结合综合管廊建设的污水箱涵设计

许大鹏 高宇

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司 200092)

引言

综合管廊是建于城市地下用于容纳两类及以上城市工程管线的地下构筑物及附属设施,即城市的地下管线综合走廊。综合管廊近年来在我国发展较快,对满足民生基本需求和提高城市综合承载力等方面发挥了重要作用。

在满足一定技术条件下,综合管廊可以容纳各类的城市工程管线。污水则在满足竖向标高等技术条件的情况下可以入廊,考虑到污水介质的腐蚀性和运行的特殊性,《城市综合管廊工程技术规范》(GB50838-2015)[1]中要求“污水纳入综合管廊应采用管道排水方式,污水管道宜设置在综合管廊的底部”。污水采用管道方式入廊后可以较好地保证管廊结构本体的耐久性,但在较大口径污水管入廊上仍存在一些问题: ①管道和检查井的设置需占用较大空间;②管道较难更换,更新、扩容的可能性小;③污水管的清淤、检查要求较高,运行难度较大;④舱室尺寸大,综合经济性较差。

为解决上述问题,考虑结合综合管廊建设同步实施污水箱涵。即把污水箱涵与综合管廊结合在一起,建在管廊一侧并共同进行维护管理,以解决较大口径污水管入廊的问题。由于两者结构形式上类同,该做法在工程建设上必然是可行的,但既然是结合做,污水箱涵在设计中就要满足综合管廊的标准,在安全性及结构耐久性等方面采取足够的设计措施,以满足相应要求。本文根据近年来的具体工程实践,对结合综合管廊建设的污水箱涵设计提出一些方法与思路。

1 结合综合管廊建设的污水箱涵设计措施

1.1 总体布置设计

当设计为单独的污水箱涵(无雨水舱)时,在总体布置设计中建议采用污水箱涵与管廊之间“隔离”的思路,如图1 所示。该方式从总体布置上减少了污水渗漏直接进入管线舱室的风险,对保证管廊运行的安全性和结构耐久性有利。

图1 单独污水箱涵布置Fig.1 Arrangement of independent sewage culvert

当管廊设计有雨水舱时,污水箱涵则可以利用雨水舱的布置实现“隔离并远离”的思路,如图2 所示,使得污水箱涵“远离”综合舱、电力舱等其他管线舱室,即使污水渗漏,也是进入雨水舱,进一步保证了管线舱室的运行安全,其中布置方案1、2 则形成了一个大的雨污水组合箱涵,具有良好的经济性。

图2 有雨水舱时污水箱涵布置Fig.2 Arrangement of sewage culvert with rainwater tank

1.2 污水箱涵布置设计

为满足污水小流量下的流速条件,污水箱涵内部一般设置流槽,可考虑利用流槽将污水与箱涵结构底板、侧壁隔开,提高污水箱涵的耐久性和管廊的运行安全。流槽可直接设置素混凝土内衬(与钢筋混凝土板同步浇筑)并放置细密钢筋网片,流槽可设至顶板使钢筋混凝土结构板不会直接接触污水,如图3 所示。

图3 污水箱涵素混凝土流槽布置Fig.3 Arrangement of plain concrete channel in sewage culvert

流槽设置后,应注意设计污水箱涵的内部净尺寸应不小于0.8m ×1.2m(宽度×高度),不仅满足施工要求,还保证了污水箱涵内人员进入的基本条件,在后期运营过程中,可保证能够及时对箱涵进行维修和保养。

1.3 结构耐久性及防腐层设计措施

1.结构耐久性措施

对于污水箱涵及相连接综合管廊的钢筋混凝土结构,其结构耐久性设计应满足《工业建筑防腐蚀设计规范》(GB50046-2008)[2]的基本要求。混凝土强度等级建议采用C40,抗渗等级不小于P8,以高炉矿渣置换部分水泥,提高混凝土本身的耐酸性,使混凝土材料在pH 值大于3 的污水环境中,其耐久性满足要求。

在结构设计计算中,污水迎水面的混凝土保护层应采用50mm,裂缝宽度计算最大按0.15mm 进行控制,建议采用0.1mm 裂缝宽度标准严格控制。

2.防腐蚀设计措施

污水对混凝土结构腐蚀的主要形态有:(1)混凝土表面的酸腐蚀: 酸性水对混凝土表面以及透过混凝土裂缝、微孔对内部硅酸盐水泥产生的腐蚀;(2)混凝土内部钢筋的腐蚀: 污水透过混凝土裂纹、微孔以及蜂窝麻面等缺陷进入内部腐蚀钢筋;(3)盐类结晶腐蚀: 污水中的盐类随水分沿着混凝土微孔、裂缝及麻面渗入混凝土结构内结晶,结晶物吸水膨胀产生膨胀应力,从而破坏混凝土结构的强度。

结合综合管廊建设污水箱涵的防腐蚀设计除了加强混凝土本身的耐酸性以外,选用合理的防腐材料至关重要。防护材料本身必须具备耐各种腐蚀性介质以及细菌的侵害,同时应对混凝土正常裂缝以及施工缝等具有较好的适应能力。另外,还应该具有施工方便、无毒无污染、造价合理等特点。

传统的防腐方法主要采用环氧类有机防腐蚀材料,由于受弹性模量差异和混凝土基面处理水平的影响,有机材料和混凝土结合面的粘结性能较难保证,且环氧类防水涂料为溶剂反应型涂料,涂膜的固化速度受基面的潮湿程度、空气湿度及涂膜厚度的影响,施工时需多遍薄涂,对于通风条件要求较高,每遍涂膜晾干时间长,工序较复杂,质量较难控制。

