長節(jié)段大噸位預(yù)制拼裝綜合管廊設(shè)計(jì)

胡玉龍

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

0 引 言

綜合管廊是一種減少道路反復(fù)開挖、實(shí)現(xiàn)管線的集約化運(yùn)營管理、提高城市韌性水平的新型市政基礎(chǔ)設(shè)施[1]。綜合管廊的施工工藝一般分為現(xiàn)澆施工和預(yù)制拼裝兩大類，其中預(yù)制拼裝工藝具備設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、構(gòu)件產(chǎn)品化、施工機(jī)械化、管理信息化的特征，是整合設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備等全產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)品節(jié)能、環(huán)保、全生命周期價(jià)值最大化的綠色建造方式[2]。

1 拼裝體系

結(jié)合已有的綜合管廊工程案例，綜合管廊預(yù)制拼裝工藝主要分為整節(jié)段預(yù)制拼裝、分塊節(jié)段預(yù)制拼裝、疊合預(yù)制拼裝、多艙組合預(yù)制拼裝等四類形式[3]，見圖1。整節(jié)段預(yù)制拼裝接縫少，整體性好，但構(gòu)件尺寸及重量大，對(duì)運(yùn)輸及安裝設(shè)備要求較高；分塊節(jié)段預(yù)制拼裝構(gòu)件尺寸及重量小，安裝方便，但接縫多，整體性差，滲漏點(diǎn)多；疊合預(yù)制拼裝借鑒裝配式建筑，構(gòu)建重量小，但施工工序多，現(xiàn)澆工作量大；多艙組合預(yù)制拼裝化整為零，構(gòu)建尺寸及重量小，但縱橫向預(yù)應(yīng)力張拉復(fù)雜，相鄰?fù)獗诎鍖?dǎo)致混凝土用量大。

圖1 預(yù)制拼裝綜合管廊分類

綜合比較四種工藝，整節(jié)段預(yù)制拼裝在結(jié)構(gòu)整體性、防水性能及工效方面優(yōu)勢明顯，但受制于常用運(yùn)輸及安裝設(shè)備的載重性能，該工藝主要應(yīng)用在小斷面、短節(jié)段管廊工程中，導(dǎo)致工程綜合效益及工效均較差，無法大范圍推廣使用。高鐵工程中的分體式架橋裝備利用提梁機(jī)、運(yùn)梁車和架橋機(jī)分別完成大型預(yù)制件的吊裝、運(yùn)輸及安裝施工[4]?？紤]長節(jié)段大噸位預(yù)制管廊節(jié)段的尺寸及重量與高鐵預(yù)制梁較接近，本工程借鑒高鐵施工技術(shù)，提出一種在管廊結(jié)構(gòu)上方運(yùn)輸及安裝管廊的工藝，并研發(fā)配套的運(yùn)廊車及架廊機(jī)等設(shè)備，滿足長節(jié)段、大噸位預(yù)制拼裝綜合管廊的施工需求。

2 工程概況

綜合管廊工程為四艙矩形斷面，管廊容納給水（DN500）、配水（DN200）、再生水（DN300）、220 kV 電力（2 回）、110kV 電力（9 回）、10 kV 電力（32 回）、通信（32 孔）、次高壓燃?xì)猓―N400）、中壓燃?xì)猓―N350）及自用管線。綜合管廊艙室從左至右依次為燃?xì)馀?、水信艙、電力艙Ⅰ、電力艙Ⅱ，?biāo)準(zhǔn)斷面凈尺寸為12.0 m×3.2 m，管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖2。

圖2 綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面布置圖（單位：mm）

綜合管廊布置在道路中央隔離帶及東側(cè)機(jī)動(dòng)車道下方，標(biāo)準(zhǔn)斷面覆土深度為8 m，管廊橫斷面見圖3。

圖3 綜合管廊橫斷面（單位：mm）

3 施工工藝

本工程為整節(jié)段預(yù)制拼裝工藝在長節(jié)段、大噸位應(yīng)用場景中配套研發(fā)了運(yùn)廊車及架廊機(jī)。綜合管廊運(yùn)輸設(shè)備為運(yùn)廊車，運(yùn)廊車額定裝載質(zhì)量500 t，車輛自身質(zhì)量約132 t；車輛共計(jì)20 軸，單軸最大荷載為（500+132）/20=31.6 t。管廊安裝設(shè)備為TLJ600 t 架廊機(jī)，架廊機(jī)實(shí)際吊重500 t（管廊+ 吊具），架廊機(jī)自身質(zhì)量約384 t；架廊機(jī)主要包含起重天車、主梁、前中后支腿和電液控制系統(tǒng)，可通過調(diào)節(jié)支腿間距適應(yīng)于3～5 艙管廊結(jié)構(gòu)。設(shè)備見圖4。

