綜合管廊借助橋梁跨越河道的設計應用

朱 琳

（北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京市 100082）

0 引言

城市地下綜合管廊具有基礎建設現代化、管線布設集約化的優(yōu)勢，在解決城市建設用地緊張、道路交通擁擠、基礎設施不足、環(huán)境污染加劇等建設問題上，有較好的應對效果，是新型城市市政基礎設施建設的發(fā)展趨勢，將更大范圍地應用與推廣。綜合管廊的建設優(yōu)勢是開發(fā)利用地下空間，且具有建設運營的便捷性，以及全壽命周期的經濟性。而面對穿越大型江河等環(huán)境條件時，綜合管廊下穿河底的建設方案，將引發(fā)跨越段及前后銜接段高程的大范圍降低，從而導致圍護結構數量及施工難度的大幅增加，并對河道行洪及通航形成影響。對于上述問題，綜合管廊建設時可借助橋梁結構實現跨越，在特殊節(jié)點破除地下建設的約束，擴大結構布設的適用度。

1 工程概況及綜合管廊條件

1.1 工程概況

廣東省某新區(qū)建設工程包含新建綜合管廊約41.4 km，新建道路約34.4 km。長利大道為其中一雙向六車道城市主干路，于規(guī)劃河道相交處設置橋梁一座，橋位處規(guī)劃河道面寬203 m，如圖1 所示。新建橋梁主橋跨徑（49+66+49）m，如圖2 所示，兩側各設置5 跨40 m 引橋，總長564 m；橋面全寬27 m，分兩幅設置，上部結構采用預應力混凝土箱梁形式，下部結構基礎采用嵌巖樁。路段范圍管廊沿道路走向布設，需同時穿越規(guī)劃河道。

圖1 橋位處規(guī)劃河道斷面圖

圖2 新建橋梁主橋立面圖

1.2 綜合管廊條件

根據綜合管廊工藝設計條件，該路段入廊管線為給水DN700 mm、預留再生水DN200 mm、電力10 kV、電信光纜，標準斷面如圖3 所示。

圖3 地下管廊標準斷面圖（單位：mm）

2 管廊過河方案比選

2.1 下穿方案

該工程管廊過河控制條件主要有以下兩點：（1）橋位處規(guī)劃河道底深約8.7 m，水面寬度約200 m；（2）橋區(qū)范圍內覆蓋有10～20 m 厚淤泥層。

如采用常規(guī)下穿河道方案，在滿足地下管廊結構最小覆土厚度的前提下，河底區(qū)段及前后銜接段，管線縱斷設計需大范圍下降，大幅增加了河道以外銜接段范圍基坑深度及支護結構工程量；河道需分段修建圍堰進行導流，工程量較大。河底管廊基礎范圍淤泥層需全部進行工程處理，以滿足承載力設計要求。

2.2 上跨方案

為降低建設成本及減少施工難度，考慮綜合管廊利用橋梁結構實現上跨河道的穿越形式，以避讓自然條件的不利影響。實現合橋跨越方案需落實以下條件：（1）隨橋管線類型滿足橋梁規(guī)范要求；（2）管廊及橋梁結構的協(xié)同空間布設。

2.2.1 管線類型

根據工藝條件，該路段入廊管線均滿足橋上管線敷設類型。

2.2.2 布設空間

平面布設：橋梁上部結構分幅采用整體混凝土箱梁形式，內懸臂下空間可利用。

橫斷面布設：結合橋梁高度及內懸臂下空間凈尺寸，以管廊結構不影響橋梁景觀為原則，在不改變管廊管線功能的前提下，對橋區(qū)入廊管線的排布進行調整。地下綜合管廊結構在接近橋梁區(qū)段，由標準一艙布置形式漸變?yōu)閮膳摬贾?，橋上管廊對應為水信艙、電力艙兩艙，分別布設人員通道，入廊管線與地下段管廊段相同，橋上管廊結構不外露出橋梁主體結構，如圖4 所示。

圖4 橋梁橫斷面布置圖（單位：cm）

縱斷布設：管廊鄰近橋區(qū)縱斷設計隨道路縱斷設計整體抬升，地下與橋上過渡段設置于路基擋墻范圍。

橋上管廊采用吊架形式設置于主梁內懸臂，主構件采用H 型鋼截面，標準段縱橋向間距2 m 設置一道，與主梁懸臂預埋鋼帶焊接，吊架間底板及側立面設置鋼縱梁，如圖5 所示。橋上管廊在主橋中跨橋面中央分隔帶處內側懸臂設置投料口。

圖5 橋上管廊標準段立面圖（單位：mm）

3 管廊吊架計算

3.1 計算模型

采用Midas civil 程序建立有限元模型進行計算分析。管廊吊架采用H 型鋼截面，吊架間底板及側立面設置H 型鋼及C 型鋼縱梁，型號分別為HW-100×100×6/8 mm 及C-80×43×5/8 mm。

3.2 計算荷載

（1）恒載：計入鋼框架自重、各管線及其支架荷載、檢修人員荷載。各管線荷載見表1 所列。

表1 管廊荷載列表 單位：kN/m

（2）溫度：以安裝溫度15℃考慮，根據規(guī)范[1]，按整體升溫31℃，整體降溫-24℃計算。

3.3 計算分析

3.3.1 連接反力計算

標準段管廊支架與橋梁懸臂處最大反力為19.8 kN，如圖6 所示。

圖6 標準段連接處反力圖示（單位：kN/m）

3.3.2 位移計算

標準段管廊最大豎向位移為2.3 mm，如圖7 所示。

圖7 標準段管廊位移值圖示（單位：mm）

3.3.3 承載能力計算

標準段桿件最大應力值50.8 MPa＜190 MPa，如圖8 所示，滿足規(guī)范[2]要求。

圖8 標準段管廊桿件應力值圖示（單位：MP a）

3.3.4 計算結果分析

根據最大反力結果，管廊吊架與主梁連接處采用3 排D12 箍筋與橋面板鋼筋連接，單根箍筋拉應力為32.4 MPa，滿足規(guī)范[3]要求；最大豎向位移、標準段桿件最大應力值滿足規(guī)范[2]要求。

