泵站地下池體結(jié)構(gòu)形式及施工方案對(duì)比分析

馬 超

（河北銳馳交通工程咨詢有限公司，河北 石家莊050021）

0 引 言

近些年，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的全面推進(jìn)，越來越多的道路與既有鐵路進(jìn)行交叉。道路與鐵路交叉的形式主要為平面交叉和立體交叉。當(dāng)鐵路路線等級(jí)低、道路交通量小，且場(chǎng)地地勢(shì)平坦、視野好的地方，才會(huì)設(shè)置平面交叉，其余地方均采用立體交叉。立體交叉根據(jù)道路的使用功能要求和場(chǎng)地地質(zhì)情況，可分為下穿地道橋和上跨高架橋[1]兩種形式。當(dāng)采用下穿式地道橋形式時(shí)，一般會(huì)設(shè)置雨水泵站，以解決雨天積水問題，保障道路交通安全[2]。目前，我國建設(shè)項(xiàng)目中，泵站地下池體部分通常采用明挖現(xiàn)澆施工和預(yù)制沉井施工[3]兩種工藝。每種工藝伴隨著不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式。不同的結(jié)構(gòu)形式和施工方案，在工程造價(jià)、對(duì)周邊環(huán)境的影響、施工工期等方面均有所不同。因此，如何合理選用雨水泵站結(jié)構(gòu)形式和施工方案,是進(jìn)一步研究的方向。

1 工程概況

某市政道路與京滬鐵路交叉，采用地道框架橋形式下穿鐵路。道路采用城市快速路標(biāo)準(zhǔn)，主路為雙向6車道，輔路為雙向4車道，道路紅線寬度70 m，瀝青混凝土路面。主路設(shè)計(jì)速度為60 km/h，輔道設(shè)計(jì)速度為40 km/h。下穿鐵路框架橋設(shè)計(jì)凈高：機(jī)動(dòng)車道不小于5.0 m，非機(jī)動(dòng)車道和人行道不小于3.0 m。兩側(cè)引道設(shè)計(jì)縱坡分別為-2.87%、+3.07%，凹形豎曲線半徑R=3 500 m，如圖1所示。

圖1 道路縱段示意圖

為排除下穿鐵路段道路范圍內(nèi)雨水，新建一座雨水泵站。泵站位置距鐵路邊線70 m，泵房選用半地下室泵房。根據(jù)當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度計(jì)算，地下池體結(jié)構(gòu)尺寸為9 m×12 m，深11.6 m。為了合理選取泵站地下池體的結(jié)構(gòu)形式和施工方案，本項(xiàng)目從結(jié)構(gòu)計(jì)算、施工質(zhì)量、施工工期、工程造價(jià)等方面對(duì)比分析明挖和沉井兩種施工工藝，分別如圖2和圖3所示。

圖2 地下池體明挖結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 地下池體沉井結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)構(gòu)受力分析

2.1 作用荷載

根據(jù)《給水排水工程鋼筋混凝土水池設(shè)計(jì)規(guī)程》（CESC 138：2002）[4]和《給水排水工程鋼筋混凝土沉井設(shè)計(jì)規(guī)程》（CESC 137：2015）[5]相關(guān)規(guī)定，明挖形式和沉井形式的地下池體，所受荷載作用類型相同。除自重外，側(cè)壁所受荷載為側(cè)土壓力、池體內(nèi)外側(cè)水壓、地面堆載引起的側(cè)向壓力[6]，底板受到地基反力和地下水浮力的作用。

荷載組合應(yīng)根據(jù)地面堆載情況、地下水位變化情況、池內(nèi)蓄水情況分別進(jìn)行荷載組合計(jì)算，取其最不利組合。

2.2 計(jì)算重點(diǎn)

2.2.1 穩(wěn)定性驗(yàn)算

雨水泵站地下池體尺寸較大，項(xiàng)目場(chǎng)地地下水位較高，運(yùn)營階段結(jié)構(gòu)有出現(xiàn)上浮的可能性。因此，《給水排水工程鋼筋混凝土水池設(shè)計(jì)規(guī)程》（CESC 138：2002）[4]和《給水排水工程鋼筋混凝土沉井設(shè)計(jì)規(guī)程》（CESC 137：2015）[5]均對(duì)抗浮穩(wěn)定性提出了相應(yīng)要求，在不計(jì)側(cè)壁摩阻力的情況下，抗浮穩(wěn)定系數(shù)不應(yīng)小于1.05。本項(xiàng)目明挖式池體采用增大底板襟邊尺寸來滿足抗浮要求，沉井式池體通過增加池體內(nèi)空腔尺寸回填素土以增大配重來滿足抗浮穩(wěn)定性要求。

