分块式预制管廊的关键技术

谭琳 劳伟康 高振宇

(1.北京市市政工程设计研究总院有限公司广东分院 广州510060;2.广东首汇蓝天工程科技有限公司 广州510060)

引言

城市地下综合管廊(简称“管廊”),作为保证城市运行的重要基础设施和“生命线”,近年在我国得到了大力且快速的发展。目前,管廊的结构型式主要分为现浇和预制两种。虽然现浇管廊仍是运用较广泛的结构形式,但在当前产业升级改造的大浪潮下,预制工艺也在市政行业大力推行,并在我国多个大型市政工程中得到了运用,如： 上海世博园区预制预应力综合管廊、贵州都匀匀杨大道及环东路地下综合管廊工程、湖南省吉首市地下综合管廊工程、贵州六盘水市人民东路综合管廊工程等。

预制管廊又根据其接头位置的不同,分为整体式预制管廊与分块式预制管廊两类。整体式预制管廊仅有纵向接头,而分块式预制管廊同时具有纵向与横向接头,如图1 所示。本文以广州市天河智慧城分块式预制管廊为背景,从接头防水、接头力学计算和人防工况下力学计算三个方面对分块式预制管廊进行阐述。

1 预制管廊接头防水

预制管廊具有施工周期短、施工场地绿色环保、施工质量标准化等优点,但由于生产工艺、运输要求、吊装安全等因素的影响,预制管廊具有较多接头。对于地下工程,接头设计制作工艺的优劣影响其对地下水的控制作用,接头防水是预制管廊成败的关键因素。接头的设计根据预制工艺、安装工艺、防水工艺等不同,可分为平口式、承插式、企口式等[1,2]。

图1 预制管廊示意Fig.1 Diagram of the precast municipal tunnel

1.1 预制管廊接头形式

本文以广州市天河智慧城管廊工程为例,其为干线管廊,入廊管线较大、舱室截面较大,如采用整体式预制管廊其单节重量和截面尺寸都较大,生产和运输、安装将很难实现,故该项目采用分块式预制管廊。以其中一路段三舱管廊为例,每隔2.4m 设置一道纵向接头,并且在截面中部设置横向接头,使得单节管廊重量控制于40t 之内,以方便生产、运输、吊装。

鉴于纵向接头可能因场地发生不均匀沉降易造成接头防水破坏,且对于垫层找平质量控制精度要求高等因素,同时考虑接头构造宜简单、方便生产及安装止水带等特点,故纵向接头采用了企口的形式,如图2 所示。而对于横向接头,不受地基沉降及垫层找平的影响,但需考虑控制竖向预应力钢棒(以下简称“PC 钢棒”)的安装精度,尽量减少PC 钢棒张拉时预应力损失的要求,横向接头采用了平口的形式,如图3 所示。

图2 纵向企口接头构造Fig.2 Detailed drawing of longitudinal joint

1.2 纵向企口接头构造

纵向企口接头如图2 所示,在接头承口处迎水面与背水面均设置凹槽,以便填入高弹性密封胶,作为第一、三道止水措施。该高弹性密封胶的强度等性能指标见表1,且根据相关检测试验报告,在20℃时其预估寿命约为97年。同时也知,该密封胶与混凝土结合后其抗拉强度≥0.4MPa,是一般聚氨酯密封膏拉伸粘结强度2 倍以上,与结构本体结合性较好,能达到设计要求的密水性等要求。

在承口内侧,距高弹性密封胶约50mm 处设置一道止水胶条(竖向止水胶条),作为第二道止水措施,如图2 所示。止水胶条是由弹性橡胶与遇水膨胀橡胶制成的复合密封垫,弹性橡胶采用三元乙丙橡胶。该止水胶条通过纵向钢绞线的张拉,使其得到充分压缩,使得止水胶条的界面应力能够抵抗足够的水压作用。在插口处设置上下两道检查孔,作为在构件安装完成后检测接头的防水密闭性的用途,而且还能在接头出现渗漏的情况下注入密封胶,作为接头防水的应急措施之一,起到补漏作用。

1.3 横向平口接头构造

横向平口接头如图3 所示,在上下管节接头处迎水面与背水面均设置凹槽,以便填入高弹性密封胶,作为第一、三道止水措施。该高弹性密封胶与纵向企口接头使用的材料一致。在下管节内侧,距高弹性密封胶约50mm 处设置一道止水胶条(纵向止水胶条),如图3 所示,该止水胶条与纵向企口接头使用的材料一致。该止水胶条通过竖向PC 钢棒的张拉,使其得到充分压缩,使得止水胶条的界面应力能够抵抗足够的水压作用。

分块式管廊的接头最薄弱点为横向接头与纵向接头在十字交叉处的止水胶条与高弹性密封胶相互关系的处理。该处纵向与横向迎水面与背水面的凹槽尺寸均为一致,该凹槽处理比较简单、质量容易保证; 但较容易出现设计盲点的是中间处纵向与竖向止水胶条,该处纵向胶条需预留出构件,与竖向胶条位置重合、发生搭接关系,这个节点是分体式预制管廊设计的关键点之一。因此,在设计时考虑横向接头的纵向止水胶条须预留出5cm ～10cm,以便与纵向接头的竖向橡胶止水带搭接,其剖面如图4 所示。并且在该节点处在承口和插口处均设置横向止水胶条,使得该节点成为闭合的空间,以便做闭水试验、也利于解决日后可能会出现节点渗漏问题。对于该分体式预制管廊,将存在三处完全闭合的止水措施,适用于地下水丰沛且水位较高的地区。