4 橋上管廊結構設計

4.1 橋梁結構設計

4.1.1 上部結構計算

整體計算：橋梁主梁上設置綜合管廊吊架，主梁整體計算時疊加吊架結構對橋梁主梁的影響，將管廊荷載作為外荷載帶入。

構件驗算：綜合管廊吊架設置于主梁內懸臂，應驗算管廊荷載對懸臂構件的作用，復核懸臂根部厚度及懸臂上緣配筋。

4.1.2 懸臂外形設計

主梁施工采用整體現澆，澆筑前安裝預埋鋼板，上部結構施工完畢后，拼接安裝管廊吊架。為便于設置預埋鋼板，主梁內懸臂于吊架豎桿位置設置水平段，如圖9 所示。

圖9 橋上管廊結構橫斷面構造圖（單位：mm）

4.1.3 預埋構件設計

管廊吊架懸臂下緣預埋管廊吊架連接鋼板，腹板底外緣預埋管廊橫向連接鋼板，預埋鋼板設置鋼筋套箍與主梁縱向鋼筋套連，腹板內預埋套筋避讓縱向預應力鋼束，如圖10 所示。

圖10 主梁預埋鋼板示意圖

4.2 吊架結構設計

4.2.1 加工及安裝

綜合管廊吊架全部采用預制后拼裝施工方法，管廊吊架豎桿、管廊底橫桿與主梁預埋鋼板焊接，管廊結構桿件采用焊接、錨接等形式連接，如圖11 所示。橋梁位于道路豎曲線并設置橫坡，管廊吊架結構加工及安裝前應根據成橋線形進行空間分析等深化操作，以確定預制及安裝尺寸。

圖11 管廊吊架桿件連接示意圖

4.2.2 變形控制

為適應橋梁主梁縱向伸縮，橋上管廊吊架于伸縮縫位置、非公用墩墩頂及跨中位置設置變形縫，變形縫位置采用雙吊桿形式，如圖12 所示。吊架底橫桿與主梁外腹板連接，以控制管廊橫向位移。

圖12 管廊吊架縱向變形縫示意圖

4.2.3 人員檢修通道

橋上管廊兩艙分別設置人員檢修通道，以供管線安裝與檢修通行，管廊吊架底板以上鋪設菱形花紋鋼板，側立面設置加勁梁及鋼板網，保證檢修人員安全。主橋中跨橋面中央分隔帶處內側懸臂設置投料口，管廊吊架相應位置預留投料開口；引橋近橋臺處墩柱設置管廊臨時鋼掛梯，橋下凈空小于3 m 范圍兩吊架間底板設置防盜網。

4.2.4 耐久性設計

橋上管廊吊架應進行防腐處理，結合工程位置氣候條件，確定涂層保護體系年限。所有鋼構件、連接件、預埋件均采用熱鍍鋅工藝，并對鍍鋅量及鍍層平均厚度提出設計要求。

4.3 地下橋上連接段設計

地下管廊于道路路基段抬升縱斷，在橋臺帽梁處與橋上管廊對接，如圖13 所示。橋臺帽梁鋼筋與地下管廊結構底板、側墻鋼筋整體綁扎，兩結構混凝土同期整體澆筑，于橋臺位置形成整體。為防止人員誤入及管廊積水，地下管廊在與橋上管廊接駁處設置砌體封堵墻，僅容納管線穿越。

圖13 地下、橋上管廊連接示意圖

5 實施效果

本文所述跨河橋梁及橋上綜合管廊結構已建設完成，部分入廊管線已安裝并投入運營，建設效果達到設計預期，如圖14 所示。在同類跨度及凈空的架空管廊結構對比中，該工程借助市政橋梁實現管廊過河跨越的形式，在后期管線檢修安裝等過程也具有運料便捷、通風良好、人員通行安全等優(yōu)勢，為今后同類條件的工程建設提供借鑒。

圖14 水信艙橋上管廊實施效果圖

6 結論

（1）城市綜合管廊借助市政橋梁實現河道跨越的方式可行。在地質條件較差及河道水量較大等建設條件下，管廊上橋方案相對管廊穿河方案具有減少工程投資、降低施工風險等優(yōu)勢。

（2）橋梁及管廊工藝應協(xié)同設計，復核空間需求，確定布置形式。可結合入廊管線的類別屬性，采用橋梁外置式或內置式、整體式或分離式，以及整體上橋或部分上橋等穿越形式。

（3）管廊結構與橋梁結構的結合應用，應確保功能和安全。橋梁應針對管廊荷載的疊加作用，進行結構整體及局部驗算。橋上管廊結構的設置，也應確?？蛇m應橋梁受力及變形特點。

（4）橋上管廊結構應具備管線安裝及檢修條件。廊體結構施工完成后，確保管線安裝貫通及后期運營養(yǎng)護，是綜合管廊建設的最終目的，廊內通行空間、進出通道、防護設施、逃生路線、防盜設計等功能設計，應全面覆蓋。