城市道路下穿立交管线通道及排水系统设计综述

周文鸿

(浙江大学建筑设计研究院有限公司,浙江 杭州 310012)

下穿立交是目前城市道路立体交通系统的常见形式,由于其下穿标高一般低于周边地块及道路,引道的纵坡也较大,极易导致雨水快速汇流,如不能及时排除则造成桥下积水,影响人员安全,因此，设计合理、经济、安全的下穿排水系统非常重要。同时,由于城市道路需同步埋设众多市政配套管线,因此如何结合下穿建设,合理布置穿越下穿立交的市政管线通道也是整个立交设计中的重要内容。

1 工程概况

杭州市某城市主干道宽度为60 m,双向10车道,需建设下穿铁路立交,下穿涉及五股铁路,规模极大,引道及框架桥长度共计达约530 m,下穿最低点低于两侧场地约7 m。道路同步埋设的配套管线有给水、电力、通信、污水、雨水、燃气等。工程平面见图1。

图1 工程平面图

2 市政管线通道设计

本工程道路下布置的配套管线共计6大类9根管线。根据《城市桥梁设计规范(CJJ 11—2011)》[1]第3.0.19条中的强制性条文规定：“严禁在地下通道内敷设电压高于10 kV配电电缆、燃气管及其他可燃、有毒或腐蚀性液、气体管。” 因此本工程的污水、燃气、110 kV管线需设置单独的管线涵穿越铁路。另外，DN1400给水管由于其口径极大,根据有关管理单位的协调结果,也需单独设涵穿越铁路。单独设置过铁路的管线涵根据要求须由铁路专门单位设计,本文不作介绍。除此以外,其余的DN600给水，两条10 kV电力及通信共4条市政管线均需随下穿立交一并穿越铁路,相应的市政管线通道设计如下：下穿分为立交框架桥部分及两侧引道部分,由于下穿段中非机动车道及人行道的净空要求低于机动车道,因此两者之间除引道起坡段外,路面标高上均存在高差。在一定条件下,非机动车道及人行道范围可保证一定的覆土厚度,可作为市政管线通道。其中框架桥处管线通道布置见图2。

图2 框架桥范围管线通道布置

在立交框架桥两侧引道设计中,市政管线通道的布置要求也是其结构形式选择的重要考虑因素之一。为有效控制地下水对道路的影响,引道的机动车道采用U形槽结构较为安全。两侧的非机动车道及人行道范围可根据市政管线的穿越要求,选择相应的结构形式。常见的非机动车道及人行道结构形式的对比见表1。其具体结构布置见图3～5。

综合比较工程造价、管线穿越便利性、结构形式、安全风险等因素,设计考虑非机动车道及人行道的结构形式采用组合形式,即在起坡点至下穿深度不大的范围选择挡墙结构(图3)。此段由于高差不大,地下水影响及结构安全的风险相对较小,施工简单且能灵活满足穿越管线埋设的覆土要求；而在下穿深度较大段(非机动车道及人行道与机动车道之间的路面高差在1.5 m以上时),采用图5的U形槽结构,以提高结构整体安全性且能满足市政管线敷设的覆土要求。U形槽与挡墙结构相接处均设置混凝土端墙,管线穿越端墙的孔洞处要求采取防水措施封堵,避免挡墙段地下水进入,保证U形槽范围不受地下水影响。

表1 非机动车道及人行道结构形式的对比

图3 机动车道U形槽结构+非机动车道及人行道挡墙结构

注：由于起坡段标高关系,为满足非机动车道及人行道范围的管线通道的覆土要求,只能将该范围U形槽底板标高降低。图4 机动车道+非机动车道及人行道U形槽结构(起坡段)

注：此时的标高关系能保证在底板标高一致时,非机动车道及人行道范围可满足管道通道的覆土要求。图5 机动车道+非机动车道及人行道U形槽结构(坡底段)

