市政排水检查井及其井周路面不均匀沉降研究

李 幸,陆 斯,鄢 丹

(广西交通设计集团有限公司,广西 南宁 530029)

0 引言

随着城市交通建设日益发展,市政管网配套设施逐步完善。排水检查井是市政排水管网工程重要的附属构筑物,其中有相当数量的排水检查井布设于市政道路行车道下方。在车载的反复作用下,检查井及其井周路面出现不均匀沉降的病害现象时常发生,不仅影响城市风貌,更严重影响行车安全。近年来,城市道路路面质量及养护的要求越来越高,解决排水检查井及井周路面不均匀沉降问题迫在眉睫。

现有对排水检查井及井周路面不均匀沉降的相关研究多为对施工技术改进的探讨,以及对检查井井盖材料的优化研究,而对井座结构优化及提高承载力应对车载影响的研究较少。本文结合南宁市轨道交通5号线沿线道路整治工程(南段)项目实例,分析检查井及其井周路面发生不均匀沉降的主要原因,针对要因提出改造方案,以达到降低车行道上排水检查井及其井周路面不均匀沉降的效果。

1 工程概况

轨道交通5号线沿线道路整治工程(南段)项目(以下简称轨道5号线项目),沿轨道5号线路线自北向南穿越南宁市西乡塘片区及江南片区,整治范围包括明秀西路及壮锦大道,道路等级为城市主干路,实施长度约为8.85 km。

整治范围内道路投入使用已达10年以上。明秀西路沿线分布多个学校、医院、公园等人流密集的功能板块,壮锦大道向南连接机场高速公路,为南宁市南边门户进出的重要干路,车流量较大。

经现场踏勘发现,行车道下现状排水管线众多,检查井井盖多分布于非机动车道、辅道及主车道,现状路面结构为复合路面,部分路段检查井及井周路面发生不均匀沉降。根据项目的设计原则,对现状路面及排水设施病害进行改造处理。

2 现状沉降情况

根据《市政道路工程质量检查评定标准》中对沥青道路面层“井框与路面高差”的要求,允许偏差为5 mm,井与周边平整路面高差>5 mm,即为发生沉降。本文以轨道5号线项目明秀西路及壮锦大道全线作为调查对象,对整治范围内排水检查井及其井周路面沉降情况进行记录,调查结果如下:

(1)整治范围全线排水检查井共计934座,其中,位于行车道上的检查井共792座,位于人行道上的检查井共140座;发生沉降的检查井共计626座,其中,位于车行道上检查井共583座,位于人行道上的检查井共43座。

经数据分析可得,检查井及井周路面发生沉降的检查井个数占现状排水检查井总数的67.02%。位于车行道上的排水检查井发生沉降的检查井占比较大,约为73.43%,而位于人行道上的排水检查井发生沉降的概率较小,约为30.71%。

(2)在发生沉降的排水检查井中,检查井及井周路面发生沉降且沉降值为5～10 mm的检查井有375座,沉降值>10 mm的检查井有251座。其中,在沉降值>10 mm的检查井中,位于车行道上的检查井占比为89.2%,位于人行道上的检查井占比为10.8%。

由此可见,在道路使用时间相同的情况下,位于车行道上的排水检查井发生沉降的概率较大,且沉降值高于位于人行道上的排水检查井。

3 成因分析

相关研究表明,检查井及其井周路面发生不均匀沉降的影响因素较多,而较大的车辆冲击荷载是导致检查井及其井周路面沉降的主要影响因素。根据上述现状调查结果,轨道5号线项目范围内,发生沉降的检查井多位于车行道上。明秀西路与壮锦大道为城市主干路,且临近那洪收费站,车流量多、时速较高,检查井及其井周路面沉降受车载影响较大。本文根据项目原设计及施工情况,分析车行道上的检查井及其井周路面发生不均匀沉降的主要原因。

3.1 井座承载力不满足行车动载作用要求

轨道5号线项目道路沿线现状排水检查井采用重型球墨铸铁井盖,井座包括井盖支座及钢筋混凝土座圈两部分,井盖支座通过膨胀螺栓与座圈固定,座圈为环状柱体,内径与井盖相同。井座与井盖配套使用,设计荷载为城—A级,承载能力应达到《铸铁检查井盖》(CJ/T 511-2017)中的D400标准,试验荷载≥400 kN。

轨道5号线沿线道路使用已超过10年,原设计标准偏低,检查井井座按标准荷载值设计,但当车辆快速进入检查井井周路面范围时,车载对检查井及井周路面产生明显的冲击荷载作用。相关研究数据表明,车辆进入井周路面区域时,车辆冲击荷载可达静荷载的1.29倍[1]。当车轮在路面正常行驶时,车轮与路面的接触面积约为0.12 m2,而当车轮经过排水检查井时,其有效接地面积减少为0.09 m2,作用于井座的荷载远大于在路面行驶时的计算值。

当现状井座承载能力不能满足车辆快速通行产生的集中荷载时,井座即发生破坏或整体沉降。同时,检查井井座直接搭接在检查井井筒上方,井筒横截面积与井座相同,当井座承载力不足而发生破坏时,车辆荷载垂直向下传递至井筒,长期积累,会导致检查井整体下沉。行车动载路面传递方式与井座传递方式不同,在行车动载长期作用下,检查井井座与路面结构的变形存在差异,道路使用时间越长,检查井井盖沉降值较周围路面沉降值差异越明显,从而产生不均匀沉降[2]。

