疊合式預制拼裝混凝土綜合管廊結構設計

黃碧欽，趙群昌，袁明德

（深圳市市政設計研究院有限公司 深圳518029）

0 引言

近幾年，隨著發(fā)展城市綜合管廊建設的相關政策扶持，全國各地綜合管廊建設呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，在建及已運營使用的管廊大量增加。目前管廊的主要建造形式可歸納為：現(xiàn)澆鋼筋混凝土、預制鋼筋混凝土、預制鋼結構等?，F(xiàn)澆鋼筋混凝土管廊較為傳統(tǒng)常用［1］，但由于其現(xiàn)場濕作業(yè)量大，工程效率較低及不環(huán)保等缺點，正受到新型管廊的挑戰(zhàn)。預制鋼結構管廊對防腐、耐火等要求較高，適用條件有限。預制鋼筋混凝土管廊具有施工質(zhì)量好，速度快，環(huán)境影響小、大量減少模板和支撐、節(jié)省人工等突出優(yōu)點，應用前景十分廣闊［2］。目前，國家在大力倡導“綠色建造”，城市綜合管廊建設也應該充分響應這個號召［3］。筆者所在的團隊承接了“深圳市疊合式預制拼裝混凝土綜合管廊圖集研究”的任務，經(jīng)過相關研究，得出一些成果，現(xiàn)將設計過程中的構思與大家分享。

1 結構體系的提出

目前，工程中采用較多的預制拼裝綜合管廊形式主要包括整體預制拼裝綜合管廊（僅帶縱向接頭）、半整體預制拼裝綜合管廊（上下兩段或左右兩段拼接）、預制板式拼裝綜合管廊及疊合板式拼裝綜合管廊［4，5］。整體預制拼裝綜合管廊（俗稱節(jié)段式）是整艙整體預制，吊裝到施工現(xiàn)場，一節(jié)一節(jié)沿著管廊縱向拼接而成，如圖1a 所示；半整體預制拼裝綜合管廊是由節(jié)段式演變而來，將綜合管廊橫斷面分成上下兩段或者左右兩段，運輸?shù)跹b到施工現(xiàn)場，再完成橫向和縱向連接，俗稱半節(jié)段式綜合管廊，如圖1b 所示；預制板式拼裝綜合管廊是將綜合管廊斷面離散成預制頂板、預制側墻、預制底板，現(xiàn)場拼接后，澆搗頂板節(jié)點核心區(qū)混凝土而成，俗稱節(jié)點現(xiàn)澆式綜合管廊（見圖1c）；疊合板式拼裝綜合管廊則是將頂板、側墻、底板拆開考慮，側墻雙面疊合，頂板類似疊合樓板，底板現(xiàn)澆或疊合而成，俗稱夾心板墻式綜合管廊（見圖1d）。

圖1 預制拼裝綜合管廊常見形式Fig.1 Prefabricated Assembled Integrated Pipe Gallery Common Form

4 種類型的預制拼裝管廊各有優(yōu)缺點，各自適應不同的場地環(huán)境（見表1）。

表1 4 種類型的預制拼裝綜合管廊特點對比Tab.1 Performance Comparison of Four Types of Precast Assembly Utility Tunnel

根據(jù)表1 可知：節(jié)段式綜合管廊適用范圍有限，預制段長度短導致縱向拼縫多，不利于防水；半節(jié)段式綜合管廊橫向防水接口較多，縱向拼縫也較多；節(jié)點現(xiàn)澆式綜合管廊橫向防水接口較多，多艙拼裝時底板構件較重；夾心板墻式拼裝綜合管廊作為我國目前運用最廣泛的預制拼裝綜合管廊［4］，具有一定的優(yōu)勢和適用性，主要表現(xiàn)為預制構件輕巧，運輸?shù)跹b方便；防水接口通過現(xiàn)澆處理，質(zhì)量有保證；構件通用性強，適用類型多。但夾心板墻式的多個工程實例在實施過程中發(fā)現(xiàn)以下問題：一是現(xiàn)場鋼筋綁扎工作量大，人工和工期性價比低；二是豎向構件雙面疊合板中間混凝土澆筑施工難度大，不易振搗密實，若側墻混凝土采用致密性混凝土，則工程造價高。鑒于此，《深圳市疊合式預制拼裝混凝土綜合管廊圖集》（以下簡稱：《圖集》）編制團隊提出了疊合式預制拼裝混凝土綜合管廊技術（以下簡稱：疊合預制綜合管廊）。它由全預制豎向構件、現(xiàn)澆底板（鋼筋籠由預制廠加工）、疊合頂板（帶閉合鋼筋籠）組成，且縱橫斷面接口均通過鋼筋籠插接，有效地改進了夾心板墻式管廊的缺點。該體系的豎向構件全預制，解決了雙面疊合的混凝土澆搗問題；底板現(xiàn)澆部分實現(xiàn)了現(xiàn)場現(xiàn)澆結構體系的工業(yè)化［6］，即底板鋼筋籠做成閉口形式，由工廠集中加工運輸，現(xiàn)場吊裝拼裝后澆筑混凝土，有效解決鋼筋現(xiàn)場綁扎及拼接碰撞問題，施工方便快捷，節(jié)省勞動力。

