中日综合管廊设计规范的对比研究

王嘉伟，王 建

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

综合管廊是国家着力推进的城市基础设施组成部分，是城市转型发展的重要标志，其发展目标是作为城市道路工程的基本配套项目，实现城市工程管线集约建设与管理，充分利用城市道路下部的空间资源。然而其建设周期长、高能耗、高造价的建设现状在很大程度上制约了其发展。近年来随着国内管廊建设经验的不断积累，综合管廊逐渐向轻量化、标准化的方向发展，迫切需要进一步提高我国综合管廊设计技术水平。因此结合管廊的特异性，在探讨其所涉及各专业的技术规程在管廊领域适用性的同时，还需积极借鉴国外发达国家综合管廊的建设经验和技术法规，努力探索一条中国特色的管廊设计技术道路。

国外综合管廊的发展已有近200年的历史，欧洲早期综合管廊是由排水廊道演变而来，并无相关专门针对综合管廊建设的技术规程，近代法国和德国开展综合管廊的技术研究，并出版了相关研究专著，但没有出台相关标准规范。日本自20世纪50年代开始兴建综合管廊，在综合管廊的规划、设计、施工、运维进行了深入研究。我国综合管廊建设与发展过程中，较多地借鉴了日本的经验。因此本文主要针对日本综合管廊技术标准——《共同沟设计指南》（以下简称《指南》）进行研究，对其编制概况和标准体系的组成进行阐述，从总体设计、结构设计及抗震设计三方面探讨其与《城市综合管廊工程技术规范》（GB 50838—2015），以下简称《管廊规范》）的异同。

1 《共同沟设计指南》编制概况

日本地下综合管廊系统是在其密集的城市公共设施建设中，为了高效利用地下空间，和城市交通路网同步建设起来的[2]。它不仅解决了城市交通拥堵问题，还极大方便了电力、通信、燃气、供排水等市政设施的维护和检修，此外还具有一定的防震减灾作用。为了对综合管廊的建设进行规范化，日本成立了专门的“共同沟规程研究委员会”，针对管廊建设时空跨度大、地下环境和荷载条件复杂、涉及部门和涵盖专业繁多等特殊性，兼顾管廊高标准的建设规格，对管廊建设中的若干关键问题进行明确，包括规划设计（包括规划和总体设计）、地质勘查、主体结构设计、抗震设计、临建构造物的设计（主要指围护结构）、附属设备的设计及建设过程中可能用到的一些普适性资料。《指南》基本覆盖了明挖法综合管廊全专业的整个设计过程，并给出了管廊特殊节点、通用节点以及附属设备的推荐做法，标准化程度非常高，可以大大提高综合管廊的建设效率。

《指南》明确指出了该规程的适用范围，即采用挡土墙或修筑围堰施工法，用钢筋混凝土构筑共同沟建设过程中的主体构造、附属设备及临建工程，在预制装配技术、非明挖技术、桥涵施工等方面仍需特定的专项规范对其补充，从而形成一个完整的综合管廊标准规范体系。此外，并未见专门的综合管廊运营管理技术规程，这一方面是由于日本综合管廊的建设规模一般较小，包括舱数、断面尺寸、节点数目等；另一方面，日本综合管廊的相关法律体系较为齐全，这对于规范管廊的运营管理具有极其重要的指导作用。

2 中日综合管廊规范对比梳理

2.1 总体设计

2.1.1 标准断面的内径尺寸

综合管廊标准断面的内径尺寸主要由入廊管线的种类、规格、数量及其安装要求确定。《管廊规范》指出电力电缆的支架间距和通信线缆的桥架间距需参考各自的专业技术规程；《指南》中则在卷末资料中给出了此类管线的安装要求（见表1）。可以发现：我国的检修通道较日本更宽；从管道的敷设来看，中日管廊所需空间较为接近，日本略大于我国；结合实际工程，我国敷设电力电缆和通信线缆的空间要显著大于日本，这一方面是由于我国线缆的入廊需求数量更大，另一方面可能是由于我国入廊的电力电缆电压等级一般高于日本，且线缆在管廊内的安装要求均有其各自的技术规程，并未针对管廊内的环境进行重新评估。

