軟土層裝配式波紋鋼綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工分析

陸長(zhǎng)兵

（南京市江北新區(qū)公共工程建設(shè)中心，江蘇 南京 211899）

0 引言

地下綜合管廊是一種將各類市政管線統(tǒng)一敷設(shè)、統(tǒng)一管理的現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施，其施工方法以明挖法為主，廊體結(jié)構(gòu)主要通過傳統(tǒng)的鋼筋混凝土材料并結(jié)合現(xiàn)澆、半預(yù)制、疊合拼裝、全斷面預(yù)制等工藝實(shí)現(xiàn)，但始終存在質(zhì)量、工期、成本以及污染等問題。

在這種形勢(shì)下，預(yù)制裝配式波紋鋼綜合管廊因適用性強(qiáng)、施工快、成本低、自重輕、綠色環(huán)保以及質(zhì)量易控制等優(yōu)勢(shì)被逐步推廣應(yīng)用。然而目前針對(duì)該類波紋鋼管廊的研究相對(duì)較少，筆者經(jīng)過查閱大量文獻(xiàn)資料后發(fā)現(xiàn)，地下波紋鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在公路波紋鋼圓管涵及波紋鋼板橋涵上，國(guó)內(nèi)外通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬及理論分析對(duì)其力學(xué)性能、耐久性、設(shè)計(jì)施工方法及適用條件進(jìn)行了大量研究，研究成果對(duì)裝配式波紋鋼管廊提供了很好的借鑒價(jià)值，但與管涵及橋涵技術(shù)相比，地下綜合管廊的技術(shù)要求更復(fù)雜。

該文根據(jù)地下波紋鋼結(jié)構(gòu)的已有研究成果、應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合目前已建的圓形、半圓形斷面的裝配式波紋鋼管廊工程實(shí)例，對(duì)軟土地基裝配式方拱形波紋鋼地下綜合管廊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)、主要施工工藝進(jìn)行分析。

1 工程概況

南京市某公路快速化改造工程中的鋼結(jié)構(gòu)地下綜合管廊子工程全長(zhǎng)120m，入廊管線包括給水、電力、通信等市政工程管線，采用預(yù)制裝配式方拱形雙艙波紋鋼綜合管廊結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)工程包括管廊主體標(biāo)準(zhǔn)段、管線分支口、逃生口、進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口、吊裝口、人員出入口等，其中標(biāo)準(zhǔn)段管廊結(jié)構(gòu)各艙頂?shù)装迮c側(cè)板的矢跨比分別為0.1、0.07，大艙斷面尺寸（跨徑凈高）為5.4m×3.2m，各波紋鋼板的波形參數(shù)（波長(zhǎng)×波高）均為400mm×150mm，頂?shù)装宓谋诤窬鶠?mm，側(cè)板壁厚為5.5mm，艙間豎板的壁厚為4.5mm；小艙斷面尺寸（跨徑凈高）為3.1m×3.2m，各波紋鋼板的波形參數(shù)（波長(zhǎng)波高壁厚）均為400mm×150mm×4.5mm。該方拱形雙艙波紋鋼地下綜合管廊斷面及其基坑支護(hù)斷面尺寸分別如圖1所示，結(jié)構(gòu)頂部覆土厚度為2.5m～3.5 m。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)段方拱形雙艙波紋鋼地下綜合管廊基坑支護(hù)斷面示意圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 斷面設(shè)計(jì)

當(dāng)前的波紋鋼地下綜合管廊以圓形斷面為主，但圓形管廊內(nèi)支架著力點(diǎn)位于波紋鋼板壁上，違背了管-土共同受力結(jié)構(gòu)不允許“點(diǎn)受力”的原則，圓形管廊的空間利用率低；方形管廊結(jié)構(gòu)由平板拼裝形成，無法利用管-土共同受力原理，板片中心易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；管拱形斷面的管廊，其底部較為平坦，矢高比圓管直徑小，當(dāng)波紋鋼板部件為深波型結(jié)構(gòu)時(shí)將引起拼裝困難。在綜合考慮圓形、方形及管拱形斷面的管廊結(jié)構(gòu)優(yōu)劣勢(shì)后，采用方拱形波紋鋼地下綜合管廊結(jié)構(gòu)。方拱形波紋鋼地下綜合管廊結(jié)構(gòu)斷面圖如圖2所示。

圖2 方拱形波紋鋼地下綜合管廊結(jié)構(gòu)斷面圖

該斷面型式的管廊結(jié)構(gòu)可以有效的利用管土共同受力原理，增強(qiáng)了廊體強(qiáng)度，減小管廊鋼板的厚度，有效的利用管廊內(nèi)部的凈空空間，增加內(nèi)部線管容納量。該工程裝配式鋼結(jié)構(gòu)管廊由4片弧形波紋鋼板、法蘭、螺栓及密封材料拼裝而成，其中弧形板片均由碳鋼鋼板軋制成波紋狀，方拱形斷面保持分段圓弧形，板片間經(jīng)型鋼法蘭栓接。