2 結構體系特點

疊合預制綜合管廊根據(jù)豎向預制構件的形式，可分為2 種基本體系：一字型側墻管廊體系和L 型側墻管廊體系（見圖2，以四艙為例）。一字型側墻管廊體系的豎向構件包括一字型側墻和一字型隔墻，它們通過底部支撐插入底板鋼筋籠，而后現(xiàn)澆成整體。此外，一字型側墻管廊體系底板外挑，可作為行之有效的抗浮措施，適用于高水位地區(qū)。L 型側墻管廊體系的豎向構件包括L 型側墻和T 型隔墻，它們均為自穩(wěn)定構件，跟底板鋼筋籠拼接后，即可現(xiàn)澆成整體，無需設置底部支撐。這兩種體系豎向構件還可交叉組合，靈活拼接，通用性強。

圖2 疊合預制綜合管廊基本體系Fig.2 Basic System of Composite Precast Concrete Uility Tunnel

這兩種基本體系在構件拼裝上具有以下共性：其一，所有豎向構件均帶有預制腋角，且外墻構件帶有預制耳朵，為疊合頂板提供支承，為頂板現(xiàn)澆提供側模板。其二，底板閉合鋼筋籠橫向采用雙縮口閉合設計，搭接處鋼筋起落有規(guī)律，排布簡單；縱向采用閉合擴張設計，一前一后內(nèi)含搭接，鋼筋連接不碰撞。其三，豎向預制構件及頂板帶鋼筋籠的疊合板，其外伸鋼筋均做成閉合模式，錨固長度得到保證，連接可靠且拼接不沖突（兩種體系拼裝大樣如圖3 所示，以兩艙為例）。而這兩種體系在拼裝上的最大區(qū)別就是預制中隔墻構件的縱向拼接，一字型側墻管廊體系的一字型隔墻直接通過拼縫連接即可，無需設置預留鋼筋搭接；L 型側墻管廊體系的T 型隔墻構件，在豎向連接處拼縫連接，而在底板現(xiàn)澆帶位置，則需設置閉合擴張的鋼筋搭接，跟底板鋼筋籠連接保持一致。

圖3 疊合預制綜合管廊拼裝大樣Fig.3 Assemble Details of Composite Precast Concrete Uility Tunnel

綜上可見，疊合預制綜合管廊體系豎向構件與水平構件連接巧妙簡單，傳力合理，穩(wěn)定可靠，構件預制化強度高，施工現(xiàn)場基本可實現(xiàn)無模板和無鋼筋綁扎工作量，且防水接口通過現(xiàn)澆混凝土解決，保證了整體連續(xù)性。

3 結構體系設計要點

預制裝配式混凝土結構關鍵技術包括結構體系分析、節(jié)點連接以及運輸?shù)跹b等，而對地下綜合管廊而言，防水是地下工程的第一要務，只有確保工程不發(fā)生滲漏，才能夠保證工程的正常使用和結構安全［7］。因此，針對疊合預制綜合管廊體系，主要從結構體系分析、拼縫連接與防水、運輸?shù)跹b3 個方面進行重點介紹。

3.1 結構體系分析

根據(jù)相關實驗參考，預制裝配式管廊與現(xiàn)澆整體式管廊受力時的受力性能差異不大［8］。疊合預制綜合管廊結構形式簡單，縱、橫向拼縫均為濕式連接［9］，即通過后澆混凝土解決，基本實現(xiàn)等同現(xiàn)澆。所以，疊合預制綜合管廊的截面內(nèi)力計算模型，采用與現(xiàn)澆混凝土綜合管廊結構相同的閉合框架模型，計算簡圖如圖4 所示。