表1 中日管廊规范对标准断面内径尺寸的要求对比

2.1.2 与相邻地下构筑物的距离要求

《指南》第3.5.1条指出，“共同沟与办公和住宅楼的间距，应不小于1 m”；第3.5.2条指出，“与已有构筑物的关系应与相关单位充分协商”。

《管廊规范》第5.2.2条指出，“综合管廊与相邻地下管线及地下构筑物的最小净距应根据地质条件和相邻构筑物性质确定”，并给出其与地下构筑物和管线的最小水平净距为1 m，与地下管线的最小交叉垂直净距为0.5 m。

根据条文说明，其取值依据为国家标准《城市电力电缆线路设计技术规定》（DL/T 5221—2016），该规定的适用对象为电缆隧道。其中，对于明挖施工而言，平行最小间距的规定是为了预留打钢板桩所需最小间距，交叉最小间距的规定是为了给其他管线交叉跨越预留空间；对于暗挖施工而言，预留平行间距是为了防止挤土效应对相邻构筑物的影响，而垂直净距的规定则是为了防止挤土效应对相邻构筑物的影响以及路面隆起或者下沉[3]。

可以发现，对于明挖施工的综合管廊，中日规范的相关规定较为相近，这主要是由于两者在考虑围护桩时，都是针对价格相对低廉的钢板桩。此外，此处给出的均为最小限值，当基坑开挖深度较大，采用其他围护形式时，净距的取值应根据计算结果且预留足够的作业空间，并满足相关规范的要求。

2.1.3 埋深要求

综合管廊的埋深对综合管廊的工程造价影响较大，因此在满足外部条件下，尽量采用浅埋方式敷设。综合管廊的埋深主要考虑四个因素，即结构抗浮、绿化种植、管廊节点设计、管线接入引出支管埋深。

《管廊规范》对覆土深度主要有以下规定：

（1）第4.4.5条指出，“综合管廊的覆土深度应根据地下设施竖向规划、行车荷载、绿化种植及设计冻深等因素综合确定”。

可以发现，对于普通段，《管廊规范》中并未给出明确的埋深要求。而《指南》第3.3条明确指出，“道路表面至共同沟的顶板之间为覆土，标准部位为2.5 m以上，特殊部位、换气口等处原则上确保超过路面设计厚度，一般不宜小于1 m”。

（2）第5.2.1条指出，“综合管廊穿越河道时应选择在河床稳定的河段，最小覆土深度应满足河道整治和综合管廊安全运行的要求”，根据航道等级，管廊顶部与远期规划航道底的间距分别为2.0 m（Ⅰ～Ⅴ级）和1.0 m（其他情况）。

根据条文说明，该条为参照国家标准《城市工程管线综合规划规范》（GB 50289—2016）第4.1.8条规定，该规范中此条款针对的是河底敷设的工程管线，主要是为了保证河道疏浚或整治时不对过河管线产生影响，为其预留施工空间[4]。然而综合管廊的断面尺寸远大于一般的过河管线，其顶板顶部覆土更易被冲刷，考虑到综合管廊为“百年工程”，随着时间的推移，可能会出现顶部覆土过薄的问题，这无疑将为综合管廊的安全运行带来隐患。因此建议应对综合管廊顶部一定范围内的河道进行抛石加固，尤其是大断面的管廊。

对此类问题，《指南》中并未给出明确的指引，仅在第2.2节第（7）条中指出，“在共同沟横穿铁道或河流等场地，要就其位置及构造等和相关管理部门协商后进行设计”。

2.2 结构设计

2.2.1 结构上的作用

《指南》在设计共同沟主体结构时，主要考虑了如下荷载，包括静荷载（结构自重）、活荷载（包括车辆荷载、人行荷载及地面堆载）、土压力（包括竖向和侧向土压力）、水压力、浮力、地震的影响及地基变形的影响。

