双仓综合管廊结构设计优化研究

李肖华，孙建波，贺凤春，王立勇，柳明祥，陈 静

（1.中信建设有限责任公司，北京；2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉）

前言

地下综合管廊对提高城市地下空间的有效利用率、提升市容市貌和美化环境有着至关重要的作用，同时能够有效避免道路重复开挖和市政管线隔空敷设的缺点，也为城市管线未来的检修提供了便利[1-2]。近年来，随着我国地下空间开发与应用的飞速发展，地下综合管廊建设也在如火如荼地进行中[3]。然而，建设中也出现了诸多的问题，例如设计规范与实际施工技术存在不匹配的问题，难以有效指导施工[4]，各部门之间协调沟通困难，而地下综合管廊的投资模式、建成以后运营维修等诸多问题也需深入研究[5]。

本文以某地下综合管廊为例，构建了标准段主体结构的有限元模型，对整体结构进行了各种荷载组合作用下的受力性能分析，以便于更好地指导地下综合管廊后续施工，同时也对地下综合管廊设计规范的完善起到了一定借鉴作用[6]。

1 概述

1.1 项目背景

内江市位于天府之国东南部，是川内第二大交通枢纽，是川东南乃至西南各省交通的重要交汇点。国道321 线现为四车道一级过境公路，缺失市政管网、人行及景观设施，不具备城市道路功能。路线基本沿现状沟谷地带布置，总体线位标高较低，与两侧山体间高差较大，最大约45 m，造成南北片区隔离，周边土地场平弃方多，局部地区两侧地块与道路间成“V”形倒坡等不利情况。G321 管廊本次实施范围为站二路北至成渝高铁东侧，与G321 西林大道至花园滩大桥段管廊相接，为双舱管廊，全长2.733 km；综合管廊布置于道路西（南）侧绿化带内。

1.2 设计原则

根据“经济适用、适当预留”的原则和管线规模，确定G321 综合管廊标准断面：10 kV 电缆、通信线缆、给水及中水位于电力综合舱，舱内为10 kV 电力电缆预留5 排支架，为通信线缆预留4 排支架，给水及中水布置于支墩上；电缆综合舱净结构尺寸为3.6 m×3.2 m；110 kV 电缆电缆布置于高压舱，舱室净结构尺寸为1.7 m×3.2 m。结构设计使用年限100 年。裂缝宽度不得超过0.2 mm。抗浮水位为设计地面±0.000，整体抗浮安全系数取为1.05。管位横断面如图1 所示。

图1 G321 管位横断面

2 有限元模型建立

2.1 土层参数

地下综合管廊所经处的土体相关参数见表1。

表1 土层参数

2.2 结构计算参数

（1）填土与结构材料特性。混凝土采用C40 防水混凝土。钢筋采用普通钢筋HRB400，迎土面纵筋保护层厚度为50 mm，其余保护层厚度30 mm。压实回填土天然容重取为19.00 kN/m3，压实回填土饱和容重取为20.00 kN/m3，填土的内摩擦角取φ=30°，侧压系数λ=tan2（45°-φ/2）=0.333，水容重取10 kN/m3。

（2）结构形式。以内江G321 国道综合管廊标准段节点为例，结构为两层双仓管廊，底板厚度为0.4 m，侧壁板厚0.4 m，中板厚0.25 m，顶板厚0.4 m。

2.3 模型建立

采用MidasGen 对综合管廊标准段进行建模，考虑到土体只受压的特性，对管廊底板施加面弹性支撑，竖向基床系数K=20 000 kN/m3，水平基床系数取6 500 kN/m3，有限元模型及边界条件如图2 所示。

图2 模型及边界条件

荷载施加:

结构自重取γ=26 kN/m3，结构重要性系数取1.1；底板铺装层按厚0.1 m 计入，则重度为26k N/m3。顶板以上覆土深度为5 m～8 m，按8 m覆土压实填土重力的竖向土压力和侧向土压力，即最不利情况计算。绿化带按1.3 m 覆土厚度计入地面堆载作用，按24 kN/m2加载。根据水位线位置计入水压力及浮力，采用水土分离模式计算竖向水压力底板水浮力和侧向水压力，地下水则按静水压力加载。将车辆等效为填土层厚度，施加于相应的构件上。人群荷载按2.5 kN/m2计入。

