示； 方拱形斷面空間利用率高，但其結(jié)構(gòu)受彎矩控制，不利于結(jié)構(gòu)承載。波紋鋼結(jié)構(gòu)靈活性和適應(yīng)性強，易加工為雙艙或多艙等連拱結(jié)構(gòu)，多艙式方連拱形管廊結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖10 圓形斷面管廊結(jié)構(gòu)

圖11 多艙式方連拱形管廊結(jié)構(gòu)

2)內(nèi)外部荷載協(xié)調(diào)與結(jié)構(gòu)設(shè)計。與一般地下通道不同，管廊內(nèi)部需要布置管道和管線，并通過布置支架、支座將荷載傳遞給管廊結(jié)構(gòu)及土體。最小埋深及頂部荷載要求、內(nèi)部管線與管道的質(zhì)量、支架支座的布置方式和連接方式均會影響結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，需要進行專題研究并規(guī)范化設(shè)計程序。

3)基礎(chǔ)及回填巖土體加固。與鋼筋-混凝土地下管廊結(jié)構(gòu)不同，波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)屬于柔性地下結(jié)構(gòu)，其受力機制和破壞特征與鋼筋-混凝土綜合管廊結(jié)構(gòu)不同。加拿大的I.D. Moor教授在20世紀80年代對淺埋土體結(jié)構(gòu)承載特征、加固特征、失穩(wěn)特征進行了一系列研究[22]，認為通過周圍土體加固可以有效優(yōu)化結(jié)構(gòu)-土體承載比。因此，應(yīng)綜合考慮周圍土體形狀、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)特征、工期和費用等因素對土體加固進行研究，明確需要加固土體的范圍、方法及具體措施。

4 結(jié)論與展望

本文通過對國內(nèi)外波紋鋼管廊(道)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)標準編制、存在的技術(shù)問題及危害、結(jié)構(gòu)技術(shù)特征以及設(shè)計方法中的關(guān)鍵技術(shù)和流程進行梳理，分析了國內(nèi)和國外相關(guān)方法和關(guān)鍵技術(shù)的差距。同時，結(jié)合波紋鋼管廊建設(shè)的需要，考慮到其用于貯存與國計民生息息相關(guān)的民用和工業(yè)管線，且主要建于相對擁擠的城市地下空間，結(jié)構(gòu)重要程度、賦存環(huán)境、斷面形式、破壞災害影響等均與道路、涵洞等埋置式波紋鋼結(jié)構(gòu)不同，簡要分析了斷面形式、內(nèi)外部荷載協(xié)調(diào)與結(jié)構(gòu)設(shè)計、是否需要土體加固等關(guān)鍵技術(shù)。

我國地下工程和綜合管廊建設(shè)方興未艾，鋼結(jié)構(gòu)和裝配式結(jié)構(gòu)均得到國家大力提倡，且波紋鋼管廊對環(huán)境污染少，屬于綠色工程，南京、昆明等城市均已采用方拱形波紋鋼管廊，具有廣闊的應(yīng)用前景。針對波紋鋼管廊建設(shè)的需要，尚需針對以下方面進行深入研究。

1)根據(jù)波紋鋼管廊建設(shè)的設(shè)計方法和施工技術(shù)需要，進一步對結(jié)構(gòu)和土體破壞特征及其機制進行研究，針對結(jié)構(gòu)斷面形式、接縫設(shè)計、結(jié)構(gòu)防水、腐蝕預防、結(jié)構(gòu)加固加強、土體加固處理、最小埋深及頂部荷載要求、抗浮設(shè)計、預制裝配施工工藝工法及輔助設(shè)施、預應(yīng)力等方面進行專題研究，促進國內(nèi)地下波紋鋼綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計理念和施工技術(shù)的全面發(fā)展。

2)波紋鋼管廊結(jié)構(gòu)作為城市地下基礎(chǔ)設(shè)施，運營環(huán)境復雜，尚需要進一步研究結(jié)構(gòu)安全、施工運營風險管控要求，明確對工程建設(shè)風險、運營環(huán)境、設(shè)計施工安全的要求。結(jié)合我國GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》等標準，完善波紋鋼管廊設(shè)計施工的相關(guān)國家、行業(yè)規(guī)范體系，為相關(guān)工程建設(shè)標準化奠定基礎(chǔ)。

3)根據(jù)運營需求，開展通風、照明、監(jiān)控及運營期風險分析及災害工作，完善相關(guān)附屬設(shè)施及設(shè)備要求，提升相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工及運營管理技術(shù)水平。