圖4 計算簡圖Fig.4 Calculation Diagram

3.2 拼縫連接與防水

綜合管廊的防水包括結構自防水和附加防水（含防水層、特殊節(jié)點構造防水措施）兩部分，結構自防水為根本，附加防水進行補充和完善［10］。疊合預制綜合管廊自防水主要考慮預制構件和拼縫現(xiàn)澆部分，預制構件由預制廠加工，質(zhì)量有保證，自防水能力強，因此拼縫部分的密封性能則為首要考慮因素。

疊合預制綜合管廊拼縫包括橫向拼縫和縱向拼縫。橫向拼縫為管廊橫斷面上的某一構件與其他構件的連接，如側墻與底板的連接。橫向拼縫主要采用凹凸槽連接，鋼筋籠經(jīng)過工廠加工成所需形式，現(xiàn)場直接錯開插入并采取有效連接之后，澆筑混凝土即可。而凹凸槽的防水方式則有多種選擇，《圖集》編制團隊提供了多種細部構造方式供使用者選取，如鋼板、止水帶、遇水膨脹止水條、注漿導管等。圖5 中舉例說明一字型管廊側墻與底板的橫向拼縫方式及拼縫處的一種防水方式，通過實驗從中選優(yōu)。

圖5 橫向拼縫及其防水措施Fig.5 Transverse Flat-fell Seam and Its Waterproof Measures

縱向拼縫為管廊沿著長度方向的連接，即相同預制段之間的連接，主要包括疊合板的V 字型切口連接連接、側墻的凹凸槽連接以及中隔墻的拼縫連接。疊合預制綜合管廊縱向拼縫間距為4.5 m，較整體預制拼裝可減少一半以上，從根本上減少了漏水源。其次所有外部縱向連接均采用后澆混凝土連接，其縱向拼縫防水接口類同于后澆帶防水（見圖6）。

圖6 縱向拼縫及其防水措施Fig.6 Longitudinal Flat-fell Seam and Its Waterproof Measures

此外，上述縱橫向拼縫及其防水措施經(jīng)過實施閉水實驗，每一類型的拼縫構造及防水措施的閉水能力均能達到0.2 MPa，即可滿足20 m 水頭壓力，適用于大部分工程項目。

3.3 運輸?shù)跹b

裝配式建筑受城市運輸條件和吊裝設備影響較大，預制構件的大小直接影響運輸?shù)跹b的成本。合理的構件尺寸、重量以及拼裝難易程度是預制拼裝綜合管廊在研究和方案階段就要考慮的事情。疊合預制綜合管廊構件尺寸較為統(tǒng)一，高度有2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m 四種類型，縱向預制長度除了一字型中隔墻最長達4.95 m 外，其余構件可達4.5 m。構件自重最大噸數(shù)為30 t，需要吊車最大噸位100 t，滿足大部分市政道路運輸條件及綜合管廊吊裝空間。

疊合預制綜合管廊吊裝安裝共有4 個步驟，即吊裝預制側墻→吊裝預制中隔墻→底板現(xiàn)澆，吊裝預制疊合板→現(xiàn)澆疊合板。一字型側墻管廊吊裝安裝（見圖7）和L 型側墻管廊吊裝安裝（見圖8）最大區(qū)別在于一字型預制構件需提早預埋底部鋼支撐，并在側墻構件吊裝到位之后，做好支撐連接后才可澆筑混凝土。L 型預制構件、T 型預制構件經(jīng)過計算，滿足自穩(wěn)定，吊裝完成后只需在提早預埋好的位置做好斜撐連接即可。

圖7 一字型側墻管廊吊裝步驟Fig.7 Lifting Steps of I-Type Side Wall of Pipe Gallery

圖8 L 型側墻管廊吊裝步驟Fig.8 Lifting Steps of L-type Side Wall of Pipe Gallery

4 結語

本文簡單分析了我國目前常用的4 種預制拼裝綜合管廊結構體系，并根據(jù)分析結果引出了《深圳市疊合式預制拼裝混凝土綜合管廊圖集》的研究成果，即一字型側墻管廊體系和L 型側墻管廊體系。這兩種體系受力分析簡單，拼縫連接巧妙、防水措施合理、運輸?shù)跹b可行，具有較大的工程應用價值。

隨著管廊建設如火如荼的開展，預制拼裝市場前景較好，管廊預制拼裝研究仍需繼續(xù)探索，并不斷改進。盡管文中的兩種疊合預制綜合管廊體系表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢，但目前只完成實驗階段，工程應用尚未竣工，難免存在不足或可優(yōu)化空間，需在今后的工程實踐中繼續(xù)改善。