聚合物改性水泥基渗透结晶防水涂料,是以高强度水泥为载体,与聚合物和微硅粉混合而成。微硅粉是一种非晶态硅,与其他活性物质一起从混凝土表面渗入内部,与水泥在水化过程中产生的Ca(OH)2发生二次水化反应,生成球状水化硅酸钙结晶。生成的水化硅酸钙颗粒的大小比水分子小很多,可以有效填充堵塞水泥浆中的毛细孔,刚性隔离效果好。无溶剂型环氧涂料属于高固体分涂料,不含挥发性有机溶剂,无毒无污染,且耐腐蚀性强,特别适合通风不良的环境下进行施工。

因此根据结合综合管廊建设污水箱涵的布置尺寸、施工环境和混凝土基面多孔、易潮湿的特点,采用聚合物改性水泥基渗透结晶防水涂料与无溶剂型环氧涂料配套的复合涂覆结构应用效果比较好。这种结构设计充分利用了渗透结晶防水涂料在水泥基面上的渗透闭孔作用和可以在潮湿水泥面施工的特点,作为防腐层的过渡层,与无溶剂型环氧涂料达到很好的结构互补作用,有效提高了防腐效果。

结合具体工程实践,结合综合管廊建设的污水箱涵内防腐做法推荐采用1.5mm 水泥基渗透结晶型防水涂料+5.0mm 聚合物水泥防水灰浆+600μm 无溶剂型环氧涂料的多道重度防腐涂层,以保证防腐效果。

1.4 变形缝设计措施

在变形缝处首先采用中埋式橡胶止水带进行防水处理,这是第一道防线也是最基本的处理要求。在第一道防线的基础上是否要加第二道防线,则需根据工程实际情况确定,第二道防线可以有两种方式: ①在污水箱涵的内部、中埋式止水带内侧,再增加一道内置式止水带或其他内密封材料;②在综合管廊的管线舱室内部,分别增加一道内置式止水带,如图4 所示(以图3 雨污水组合箱涵做法为例)。

图4 变形缝止水带布置Fig.4 Rubber water stop arrangement of expansion joint

对于变形缝处防腐层的处理,需要考虑设置防腐加强层,两道涂层之间可以设置泡沫塑料棒,以提高涂层在缝处的变形适应能力,如图5 所示。

图5 变形缝防腐层布置Fig.5 Anticorrosive coating arrangement of expansion joint

具体工程设计中,该做法要求可以参考,其余的设计内容(如检查井等)应按照污水箱涵及综合管廊的相关规范要求执行。

2 其他方面的一些考虑

在结合综合管廊建设的污水箱涵设计中,还建议对以下方面进行充分考虑,以确保管廊、箱涵的运行安全和耐久性。

2.1 防沉降考虑

在软土地基上综合管廊及污水箱涵易发生较大地基沉降量,沉降过大尤其在变形缝处产生错缝沉降,会对管廊运行安全造成较大隐患。因此在设计中需加强地基处理,在变形缝处建议设置现浇钢筋混凝土枕梁,避免错缝沉降而产生污水渗漏。

2.2 通风问题考虑

污水箱涵内的气体腐蚀也较为严重,与管廊结合建设后若气体泄漏,会在管廊舱室内闻到异味,影响管廊的巡检管理,因此“污气”的问题应在该类工程中引起足够重视。可考虑在具备条件的工程中对污水箱涵加强“通风”措施,减少腐蚀气体量,进一步保证污水箱涵的耐久性和相邻管廊的运行安全。

2.3 运行经验考虑

采用结合综合管廊的污水箱涵设计,工程所在地宜有大型污水箱涵的运行经验,可结合当地情况采取一些有针对性的措施,提高污水箱涵和综合管廊的运行安全性。

3 工程案例

西宁市综合管廊的规划设计方案结合了该城市独特的“地势”优势。西宁市为川谷型城市,西高东低,南北高、中间低。道路坡度均大于雨污水管的设计坡度1‰～3‰[3],重力流排水标高与管廊标高相协调。同时考虑到西宁市已有大型污水箱涵的设计、建设和运营管理经验。因此,规划设计中将污水箱涵结合综合管廊进行建设,且采用雨污水组合箱涵形式,如图6 所示。

雨污水采用组合箱涵设计,污水箱涵与综合舱、电力舱均完全分开,接缝处也采用了多道防水、气措施。无论是漏水或漏气,都不会对管廊主舱室产生影响,安全性可以保证。混凝土采用C40、P8 级;污水箱涵防腐层采用1.5mm 水泥基渗透结晶型防水涂料+5.0mm 聚合物水泥防水灰浆+600μm 无溶剂型环氧涂料的多道重度防腐涂层;混凝土保护层厚度50mm,裂缝宽度计算按0.1mm 严格控制。

图6 西宁市结合综合管廊建设污水箱涵的典型断面Fig.6 Typical section of sewage culvert combined with urban utility tunnel in Xining

目前西宁市采用上述方式建成的污水箱涵(结合综合管廊)里程数已经超过20km,污水箱涵也已经投入运行,现运行情况良好。

4 结语

本文对结合综合管廊建设的污水箱涵设计提出了一些方法与思路:

1.把污水箱涵与综合管廊相结合,建在管廊一侧并共同进行维护管理,在工程建设成本与运营上是具有优势的,可以解决较大口径污水管入综合管廊的相关问题;

2.设计中需要采取足够措施来保证综合管廊的运行安全性和污水箱涵的耐久性,文中结合工程实践提出了一些工程措施方案,可供参考;

3.工程中还有一些具体问题需要解决,如污水箱涵的通风问题等,应结合工程实践进行探索创新。