2.2 多艙隔墻設(shè)計(jì)

方拱形斷面的多艙波紋鋼地下綜合管廊結(jié)構(gòu)艙間結(jié)構(gòu)為兩艙側(cè)板及其間填充的透水混凝土組成的鋼-混組合結(jié)構(gòu)，多艙波紋鋼綜合管廊艙間結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。相鄰側(cè)板為直鋼板，該文涉及的方拱形雙艙波紋鋼地下綜合管廊工程，墻體材料選用Q355碳鋼鋼板，艙間側(cè)板的壁厚為4.5 mm，隔墻采用C40混凝土澆筑。

圖3 多艙波紋鋼綜合管廊艙間結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 連接方式設(shè)計(jì)

縱向連接。波紋鋼板兩端沿縱向焊接型鋼法蘭，法蘭之間安裝密封材料后采用高強(qiáng)螺栓連接緊固，節(jié)間的連接方式與之相似。該連接方式增加了相鄰板片之間及節(jié)間的連接強(qiáng)度，使廊體的側(cè)向剛度增大，解決了廊體的抗側(cè)推變形問題以及抗上浮時(shí)的風(fēng)琴效應(yīng)問題，同時(shí)使板片無貫穿孔，實(shí)現(xiàn)了接縫的多重密封，且板片的軸向尺寸精度增加，加快了拼裝質(zhì)量與拼裝速度。

環(huán)向連接。對(duì)管廊結(jié)構(gòu)的節(jié)間密封方式，通常遵循“三重密封”原則，其中外側(cè)貫穿橡膠密封墊，內(nèi)側(cè)為可更換的橡膠密封墊，中間部分采用發(fā)泡劑進(jìn)行密封。

2.4 廊內(nèi)支架設(shè)計(jì)

方拱形波紋鋼地下綜合管廊內(nèi)部支架設(shè)置如圖4所示，槽鋼法蘭的內(nèi)折邊預(yù)留螺栓孔，通過掛點(diǎn)使普通支架及熱力管道支架擁有力點(diǎn)，解決了波紋鋼板板壁不能出現(xiàn)點(diǎn)受力的問題；大推力支架經(jīng)螺栓固定于管廊底板的縱向鋼筋，底板內(nèi)部澆筑混凝土可提供止推力。因此，采用槽鋼法蘭方式進(jìn)行裝配，還可使廊內(nèi)管線質(zhì)量均勻傳導(dǎo)至管廊基礎(chǔ)，對(duì)管廊結(jié)構(gòu)承載性能有利。

圖4 方拱形波紋鋼綜合管廊內(nèi)部支架設(shè)置圖

針對(duì)該工程支架設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了支架承重測(cè)試，實(shí)際測(cè)試值：管廊側(cè)壁管架承載力每延米大于1.7t，是實(shí)際最大值的3倍以上。

3 主要施工工藝

施工工序主要分為基坑開挖與支護(hù)（或放坡開挖）→墊層施工→管廊結(jié)構(gòu)拼裝→回填施工。為縮短工期，在基坑支護(hù)、土方開挖及墊層施工的同時(shí)，即可預(yù)制加工管廊構(gòu)（配）件，并編號(hào)、分批、分段運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)小斷面管廊結(jié)構(gòu)，可先在坑外拼裝，待墊層施工完成后整體吊入基坑內(nèi)，而對(duì)大斷面管廊結(jié)構(gòu)，依次吊入底板、側(cè)板、頂板進(jìn)行坑內(nèi)拼裝。由于管廊基坑的開挖深度及寬度相對(duì)較小，該文主要對(duì)坑內(nèi)墊層、結(jié)構(gòu)拼裝、基坑回填的施工工藝進(jìn)行分析。

3.1 基坑開挖與支護(hù)

根據(jù)前期的地質(zhì)勘查資料與水文條件，標(biāo)準(zhǔn)段鋼結(jié)構(gòu)管廊基坑采用SMW工法樁與鋼管支撐組合進(jìn)行支護(hù)，如圖2所示。

3.2 加筋墊層施工

基坑開挖至設(shè)計(jì)坑底標(biāo)高后澆筑C20混凝土墊層，墊層內(nèi)設(shè)置φ10mm@200mm（1 m×1 m）鋼筋網(wǎng)片及伸入坑底以下40 cm的φ20mm定位拉筋，網(wǎng)片及拉筋布設(shè)位置橫斷面如圖5所示，澆筑的混凝土墊層表面平整度在2 cm以內(nèi)。