2 预制管廊接头力学计算

分块式预制管廊纵向采用预应力钢绞线进行连接,预应力钢绞线的张拉力主要受控于纵向接头止水橡胶的界面应力控制,且纵向连接采用的企口接头为柔性接头,能较好地承受地基不均匀沉降及地震力的影响,故在此对纵向接头不过多叙述。而横向接头一般均设置在侧壁的跨中,该处为侧壁受力最大处[3],故横向接头采用刚度较大的PC 钢棒进行连接,下文将对横向接头的力学设计计算进行论述。

2.1 横向接头承载力极限状态验算

根据文献[4]的要求,分块式横向接头需进行承载力极限状态及正常使用极限状态的验算。对于承载力极限状态验算,考虑管廊为整体结构,采用MIDAS GEN 对其进行受力计算,计算模型如图5所示。取该模型下基本组合时的跨中弯矩、剪力、轴力,此时因中部是完全分离的,因此仅考虑PC 钢棒与受压区混凝土共同承受此部分力,按式(1) ～式(3)计算PC 钢棒直径D。

式中： M 为接头弯矩设计值; fpy为PC 钢棒抗拉强度设计值; Ap为PC 钢棒截面面积; h 为构件截面高度; b 为构件截面宽度; x 为构件受压区高度; a1为混凝土系数; fc为混凝土轴心抗压强度设计值; D 为PC 钢棒直径。

图5 预制管廊整体计算结果(单位： kN·m)Fig.5 Recults of integral calculation for precast municipal tunnel(unit： kN·m)

2.2 横向接头正常使用极限状态验算

分块式预制管廊横向接头考虑MIDAS GEN模型下的标准组合效应,并考虑长期作用影响对该接头的外缘张开量进行验算,见公式(4)。根据规范[1]的要求 Δmax一般取2mm。而旋转弹簧常数K 的取值受到接头构造、装配应力和装配方式等因素的影响,一般需要通过相关试验确定。参考国际隧道协会的指南[5],K 值一般为25000kN·m/rad ～50000kN·m/rad 之间。

式中： Δ 为接头外缘张开量; Mk为接头弯矩标准值; K 为接头旋转弹簧常数; Δmax为接头外缘最大张开量。

3 预制管廊人防工况下力学计算

3.1 管廊人防设计的基本要求

管廊作为城市基础工程的“生命线”应该充分考虑战时的人防需求,天河智慧城管廊作为全国试点管廊项目,首次尝试全线进行人防设计。对综合管廊进行防护设计的目的,是在战时遭受预定的核武器及常规武器袭击产生的破坏效应及其次生灾害环境下,保障管理内各种城市工程管线的安全,利于战后恢复使用[6]。管廊的人防设计只是针对管线的防护而非人员的防护,无需进行防化要求且允许染毒。所以管廊可根据防火分区的划分进行防护单元的划分,同时本工程管廊的防常规武器抗力级别和防核武器抗力级别均为6 级。

3.2 预制管廊关键人防计算要点

本工程因其中间舱室存在污水管,污水管需要设置较多出线口,故中间舱室不设置人防要求为非人防区,两侧舱室为人防区,因此内壁均为临空墙,如图6 所示(填充区为人防区)。对于分块式预制管廊,内壁均设置PC 钢棒进行拉结,对于人防设计可只进行结构承载力验算。又根据相关要求[7],在进行验算时,混凝土的材料强度可以考虑材料强度综合调整系数γd,但对于高强的预应力钢棒不考虑调整系数γd。人防工况下的荷载简图见图7,计算结果见图8。以右侧外侧壁为例,在基本荷载组合下常规荷载工况下跨中弯矩为129kN·m,而人防荷载工况下为126kN·m,侧壁人防计算时综合考虑调整系数γd并采用式(1) ～式(3)可计算PC钢棒直径。由计算结果可知对于预制管廊外侧壁及顶底板常规荷载为控制工况,而对于中壁(即临空墙)人防荷载为控制工况。

图6 预制管廊人防区示意Fig.6 Diagrammatic sketch for civil air defence of precast municipal tunnel

图7 预制管廊人防荷载简图Fig.7 Civil air defense load for precast municipal tunnel

图8 预制管廊人防计算结果(单位： kN·m)Fig.8 Results of civil air defense calculation for precast municipal tunnel(unit： kN·m)

4 结语

1.分块式预制管廊纵向接头宜采用对变形有更好的适应能力、对细节要求高的企口接头;横向接头宜采用构造简单、施工便捷的平口接头。

2.纵向接头及横向接头设计时应考虑相互搭接,形成一个闭合空间,并须考虑接头拼装完成后的检测及加固需求。

3.横向接头力学计算应考虑强度及使用状态下的相关计算,以此选取PC 钢棒。

4.管廊人防设计是对管线的防护,并非对人员的防护。设计时,综合考虑不同舱室的人防需求,是否能够满足设防的要求。在进行人防力学设计时,只需考虑强度计算,无需考虑长期使用状态下的计算。

广州市天河智慧城分块式预制管廊接头的防水性能在实践检验中取得较好成果,横向接头在管廊安装完成后其变形等监测指标均满足相关要求。