管道内设置有给水管DN300 和DN600，管道水重取满水自重；DN300 支墩尺寸为：0.3 m×0.5 m×0.65 m，DN600 支墩尺寸为：0.6 m×0.8 m×0.8 m，均按4.0 m 间距布置，根据构件实际位置和自重计算。

3 板内力验算及配筋

标准断面结构的主要构件包括底板、顶板、外壁板及中壁板，按荷载最不利情况计算，分别对各构件进行应力分析，包括验算各构件的抗弯、抗剪和抗裂能力并进行配筋等。

3.1 底板内力及配筋

根据基本组合下X、Y 方向的弯矩和轴力对各构件配筋，底板X、Y 方向都属于大偏拉受压，板厚40 cm，因此提取管廊底板内力相应数据后计算配筋，具体见表2。

表2 管廊底板内力及配筋

底板的内力在X 和Y 方向上都呈对称分布，最大弯矩在板底Y 方向，为301.04 kN·m，最大剪力在板顶Y 方向，为462.414 kN·m，最大值都出现在中部偏下位置。

3.2 顶板内力及配筋

顶板X、Y 方向都属于大偏拉受压，板厚40 cm，提取最大拉压应力和弯矩并计算配筋，结果具体见表3。

表3 管廊顶板内力及配筋

顶板的内力变化与底板相似，在X 和Y 方向上也都呈对称分布，最大弯矩在板顶Y 方向，为290.252 kN·m，最大剪力在板底Y 方向，为396.32 kN·m，都出现在中部偏下位置。

3.3 结构板抗剪验算

管廊各结构板的剪力计算结果云图如图3 所示。

图3 管廊剪力计算结果

标准段管廊最大剪力出现在顶板中部，为474.8 kN，根据规范要求，对于不配置箍筋和弯起钢筋的一般板类受弯构件，其斜截面受剪承载力应符合即管廊结构斜截面抗剪承载力满足规范要求。因此，管廊结构斜截面抗剪承载力满足规范要求。

3.4 结构板裂缝宽度检验

根据Midas 运算结果，各构件裂缝宽度见表4。可以看出，结构最大裂缝出现在底板，为0.197 mm，同时底板也是弯矩和剪力最大的位置，而中板裂缝最小，弯矩和剪力也最小。

表4 各构件裂缝宽度

3.5 结构抗浮验算

土压力结果如图4 所示。抗浮设计水位为地下水位位于地面±0.000m 处，根据抗浮验算可以看出，抗浮基底压力大于基底水压力的1.05 倍，所以，管廊抗浮满足规范要求。

图4 抗浮工况下基地土压力

3.6 结构基底应力验算

对结构进行极限承载能力下的地基土压力进行验算，土压力结果如图5 所示，由图5 可知，最大基底压应力σmax=199.8 kPa，故管廊标准段地基承载力需满足大于等于199.8 kPa。

图5 极限承载工况下基地土压力

综合以上计算结果，3 m～8 m 覆土标准段管廊结构各板件即整体强度、刚度及稳定性均满足规范要求。

4 结论

地下综合管廊往往存在结构受力和变形、混凝土裂缝等多种风险，本文采用有限元软件对地下综合管廊标准段主体结构相关构件及整体结构，在多种荷载组合作用下进行了受力性能分析，得到了以下结论：

（1）综合管廊标准段3 m～8 m 覆土下结构混凝土拉、压应力均小于强度标准值，钢筋最大应力均小于设计值，最大变形值均小于规范限定值，各板件抗弯、抗剪和抗裂能力满足要求，结构整体强度、刚度及稳定性均符合规范要求。

（2）管廊标准段抗浮基底压力大于1.05 倍水压力；地基承载力需满足大于等于199.8 kPa 的要求。