新型裝配式通道的研發(fā)和設(shè)計分析

文/陳露曄、陳瑤、廖劉算、吳淀杭

1 前言

通道是公路工程中一種十分常見的結(jié)構(gòu)，以人、車通行或過水為主要功能。作為公路工程中的重要組成部分之一，通道量大面廣，投資較大，在施工建設(shè)中，往往會成為影響整個工程造價、質(zhì)量和工期的重要因素之一。

目前，國內(nèi)的通道普遍以現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，現(xiàn)澆通道在施工過程中容易受到地理環(huán)境、季節(jié)氣候及原材料等條件的限制，加上施工方法、工藝、材料單一，存在一定局限性，不適應(yīng)新時期我國交通強(qiáng)國建設(shè)、打造品質(zhì)工程對結(jié)構(gòu)構(gòu)件實現(xiàn)工廠化生產(chǎn)、機(jī)械化裝配、標(biāo)準(zhǔn)化施工的要求[1]。

2 研發(fā)目標(biāo)

為完成新型預(yù)制裝配式通道的研發(fā)，實踐交通強(qiáng)國戰(zhàn)略，提高交通建設(shè)行業(yè)工業(yè)化、裝配化、智慧化水平，本文制定了三個目標(biāo)，并可細(xì)分為九個方面。

2.1 目標(biāo)一：通道種類歸并、尺寸優(yōu)化、環(huán)境適用

影響通道種類、尺寸的因素如下：功能（機(jī)通、人通、排水），通道埋深（明涵、暗涵），運(yùn)輸?shù)跹b條件（起重設(shè)備、道路情況、超限上路審批），凈空要求。裝配式通道不僅需要適應(yīng)各種環(huán)境下（山區(qū)、平原）的運(yùn)輸、吊裝，而且還應(yīng)減少現(xiàn)場施工對環(huán)境的污染[2]。

2.2 目標(biāo)二：施工全過程的便利性

現(xiàn)澆通道施工必須在地基處理完后進(jìn)行，換填或管樁處理本身需要一定時間，而現(xiàn)澆作業(yè)工藝復(fù)雜無法利用地基處理前期的時間；現(xiàn)場勞動力多，機(jī)械化程度低；現(xiàn)場施工場地占用大，原材料堆放難以管理。為了實現(xiàn)施工全過程的便利性，工廠制造簡捷高效、預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸便利、現(xiàn)場裝配快速可靠的研究不可缺少。

2.3 目標(biāo)三：通道結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)、可靠、耐久

通道的耐久性和可靠性，除了與結(jié)構(gòu)尺寸外，還與構(gòu)件的連接方式、防水措施等有關(guān)，只有上述都滿足施工、運(yùn)營需求，才能達(dá)到可靠耐久。

3 方案設(shè)計

3.1 裝配式通道斷面類型和尺寸

裝配式通道按其斷面形狀可分為箱形、拱形和異形通道三種結(jié)構(gòu)。根據(jù)其功能，裝配式通道可分為人通、機(jī)通和排水。根據(jù)實際使用情況，可以單獨(dú)或者混合使用其功能。

圖1 新型裝配式通道斷面透視圖

通道斷面類型選擇應(yīng)保證：用于人通、機(jī)通時，保證其凈空滿足使用要求；用于排水時，盡可能提高其過水能力；通道類型形式簡單、斷面規(guī)整、造價經(jīng)濟(jì)[3]。

表1 斷面類型方案比選

經(jīng)過上表對比分析，為了提高裝配式通道對使用功能的適應(yīng)性，從方便施工、降低造價的角度出發(fā)，最終確定采用“箱形通道”作為人通、機(jī)通的通道斷面類型，“拱形通道”作為純過水的通道斷面類型。

通過對既有項目的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，凈寬4m、5m、6m，凈高3.5m、4m、4.5m 占比最大，凈高分布大致服從0.5m 等差變化?？紤]到減少模板尺寸、提高利用率，標(biāo)準(zhǔn)凈寬采用4m 和6m，標(biāo)準(zhǔn)凈高采用3.5m和4.5m，最終確定兩種標(biāo)準(zhǔn)通道：6×4.5m 及4×3.5m通道，側(cè)墻以0.5m 為模數(shù)，根據(jù)實際需求進(jìn)行調(diào)整，滿足不同凈高的要求。

實際工程應(yīng)用中直徑為1m、1.5m、2m 的圓管涵均為常見橫斷面，預(yù)制工藝已經(jīng)成熟，考慮到較大過水?dāng)嗝娴男枨?，確定拱形通道尺寸3×2m，過水面積為5m2。

3.2 縱橫向節(jié)段劃分

裝配式通道縱向節(jié)段的劃分，首先，既要能根據(jù)通道長度靈活調(diào)節(jié)，又要保證拼裝工序少，而這就要求縱向節(jié)段長度需合適；其次，吊裝重量不能過大，控制在30t 以下為宜；最后，考慮減少構(gòu)件運(yùn)輸上路審批流程，構(gòu)件節(jié)段盡量控制在超限運(yùn)輸尺寸以內(nèi)。綜上所述，縱向標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長度取2.5m，為了靈活調(diào)節(jié)通道長度，增加1m 長度的調(diào)整節(jié)段，可實現(xiàn)0.5m 級的長度調(diào)整。