3 下穿立交排水系统设计

下穿立交排水系统是整个立交设计中的重要一环,它直接关乎整个下穿系统能否安全运行。根据下穿段的结构形式,本工程下穿排水系统可分为地面水收集系统、地下水收集系统及雨水泵站。

3.1 地面水收集系统

1)下穿段雨水计算应选取较高标准的设计参数,本工程设计重现期P取10年,地面集水时间t1根据计算取5 min,径流系数取0.9。

2)控制下穿汇水面积,减少坡底聚集水量。

下穿雨水设计中,设计的关键是合理且明晰地确定汇水面积,高水高排,低水低排,并采用有效拦截措施防止高水进入低水系统。这样才能保证系统的设计能力与实际运行情况相符,并使得排水系统尤其是泵站的设计规模不至于过大,以提高系统的合理性、安全性。根据许多下穿积水案例分析,实际集水面积超出设计预期是造成积水的最常见原因。本设计遵循以上原则,在道路纵断设计时,要求下穿道路引道的两端设置反坡,构成“驼峰”(图6),这样能在地形标高关系上形成清晰的下穿系统汇水范围边界,有效防止范围以外的路面雨水进入本系统。同时为控制路堑段周边绿化及场地区域的雨水面流汇入下穿排水系统,设计在道路两侧沿路堑挡墙克顶处设置通长的集水边沟,截留场地雨水面流直接排至河道,保证 “高水高排,低水低排”的实现。

图6 下穿道路纵断设计示意

3)道路范围的雨水收集。

由于机动车道下穿纵坡较大,路面雨水的流速极大,点状的雨水口很难保证收水效果,因此在机动车范围设置通长边沟,以提高收水能力。根据横断面布置及U形槽结构,利用底板上部的防水混凝土铺装层布置通长边沟,共布置4条边沟,尺寸分别为B×H=0.5 m×0.55 m及0.5 m×0.4 m,上覆孔隙率大于40%的雨水篦盖。见图7。

非机动车道汇水面积及纵坡相对较小,可设置点状雨水口收水,在标高最低点处适当加密雨水口布置。

图7 U形槽排水边沟示意

3.2 地下水收集系统

U形槽结构能很好地起到隔水作用,因此地下水不会影响其范围内的道路结构安全,但挡墙段的地下水位若高于道路结构层,则需有效控制并降低地下水位,以保持路基和路面的干燥,否则会引起路基翻浆等病害,影响下穿立交的正常使用。常规的设计是在挡墙段道路下布置盲管及反滤层系统,路堑挡墙后背设置泄水孔等措施,实现地下水的降低及控制。

通过调查,发现当地下水位较高时,类似下穿挡墙段的道路存在以下问题：挡墙台后土体内的地下水可能会通过泄水孔及沉降缝渗出,沿着挡墙面淌至地面。即使在晴天,也可能会造成路面潮湿或有明水,影响行人通过的舒适性。在冬季还可能产生路面结冰,造成安全事故等(图8)。本次设计针对以上弊端采取以下优化改进措施(图9)：

图8 常规挡墙路面淌水

图9 挡墙优化措施

1)沿挡墙根部布置小边沟,边沟盖板沿线开孔,挡墙的墙体及沉降缝渗水可直接流入边沟。

2)取消台后泄水孔,改在沿挡墙台后纵向布置盲沟及透水盲管,盲沟每隔20～30 m设置连接管接至挡墙根部边沟,透水盲管系统最终也接入此边沟。

以上措施既可增强地下水收集能力,有效控制地下水的水位,又解决了常规挡墙段路面淌水的弊端。

3.3 U形槽绿化带排水

根据道路横断面布置及绿化要求,道路范围共设置3条绿化带,分别是宽3 m的中央隔离带及两侧宽1.7 m的隔离带,绿化要求种植灌木。由于绿化隔离带的底部均为U形槽钢筋混凝土结构底板,无法渗水,持续降雨期间,过量雨水将会蓄积在土壤内无法下渗,严重时会引起植物烂根等病害。设计考虑沿以上绿化带布置纵向盲管,排除绿化带内过量的下渗积水,保证植物生长要求。盲管系统每隔约20 m接入边沟,其中的中央绿化带需通过预埋在混凝土防水层的2XD50钢管接至边沟(图10)。