圖4 設(shè)備示意圖（單位：mm）

預(yù)制拼裝試驗(yàn)段長度約816 m，管廊外包尺寸為13.0 m×4.2 m，節(jié)段長度為8 m，單節(jié)段重約402 t，構(gòu)件尺寸及重量均較大。運(yùn)廊車和架廊機(jī)施工工序如下：

工序一：利用輪軌門式龍門吊安裝始發(fā)段綜合管廊（8 節(jié)段），在管廊頂板上完成運(yùn)廊車和架廊機(jī)的拼裝；

工序二：輪胎式運(yùn)廊車在管廊頂板上運(yùn)送管廊節(jié)段，調(diào)整管廊后支腿，使運(yùn)廊車通過后支腿，達(dá)到中支腿和后支腿之間；

工序三：架廊機(jī)天車吊起管廊節(jié)段，穿過中支腿，然后利用天車旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，將管廊旋轉(zhuǎn)90°，隨后進(jìn)行落廊操作；

工序四：兩個(gè)管廊節(jié)段張拉完成后，鋪設(shè)架廊機(jī)滑移軌道，基坑中前支腿懸起，架廊機(jī)前移16 m（2節(jié)段）。重復(fù)上述流程，往復(fù)施工。施工流程見圖5。

圖5 運(yùn)廊車和架廊機(jī)施工流程

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面為四艙，外包尺寸為13.0 m×4.2 m，管廊頂板覆土為8.0 m。管廊頂?shù)装寮巴獗诎搴穸染鶠?00 mm，中隔墻厚度為300 mm，板厚及配筋見圖6。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)斷面配筋圖（單位：mm）

綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面的計(jì)算分為靜力工況和施工工況。經(jīng)驗(yàn)算，設(shè)備及預(yù)制管廊節(jié)段重量均較大，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)斷面的荷載作用較靜力工況大，故施工工況為控制工況?？紤]管廊靜力計(jì)算較常規(guī)，且不是控制工況，故后續(xù)僅介紹施工工況的驗(yàn)算。

施工工況主要是分析運(yùn)廊車和架廊機(jī)作用在標(biāo)準(zhǔn)斷面頂板時(shí)的結(jié)構(gòu)受力，分為運(yùn)廊車工況、架廊機(jī)后支腿工況和架廊機(jī)中支腿工況等?？紤]本工程為國內(nèi)首個(gè)采用運(yùn)廊車及架廊機(jī)運(yùn)輸安裝工藝的管廊項(xiàng)目，為確保管廊結(jié)構(gòu)安全及后期防水效果，施工工況同時(shí)驗(yàn)算承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，其中要求裂縫寬度不大于0.2 mm 的正常使用極限狀態(tài)起控制作用。施工工況的荷載主要包括節(jié)段自重、運(yùn)廊車或架廊機(jī)設(shè)備重量及頂板上施工活荷載。其中設(shè)備重量需考慮1.5 荷載沖擊系數(shù)。下面詳細(xì)介紹各施工工況驗(yàn)算過程。

4.1 運(yùn)廊車工況

運(yùn)廊車工況是運(yùn)廊車裝載8 m 預(yù)制節(jié)段后行駛在電力艙兩側(cè)中隔墻上方時(shí)不利狀況，運(yùn)廊車額定裝載質(zhì)量500 t，車輛自身重量約132 t?？紤]車輛為20 軸，且胎壓較小，接觸面積較大，故車輛荷載可簡化為沿中隔墻分布的均布荷載，荷載標(biāo)準(zhǔn)值為115.2 kPa。經(jīng)計(jì)算，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，裂縫也在規(guī)范限值0.2 mm內(nèi)。計(jì)算結(jié)果見圖7。

圖7 運(yùn)廊車工況計(jì)算簡圖

4.2 架廊機(jī)后支腿工況

后支腿荷載最大出現(xiàn)在架廊機(jī)將管廊節(jié)段從運(yùn)廊車上提起時(shí)，此時(shí)預(yù)制節(jié)段重量主要集中在后支腿，后支腿四個(gè)荷載標(biāo)準(zhǔn)值分別為62.0 t、62.0 t、104.5 t、104.5 t，合計(jì)約333 t。單個(gè)支腿的作用面積約600 mm×1 700 mm，支腿下最大局部壓強(qiáng)約1 024.5 kPa。經(jīng)計(jì)算，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，裂縫也在規(guī)范限值0.2 mm 內(nèi)。計(jì)算結(jié)果見圖8。