圖5 拉筋布設(shè)位置橫斷面示意圖

3.3 綜合管廊結(jié)構(gòu)拼裝施工

波紋鋼綜合管廊拼裝前，應(yīng)確保墊層標(biāo)高、平整度符合設(shè)計(jì)要求。拼裝工序流程如下。底部基礎(chǔ)找平→底板吊裝與調(diào)平→底板法蘭縱向密封墊鋪設(shè)→側(cè)板吊裝→側(cè)板頂部縱向法蘭密封墊鋪設(shè)→頂板吊裝→終擰螺栓→環(huán)向密封墊安裝→施工定位拉筋焊接（可多節(jié)并行處理）→循環(huán)以上步驟至安裝完成→楔形部位支模澆筑混凝土→廊內(nèi)地坪澆筑混凝土。主要施工工序及拼裝控制如下。

計(jì)算選擇吊機(jī)，采用多點(diǎn)起吊方式，確定綁扎方法，做好防護(hù)措施，起吊和移動(dòng)時(shí)應(yīng)平緩；在混凝土墊層上按設(shè)計(jì)布設(shè)鋼筋和抗拔角鋼；吊裝底板放置于管枕上，在底板拼接面上鋪設(shè)密封墊，采用螺栓固定；吊裝底板于設(shè)計(jì)位置（每次≥2節(jié)）管枕上，調(diào)整測(cè)量保證底板水平，與抗拔角鋼固定，栓接艙間連接螺栓，連接收緊底板節(jié)間螺栓。如圖6所示。支模，澆筑預(yù)制底板下部混凝土，如圖7所示。檢查、清理縱向槽鋼表面，確保拼接表面干凈，不得影響側(cè)板安裝。

圖6 預(yù)制底板與抗拔角鋼連接

圖7 底座混凝土澆筑

在縱向槽鋼拼接面上布設(shè)密封墊，吊裝第一節(jié)中間艙豎直板片。采用可調(diào)剛性支撐，調(diào)整板片垂直度，布設(shè)十字穩(wěn)固拉索，防止傾倒，栓接緊固螺栓；搭設(shè)腳手架，在縱向槽鋼拼接面上布設(shè)密封墊，吊裝第一節(jié)中間艙頂板，栓接緊固螺栓；在縱向槽鋼和環(huán)向角鋼拼接面上布設(shè)密封墊，吊裝第二節(jié)中間艙豎直板片，與第一節(jié)中間艙豎直板栓接固定，再栓接縱向槽鋼螺栓；按上述步驟依次完成第二節(jié)、第三節(jié)……板片的拼裝以及與相鄰管節(jié)的連接；栓接緊固艙內(nèi)縱向和環(huán)向可更換密封墊結(jié)構(gòu)。雙艙艙結(jié)構(gòu)艙間采用鎖緊板連接。

雙艙艙間混凝土澆筑振搗，澆筑時(shí)控制每層澆筑高度不超過1m。（分3次澆筑，每次間隔時(shí)間≥12小時(shí)）。

3.4 管廊基坑回填施工

回填施工前清除回填區(qū)域雜物、有機(jī)土壤、卵礫石等，壓實(shí)度應(yīng)達(dá)到95%，綠化帶下允許達(dá)到90%。在管廊結(jié)構(gòu)兩側(cè)回填時(shí)應(yīng)對(duì)稱同步進(jìn)行，每層回填料壓實(shí)厚度不大于20cm；鋼結(jié)構(gòu)管廊外側(cè)60 cm范圍內(nèi)采用輕型設(shè)備夯實(shí)，該范圍外可使用重型機(jī)械進(jìn)行壓實(shí)作業(yè)。管廊基坑回填施工結(jié)束后，應(yīng)檢查標(biāo)高、邊坡坡度、壓實(shí)度等。

4 結(jié)論

該文結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)例，針對(duì)軟土地基新型裝配式方拱形波紋鋼綜合管廊的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)及施工工藝進(jìn)行研究，主要得出以下結(jié)論。1）方拱形斷面的波紋鋼地下綜合管廊結(jié)構(gòu)在空間利用率、拼裝連接方式、廊內(nèi)支架設(shè)置等方面優(yōu)勢(shì)明顯，推薦推廣應(yīng)用；2）裝配式波紋鋼地下綜合管廊施工工序少，拼裝速度快、工期短，對(duì)環(huán)境影響小，且質(zhì)量可靠、成本低，應(yīng)用前景廣闊。3）依托南京市某公路快速化改造工程所開展的雙艙鋼管廊原型試驗(yàn)及試驗(yàn)段試驗(yàn)，通過全面的受力與變形觀測(cè)分析，驗(yàn)證了預(yù)制裝配式鋼結(jié)構(gòu)管廊方案的可行性，為進(jìn)一步大面積推廣應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)依據(jù)。