图10 下穿段排水系统平面布置示意

3.4 下穿立交雨水泵站

下穿段雨水无法自流排除,需由泵站提升后强排。本工程设置雨水泵站一座,自动控制,实现下穿范围的地下水及地面水的收集、控制、排放等功能要求,保证道路安全。

3.4.1 泵房进水管布置

根据铁路部门要求,泵站布置要求距离铁路路基及下穿构筑物外壁的净距均不小于30 m,故泵房位置距离U形槽有一定距离。因此,首先需在下穿段的最低点处,布置横向的连接总管连接各条边沟、雨水管及盲管,接至U形槽以外的集水井,再设进水管道接至雨水泵站。根据设计流量要求,横向的连接总管为D800～D1 000钢管,标准段的底板及上部防水混凝土层结构厚度无法满足其布置要求,设计采取局部加厚、加宽U形槽底板钢筋混凝土结构,将连接总管置于底板结构的保护之中,避免穿透底板,提高了连接总管及U形槽结构的安全性。见图11。

连接总管及接出井一般可以结合U形槽及铁路框架桥的围护结构一并施工。接出井至泵站的进水管段埋深最大,且已在围护体系以外,故设计为顶管。接出井兼作顶管工作井,另一端的泵房沉井可利用作为接收井,其中泵房井室内的隔墙等应在顶管施工完成后再施工,避免影响顶管机具的取出。

3.4.2 泵房设计

雨水泵站的设计流量理论上应包括路面水及地下水的流量。由于本工程路面水的汇水范围较大,而盲管收集的地下水流量计算涉及众多参数,较为繁琐,且其值在总流量中所占的比例极小,可简化不予考虑。故本雨水泵站的设计流量直接按路面水计算流量确定为Q=1.2 m3/s。泵站按潜水泵站布置,配置格栅2台、水泵4台(图12)。

按照《室外排水设计规范(GB 50014—2006)》[2]的规定,并无对雨水泵站配置备用泵作强制要求。但按照《城镇给水排水技术规范(GB 50788—2012)》[3]的要求,道路立体交叉地道雨水泵站和为大型公共地下设施设置的雨水泵站应设置备用泵。因此，本设计按其要求配置三用一备的潜水泵。

由于雨水泵站的特点,检修可在日常晴天时进行,因此笔者认为在电气设计时可将该备用泵的用电功率也考虑在总用电负荷内,以期在超标准降雨时,备用泵可应急一并使用,以增加整个排水系统应对超标降雨的弹性及安全度。

本工程的雨水泵站埋深约12 m,设计为沉井。虽然离铁路有一定距离,但鉴于该处铁路的重要性,根据铁路管理部门的要求,对沉井采用高压旋喷桩等措施进行处理,有效控制大体量大深度沉井施工过程中的超沉、偏沉、基底涌土等问题,杜绝土体扰动对周边铁路设施的不利影响,满足了铁路方面的高标准要求。

图11 下穿段排水连接总管布置示意

图12 雨水泵房布置示意

4 结 语

本工程是目前杭州市规模较大的市政下穿道路之一,于2014年竣工投入使用,至今已经过了多年汛期强降雨的考验,运行情况良好。本文通过对该工程相关设计细节的介绍,总结出城市道路下穿立交设计中, 市政管线通道的合理布置是下穿结构形

式选择的重要因素之一；合理、经济、安全的下穿排水系统是下穿立交工程的重要组成及安全保障。本工程的设计经验对类似工程的精细化设计有一定的参考意义。