圖8 運(yùn)廊車工況計(jì)算簡圖

4.3 架廊機(jī)中支腿工況

中支腿荷載最大出現(xiàn)在架廊機(jī)天車吊起管廊穿過中支腿時(shí)，此時(shí)預(yù)制節(jié)段重量主要集中在中支腿，中支腿五個(gè)荷載標(biāo)準(zhǔn)值分別為154.0 t、140.0 t、140.0 t、140.0 t、170.0 t，合計(jì)約744 t。單個(gè)支腿的作用面積分為600 mm×1 700 mm 及600 mm×2 500 mm，支腿下最大局部壓強(qiáng)約1 372.5 kPa。經(jīng)計(jì)算，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，裂縫也在規(guī)范限值0.2 mm 內(nèi)。該工況為施工期間的控制性工況。計(jì)算結(jié)果見圖9。

圖9 運(yùn)廊車工況計(jì)算簡圖

5 防水設(shè)計(jì)

綜合管廊采用C45 防水混凝土，混凝土抗?jié)B等級(jí)為P8?？紤]預(yù)制管廊節(jié)段是預(yù)制場內(nèi)制作，混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)條件有保證，構(gòu)件成品質(zhì)量較好，構(gòu)件本身收縮裂縫很少，正常情況下不會(huì)出現(xiàn)滲漏水的情況，故管廊防水重點(diǎn)是拼接接縫處。預(yù)制節(jié)段接縫采用平口形式，制作簡單，拼接精度要求低，承壓面積大[5]。綜合考慮規(guī)范要求及項(xiàng)目前期預(yù)制試驗(yàn)成果，拼縫處采用兩道密封膠條防水，雙組份高彈性環(huán)氧密封膠嵌縫，確保防水效果。其中燃?xì)馀摵途C合艙之間也設(shè)置了密封膠條，避免出現(xiàn)燃?xì)庑孤┑狡渌撌仪闆r。防水設(shè)計(jì)見圖10。

圖10 標(biāo)準(zhǔn)斷面防水設(shè)計(jì)（單位：mm）

6 吊點(diǎn)設(shè)計(jì)

綜合管廊節(jié)段吊裝主要包括預(yù)制區(qū)至存廊區(qū)、存廊區(qū)至運(yùn)廊車、始發(fā)段起吊至廊上運(yùn)廊車、架廊機(jī)起吊至安裝工作面四個(gè)階段。8 m 節(jié)段管廊重量為402 t，目前無相關(guān)管廊工程可借鑒，故設(shè)計(jì)過程應(yīng)強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)安全性，同時(shí)兼顧施工的可靠性及便利性。

8 m 節(jié)段頂板預(yù)留直徑60 吊裝孔，共布置5×4=20 處，單個(gè)吊點(diǎn)靜荷載約20.1 t。吊裝孔的優(yōu)點(diǎn)是不需要預(yù)埋專用吊具、安拆方便、綜合費(fèi)用低。工程結(jié)束后，吊裝孔采用C50 微膨脹細(xì)石混凝土封堵，局部附加一道防水卷材，避免出現(xiàn)滲漏水。吊裝設(shè)計(jì)詳見圖11。

圖11 標(biāo)準(zhǔn)斷面吊點(diǎn)設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

由于管廊橫斷面左右不對(duì)稱，結(jié)構(gòu)質(zhì)心和形心不重合，故起吊時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)偏載，進(jìn)而導(dǎo)致吊點(diǎn)荷載不均勻。偏載主要通過設(shè)備及設(shè)計(jì)進(jìn)行糾正：（1）吊具液壓油缸均設(shè)置平衡閥，確保起吊時(shí)各油缸壓力達(dá)到平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自平衡功能；（2）起吊時(shí)荷載不僅考慮1.5 的沖擊系數(shù)，而且附加2.0 的安全系數(shù)，確保安全冗余。通過分析施工中監(jiān)測數(shù)據(jù)，液壓油缸自平衡性能良好，各吊點(diǎn)荷載基本均勻，后續(xù)工程可對(duì)吊裝孔數(shù)量及位置進(jìn)行優(yōu)化。

7 結(jié) 語

運(yùn)廊車及架廊機(jī)安裝工藝能滿足整節(jié)段預(yù)制拼裝管廊在長節(jié)段、大噸位的條件下施工，實(shí)現(xiàn)了管廊工廠化生產(chǎn)、裝配化施工的建造模式。但作為該工藝的首次應(yīng)用，為確保工程安全，設(shè)計(jì)過程中對(duì)設(shè)備荷載大小、分布及沖擊系數(shù)等留有安全儲(chǔ)備。后期結(jié)合施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析荷載作用，降低結(jié)構(gòu)的板厚及配筋，優(yōu)化防水做法，簡化吊裝形式，提高施工工效，降低費(fèi)用，便于綜合管廊預(yù)制拼裝工藝的推廣。