2.2.2 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

明挖形式和沉井形式的地下池體在運(yùn)營階段均應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算，對(duì)軸心受拉和小偏心受拉部位進(jìn)行抗裂度驗(yàn)算；對(duì)受彎和大偏心受拉部位進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算，最大裂縫寬度不超過0.2 mm。

2.2.3 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

明挖形式和沉井形式的地下池體在運(yùn)營階段均應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算，選取最不利荷載組合進(jìn)行計(jì)算。

2.2.4 施工過程驗(yàn)算

明挖式池體結(jié)構(gòu)本身無須進(jìn)行驗(yàn)算，但因尺寸較大，開挖基坑深度超過12 m，需進(jìn)行基坑支護(hù)設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目采用土釘墻防護(hù)[7]，邊坡開挖坡率為1∶1，噴射10 cm厚掛網(wǎng)混凝土。

沉井式池體在下沉過程中應(yīng)進(jìn)行下沉穩(wěn)定性驗(yàn)算，以避免出現(xiàn)突沉事故。同時(shí)進(jìn)行豎向抗拉計(jì)算，以及控制裂縫寬度不超過0.3 mm。

3 工程造價(jià)對(duì)比

因兩種形式池體的受力模式和抗浮方式不同，使其材料用量有所差異。根據(jù)計(jì)算，明挖式池體所用C30混凝土795.4 m3，鋼筋159.1 t，同時(shí)考慮基坑支護(hù)相關(guān)費(fèi)用，共計(jì)370萬元。沉井式池體所用C30混凝土1 189.6 m3，鋼筋263.5 t，共計(jì)270萬元。

4 施工工期對(duì)比

表1中列出了明挖式池體和沉井式池體的主要施工流程。

表1 施工流程

對(duì)比可見，沉井式池體工序較多，工期約為明挖式池體的2倍。

5 施工技術(shù)要求與施工質(zhì)量對(duì)比

明挖式池體基坑開挖后直接模板澆筑即可，基坑采用土釘墻支護(hù)。此施工方案對(duì)施工技術(shù)要求不高，可以很好地保證池體標(biāo)高和傾斜度。

沉井式池體依靠自重（有時(shí)需增加配重或采用減阻措施）克服側(cè)壁摩阻力[8]下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。本項(xiàng)目場(chǎng)地土層摩阻力較大，下沉速度較慢。下沉過程中，需時(shí)時(shí)觀測(cè)沉井位置和方向，準(zhǔn)確分析偏斜原因，及時(shí)糾正偏差。地下水位較高，沉井式池體排水和封底施工均有一定難度。因此，沉井式池體施工對(duì)技術(shù)人員有較高的水平和經(jīng)驗(yàn)要求。借助之前的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，沉井施工時(shí)標(biāo)高和傾斜度較難控制，一般會(huì)有10 cm左右誤差，有時(shí)甚至?xí)_(dá)到20～30 cm誤差，同時(shí)會(huì)存在一定傾斜。

6 對(duì)周邊環(huán)境影響

明挖式池體基坑放坡開挖，需較大的開挖工作面，對(duì)周邊建筑、地下管網(wǎng)等均有不同程度的影響。同時(shí)，在開挖回填范圍內(nèi)，新建地上建筑也會(huì)受到回填土壓實(shí)質(zhì)量的影響。

沉井式池體不需要擴(kuò)大開挖工作面，對(duì)周邊環(huán)境幾乎沒有影響。

7 結(jié) 語

本文從結(jié)構(gòu)受力、工程造價(jià)、工程工期、施工技術(shù)和施工質(zhì)量等方面對(duì)比分析了明挖式池體和沉井式池體兩種形式，綜合評(píng)價(jià)見表2。

表2 明挖式池體和沉井式池體兩種形式對(duì)比

在征求鐵路管理部門意見后，本項(xiàng)目最終采用沉井式池體方案。借助本項(xiàng)目的對(duì)比結(jié)果，可為今后下穿鐵路項(xiàng)目雨水泵站地下池體結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)和施工方案提供參考。