《管廊规范》第8.3条对管廊主体结构设计时应考虑结构上的作用的取值方法及组合方式进行了简单描述，但是并未明确给出各个荷载的取值方法，目前一般参照包括《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）、《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）、《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）等规范进行荷载计算。下面主要对《指南》中与我国规范给出的各类荷载求解规定差异较大的几项进行梳理对比。

2.2.1.1 活荷载

《指南》中活荷载是指车辆荷载、人行荷载及地面堆载，对车辆荷载应考虑其冲击荷载。其中，人行荷载取为5 kPa；地面堆载取为10 kPa；车辆荷载需根据道路的规划等级分别采用T-20和TT-43荷载，在土中沿45°扩散分布，并需考虑覆土深度的影响。车辆荷载的冲击系数取值当覆土深度小于3.5 m时取为0.3，否则取为0。

《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）第5.6.2条规定，车辆启动和刹车的动力系数可采用1.1～1.3[5]。

2.2.1.2 土压力

土压力主要包括竖向和侧向土压力，其中竖向土压力的计算较为简单，但是当共同沟下为有支撑桩的压实地基时，不同部位地基土之间的沉降差会加大竖向土压力，增大系数与覆土厚度及管廊的宽度相关，取值在1.0～1.6。而侧向土压力则采用水土分算方法，其计算过程与我国《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）中式（6.2.1）较为类似[6]，区别在于两者的静止土压力系数K0取值不同：前者一般情况下取0.4～0.7，对于普通的砂土及黏性土（塑性指数小于50），可以取0.5；后者建议K0宜由试验确定，无试验条件时，对砂土可取0.34～0.45，对黏性土可取0.5～0.7。同时在计算侧向土压力的过程中，将由地面堆载引起的管廊侧面附加荷载也包含在内。此外，以3.5 m为界，《指南》中指出共同沟的荷载组合方法还与其管廊覆土深度有关。

2.2.1.3 浮力

《指南》中对于浮力和抗浮安全系数的计算方法与我国常用计算方法一致。计算过程中，工程结构主体的自重不包含内置设施的重量，而且不考虑覆土的抗剪阻力和结构主体侧壁部分与土的摩擦阻力，抗浮安全系数为1.2。《管廊规范》中第8.1.9条规定“抗浮稳定性抗力系数不低于1.05”。

综上，在结构荷载的计算方法上，中日两国规范较为接近，但是计算参数和安全系数的取值方面，两者存在差异。总的来说，《指南》更为保守。

2.2.2 结构设计方法

《指南》第5.2～5.6条对主要结构设计方法的描述如下：

（1）设计计算原则。在构件设计中应用的截面内力依据弹性理论计算，构件设计要依据容许应力强度法进行，将共同沟主体视为钢架结构计算截面内力。

（2）材料强度及容许应力。共同沟主体的使用材料及容许应力强度见表2。

表2 材料的容许应力强度

（3）弯角部位的设计弯矩计算。角隅部位的设计弯矩，向构件内部等高移动，梁托呈1∶3倾斜，作为有效截面进行计算，如图1所示。

《管廊规范》中与之对应的相关规定如下：

（1）设计计算原则方面。第8.1.2条指出，“综合管廊结构设计应对承载能力极限状态和正常使用极限状态进行计算”，这说明管廊的结构设计计算同时包含了强度计算和耐久性设计（裂缝、挠度等）。同时第8.1.7条中还指出，结构构件的最大裂缝宽度限值应小于或等于0.2 mm，且不得贯通。一般情况下，按0.2 mm裂缝控制计算的配筋要比按强度计算的更为保守。第8.4.1条的条文说明中明确了管廊结构的受力模型为闭合框架，其计算模型与《指南》类似。根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010），综合管廊壁板的结构设计一般可采用弹性分析方法。

图1 弯角部位设计弯矩计算示意图[2]