裝配式箱式通道橫向節(jié)段主要有以下幾種形式：整體式、上下兩部分拼塊式、門形拼裝式、蓋板式等。整體式通道現(xiàn)場拼縫最少，但尺寸超限，起吊重量大，不適合運(yùn)輸，故不做比選，其余均有現(xiàn)場拼縫，門式有現(xiàn)澆底板[4]。

表2 橫向劃分方案比選

考慮到增加結(jié)構(gòu)整體性和基礎(chǔ)平整度容錯率，底板宜采用部分現(xiàn)澆。蓋板式預(yù)制精度要求小、存放所需場地較小、起吊重量小且各構(gòu)件間的起吊重量差異小，所需起吊設(shè)備要求低，因此選擇蓋板式作為裝配式箱形通道橫向節(jié)段劃分方案。

拱形通道頂板圓弧段對豎直段有水平推力，為減少現(xiàn)場側(cè)墻臨時固定作業(yè)量，拱形通道頂板宜采用整體預(yù)制，因此選擇門形拼裝式作為裝配式拱形通道橫向節(jié)段劃分方案。

3.3 縱向連接方式

裝配式通道連接形式主要有兩種：構(gòu)件間無約束鎖緊裝置的連接和構(gòu)件間帶有縱向鎖緊裝置的連接。

3.3.1 無約束鎖緊裝置的連接

無約束鎖緊裝置的連接，又分為剛性接口和柔性接口。接口形式主要有以下幾種：小企口接口，用砂漿或彈性材料密封；大企口膠圈密封接口，其分為帶膠圈槽的接口和無膠圈槽接口、單膠圈密封和雙膠圈密封接接口；鋼承口接口。

3.3.2 帶有縱向鎖緊裝置的連接

把每節(jié)通道連接成整體，其所用的方法即是在通道中預(yù)留穿筋孔道，節(jié)段安裝時穿入高強(qiáng)鋼筋螺桿或鋼絞線，經(jīng)張拉鎖緊，節(jié)段就被串聯(lián)成有一定剛度的整體通道，用以抗御基礎(chǔ)不均勻沉降。因各節(jié)段間縱向具有壓力，故此類通道常用節(jié)段端面壓縮膠圈形成接口密封，接口密封材料常用遇水膨脹膠圈。

裝配式通道的連接方式是形成整體質(zhì)量的重要因素。其連接方式應(yīng)保證：在通道全壽命過程中接口密封的可靠性；連接方式應(yīng)能適應(yīng)施工工藝的要求，簡單方便；連接接口應(yīng)便于生產(chǎn)制造；連接方式形式簡單、成本低廉。

考慮裝配式通道的適應(yīng)性及耐久性，從方便施工、降低造價的角度出發(fā)，確定采用“柔性大企口”作為實施方案。承插口設(shè)置為可豎向插拔式，避免施工中水平頂推作業(yè)。

3.4 綜合防水措施

通道一般防水措施有：砂漿或彈性材料密封；膠圈密封接口；鋼承口接口；遇水膨脹膠圈。但效果往往不盡如人意，尤其在裝配式通道施工精度的影響下，在設(shè)計時更需注意接縫處防水措施。根據(jù)調(diào)查資料，實際運(yùn)營過程中常常會發(fā)生接縫處滲水情況，防水措施有待優(yōu)化。

經(jīng)過資料查找、研究后，參考水底隧道防水措施，裝配式通道防水采用綜合防水措施，頂板鋪設(shè)抗?jié)B砼，側(cè)墻接縫內(nèi)采用膨脹止水條+雙組份聚硫密封膠，接縫外側(cè)采用SBS 改性瀝青防水卷材，底板下采用水泥基滲透結(jié)晶防水涂料。

4 結(jié)語

本文研究和設(shè)計的新型裝配式通道，具有如下標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化特點：構(gòu)件尺寸整齊劃一，模板種類高效精簡；側(cè)墻高度分級可調(diào)，涵蓋多種適用范圍；現(xiàn)場裝配零焊接量，環(huán)境污染持續(xù)降低；產(chǎn)品質(zhì)量有效保障，通道結(jié)構(gòu)耐久環(huán)保；專用定額有據(jù)可查，通道造價經(jīng)濟(jì)節(jié)??；形成若干技術(shù)指南，方便后續(xù)推廣應(yīng)用。

目前，規(guī)范對于埋深較大的通道涵洞計算要求并未規(guī)定考慮土拱效應(yīng)，因此本次開發(fā)設(shè)計尚未考慮該部分的有利影響，而事實上土拱效應(yīng)在高填深埋路段的通道中普遍存在，后期將依托工程中對實際通道受力的檢測分析，建立結(jié)構(gòu)與土拱聯(lián)合作用的實體有限元模型，摸清高填深埋路段的結(jié)構(gòu)受力機(jī)理，對薄壁通道進(jìn)行優(yōu)化，以進(jìn)一步提高其經(jīng)濟(jì)型。