3.2 井周密实度不足导致路基沉降

现状井盖支座在路面表层宽度仅为80 mm,支座与座圈通过螺栓固定,支座周边路面结构回填沥青材料。经现场调查发现,在轨道5号线项目沿线道路发生沉降的检查井中,部分检查井井盖支座与井座连接不够稳固,或井周路面沥青材料压实度不足,从而产生井盖与其周边路面连接处密实度差、井盖松动等现象。整治工程项目位于南宁市,属亚热带季风气候,常年雨水充足。当井盖松动或密实度不足时,在雨水作用下,积水通过井盖松动处往下渗漏,并向井周路基渗透,使路基长期在水中浸泡,造成土层松动,路基密实度发生改变,导致路基强度与稳定性降低,从而不能有效承受行车动载;在长期雨水渗漏影响下,行车荷载作用导致井周路基下沉明显,从而造成井周路面沉降[3]。

综上,该项目检查井沉降主要原因为:(1)由于井座承受行车荷载冲击能力不足;(2)现状球墨铸铁井盖设计支座连接方式不佳,容易引起井盖松动,造成雨水渗漏,引起路基松动下沉。

4 改造措施

针对上述排水检查井及井周路面不均匀沉降产生的原因,本文结合轨道5号线项目实例,从提高检查井井座承载力及改进井盖支座稳定性、提高井周路面压实度等方面,提出改造措施。

项目现状重型球墨铸铁井盖配套井座,车载作用面积小,车载较集中,且车载通过井座直接传导到井筒,从而引起井体整体沉降。改造措施考虑采用加宽井座结构的处理方案,增加井座面积,同时增加承压措施分散车辆荷载,加强井座整体结构承受行车动载冲击能力。

结合本项目为现状道路改造工程,从减少工程投资及施工便捷性方面,提出两个方案进行比选。

4.1 方案一:对座圈进行加宽处理,同时增设混凝土承压圈(下页图1)

图1 方案一改造示意图(mm)

基于现状井座设计,对位于车行道上的检查井按《室外排水设计标准》(GB50014-2021)要求,并参照检查井国标图集进行井座结构改进。井盖支座与现状尺寸一致,对钢筋混凝土座圈进行加宽处理,加宽后座圈外径增加200 mm。此外,在井座下方增设外边长为2 600 mm的方形预制混凝土承压圈,承压圈设置在路基碎石层上方,承压圈底部高程与路面结构层底部高程一致,其作用为分散车辆荷载,使荷载传递至路基,而不直接传递到井体。井座与井筒通过聚苯乙烯芯模分离,起缓冲作用,使井体本身不承受来自车辆通过座圈传递的集中荷载。

此方案井盖支座尺寸不变,但由于钢筋混凝土座圈宽度加宽,路面沥青材料可通过机械压实,不易松动。

改造效果:井座加宽改造后,机动车动荷载作用于井座面积增大,同时,在座圈底部增设钢筋混凝土承压圈,起分散荷载作用,井座整体承载力有所提高,且车辆动载通过井座传递到承压圈,不直接作用于井体。

4.2 方案二:井盖支座改造,座圈与承压圈结合为预制承压井圈(下页图2)

图2 方案二改造示意图

基于现状井座设计,对井盖支座进行加宽,同时支座加长,与座圈形成承插式连接,更加稳固。座圈改造为一个直径为1 650 mm的圆形预制混凝土承压井圈,预制承压井圈下设预制混凝土挡圈及预制接口构件,不与井筒结构直接连接,构件上方设聚苯乙烯芯膜,起缓冲作用。预制混凝土挡圈与预制接口构件之间有5 mmPE板隔离层。预制构件整体作用为:当上方圆形预制混凝土承压井圈受车辆集中荷载时,预制混凝土挡圈可起到上下移动调节作用,减少直接传递到井筒的荷载。

改造效果:本方案改造思路同可调式防沉降井盖,即将井盖支座与井座的固定连接改为承插式连接,使支座成为路面的一部分。预制混凝土承压井圈上方按道路要求回填沥青层,面积较大,可用机械压实,以提高压实度,有效减少因井盖松动引起的雨水深度导致路基下沉问题。同时,行车荷载作用分散到承压圈,来自上部的荷载被分散到道路结构层,共同受力,使井体承受负荷减少80%以上[4]。

综合分析:(1)从井座承载力情况分析,通过模拟两方案均能较大程度地提高承载力;(2)与现行排水检查井井座造价相比,方案一增加约800元/座,方案二增加约100元/座,方案二较方案一更为经济;(3)从施工条件分析,由于本工程为现状道路改造,预制构件尺寸大,现状路面开挖及恢复面积较大,工程量较大;(4)方案二的井盖支座改造方式更优,与井座固定更为稳定,后续路面改造加铺沥青施工更为便利。

综上,项目采用方案二作为井座改造方案,将其应用于轨道5号线项目检查井改造,并检验使用成果。截至目前,轨道5号线壮锦大道某路段约1 km主车道上的排水检查井已按上述提出的推荐方案进行改造,并已完成施工,运行通车约1年。经现场检验,检查井及井周路面未出现不均匀沉降现象。

5 结语

检查井沉降主要原因包括井座承受行车荷载冲击能力不足,以及井盖松动,造成雨水渗漏,引起路基松动下沉等。本文提出井座结构改造方案,通过增加预制混凝土承压圈、增加缓冲层,达到降低市政排水检查井及其井周路面不均匀沉降效果。

目前,本文提出的井座加强方案已应用于轨道5号线项目中,后续将跟踪使用效果,对比同等使用时间的道路项目井盖及井周路面沉降值,为后续设计项目提供借鉴。