（2）材料方面。《管廊规范》第8.2.1条指出，“主要材料宜采用高性能混凝土、高强钢筋，地基承载力良好、地下水位在综合管廊底板以下时，可采用砌体材料”；第8.2.2条指出，“钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30”。《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）第4.2.1条指出，“混凝土结构的纵向受力普通钢筋可采用HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500、HRB335、RRB400、HPB300钢筋”[7]。综上，得益于我国近年来高强度钢筋和混凝土的推广，我国综合管廊采用的混凝土和钢筋的设计强度均高于日本规范。

（3）角隅部位设计方面。尽管我国综合管廊在角隅部位一般也会设置腋角，但是往往将其作为安全储备，在结构设计计算过程中不考虑其对结构整体承载能力的提升作用。

2.2.3 结构构造规定

从结构上讲，综合管廊是以横向为主受力方向的地下闭合框架板式结构，其纵向的空间跨度大，沿线的地质、水文条件复杂。在满足钢筋混凝土构件相关规范的基础上，管廊规范中还结合其自身的结构特点，对包括变形缝、最小板厚、钢筋的设置等提出了一些构造要求（见表3）。可以发现，在结构构造规定方面，日本要较我国更为严格，这可能是由其钢筋和混凝土的材料强度较低所致。

表3 中日管廊规范中结构构造相关规定的对比

2.3 抗震设计

《指南》明确了需进行抗震计算的工程范围，即软弱地基、地基条件变化部位或构造特殊的场所。而对于其余情况，第5.8.3条的说明中明确指出，只需满足规范规定所要求的钢筋量（主要为纵向钢筋）就不必再进行抗震设计，这大大简化了日本共同沟的抗震设计工作。《指南》中综合管廊地震响应的计算主要采用反应位移法，还对地震情况下可能出现的地基土发生液化时对共同沟的上浮力作用进行了分析探讨，但是其计算模型、设计地震输入及荷载计算方法等均未针对综合管廊的特殊性做出相应调整，方法的指向性不强。此外，《指南》自1986年发布以来至今未曾更新，而2002年日本颁布的《日本建筑基准法》中即对抗震设计提出了一些新的要求，因此《指南》中的抗震设计篇章具有一定的时效性。

《管廊规范》中对于地震设计未展开详细论述，仅第8.1.5条指出，“综合管廊工程应按乙类建筑物进行抗震设计，并应满足国家现行标准的有关规定”，目前一般参照《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）进行设计。

3 结 语

本文通过对中日综合管廊规范相关规定的梳理对比，可以得出以下结论：

（1）总体设计方面。由于我国管廊内缆线安装需参考相关专业规范，并未针对管廊的特殊性给出专门要求，且管线入廊需求大，管廊标准断面净高和净宽一般均大于日本；与相邻地下构筑物的距离要求，中日较为接近；对于标准段和特殊部位的覆土深度，除过河段外，我国规范并未给出明确要求。

（2）结构设计方面。中日两国在荷载种类及计算方法上类似，部分取值和构造规定日本规范更为保守，这可能与其材料的容许应力强度较低有关，但在设计计算原则和弯角部位的处理上，我国规范的设计裕度更大。

（3）抗震设计方面。由于日本管廊规范的时效性，其抗震设计计算方法并不具备参考性，但对于管廊抗震设计的计算理念有助于简化设计工作。

此外，《指南》给出了一些管廊内的通用节点和特殊部位的推荐做法，如通风口、集水坑、变形缝、防水做法、附属金属构件等，这些都有利于综合管廊的标准化建设。

综合管廊的建设范围大、涉及专业多、涵盖面广，仅依靠一本国家规范无法从细节上规范综合管廊的整个建设过程，而对于管廊涉及的各个专业以及一些重要专项，诸如防水技术、非开挖技术、预制装配技术等，其技术标准并未考虑综合管廊的特殊性。因此迫切需要结合管廊建设和发展的实际需求，建立一个完整的、指向性明确的、层级分明的综合管廊标准体系。