大尺寸热力管沟设计与施工技术初探

胡彦迪

（太原市热力设计有限公司，山西太原 030000）

0 引言

为配合汾河三期治理，太原热力南部长输供热项目迎宾桥段直埋DN1400mm 供/回管道（共402m）需原管位下放约7m，同时建造钢筋混凝土管沟、检查井。考虑到管沟上部覆土较深，采用了SMW 工法桩结合钢管支撑进行基坑支护。现浇混凝土管沟达到设计强度后，回填恢复原河道。现场按变形缝分仓浇筑，每段之间采用橡胶止水带防水处理，管沟正中间设置现浇固定墙，同时预留一定尺寸通道。

管沟内部净尺寸为5.4m×3m，管沟施工如图1 所示。规划汾河东、西岸堤二级平台高程772.8m，西侧管沟顶板高程763m，东侧管沟顶板高程（763+1.54744）m。考虑最不利荷载，本文以西侧暗涵为研究对象。避免结构形成塑性铰以致出现过宽裂缝，对工程寿命具有重大意义，因此从基础垫层处理到混凝土原材料控制，模板制作，混凝土浇筑、振捣、养护，防水卷材施工，每一道环节的施工质量应得到保证。

图1 管沟施工

1 管沟荷载工况分类

管沟主体结构上有永久荷载、可变荷载与偶然冲击荷载；永久荷载含土压力、结构主体、管道（静水压力）及附件自重、混凝土收缩及徐变作用、预应力和地基沉降影响、地表河流或地下水浮力等；可变荷载包括消防车荷载、冻胀力和施工过程荷载等；偶然荷载包括偶然冲击力及地震荷载等。

研究了热力管沟在上述各类荷载作用下的受力形态，根据《建筑结构荷载规范》[1]对活荷载组合系数、荷载分项系数和准永久值系数进行取值。

2 荷载标准值取值

2.1 永久荷载计算

（1）混凝土管沟自重如式（1）所示。

式中：Gg——单元段混凝土管沟自重，kN；γ1——单元段管沟重度，kN/m3；V1——单元段管沟体积，m3。

（2）土压力如式（2）所示。

式中：GT——单位土体自重压力，kN/m2；γ2——单位土体有效重度，kN/m3；tc——土荷载系数，取值1.1；h——覆土厚度，m。

2.2 可变荷载计算

包含消防车荷载、导向支撑引起的底板集中荷载（注水试运行、采暖季期间）。

3 荷载设计值

根据《建筑结构荷载规范》[1]3.2.3 条：由永久荷载控制的设计值，如式（3）和式（4）所示。

永久荷载分项系数按《建筑结构荷载规范》[1]第3.2.4 条取值：当永久荷载作用对受力结构不利时，对由可变荷载作用控制的组合取值1.2，对由永久荷载作用控制的组合取值1.35。

可变荷载作用分项系数的取值应符合以下要求：对标准值大于4kN/m2的工业建筑楼面的可变荷载作用，应取1.3；其余情形，应取值1.4。

4 结构配筋验算

根据《混凝土结构设计规范（2015 年版）》[2]计算：

（1）单向板的弯曲受压区高度x：

（3）依据ξ 与ξb对比：若ξ≤ξb，则满足要求。

ASmin=ρminbh＞ASbh＞A，按截面最小配筋率选取钢筋面积，反之取AS。

5 管沟结构设计参数

5.1 管沟尺寸

图2 为管沟断面。净宽B=5400mm，净高H=3000mm，顶板厚TD=450mm，底板厚TB=500mm，侧墙厚TC=500mm。取管沟单位长度b=1000mm 作为计算单元，根据《混凝土结构设计规范（2015 年版）》[2]9.1.1 条，管沟顶板应按单向板计算。

图2 管沟断面（单位：mm）

5.2 结构参数取值

钢筋混凝土材料：重度γ1=25kN/m3。

混凝土强度等级：C30，fc=14.3N/mm2，ft=1.43N/mm2。

钢筋强度等级：HRB400，fy=360N/mm2。

压实黏土：重度γ2=20kN/m3，土压力荷载系数tc=1.1，土体内摩擦角φ=30°，考虑地下水位，按浮重度γ'2=γ2-γw=20-10=10kN/m3。

5.3 结构荷载计算

5.3.1 结构标准值取值

（1）混凝土管沟自重。①管沟顶板自重GDB=0.45×6.4×1.0×25=72kN，等 效 均 布 荷 载72/（6.4×1.0）=11.25kN/m2。②混凝土侧墙自重GCQ=0.5×1.0×3×25=37.5kN，等效均布荷载37.5/（6.4×1.0）=5.86kN/m2。采用DN1400mm 预 制 保 温 管[3]，标 准 自 重：553.96kg/m（5.54kN/m），采暖季管中含水量：GS=πγ2ρS=15.1kN/m。GS+g=5.54+15.1=20.64kN/m，对底板施加布荷载为3.82kN/m2。

（2）土压力GT=γ'2tch。现浇混凝土顶板上部土压力GDT=10×1.1×（772.8-763）=107.8kN/m2。

（3）消防车荷载取值：标准值35kN/m2，当考虑覆土对板顶消防车活荷载的影响，折减系数取0.5。

5.3.2 结构设计值取值

（1）侧墙部分。①管沟侧墙顶部及顶板竖向均布荷载设计值。由永久荷载控制的组合效应设计值。Q11CZ=1.35×107.8+0.98×0.5×35=162.68kN/m2。由可变荷载控制的组合效应设计值。Q12CZ=1.2×107.8+1.4×0.5×35=153.86kN/m2。取永久荷载控制组合效应：Q1CZ=max（Q11CZ，Q12CZ）=162.68kN/m2。②管沟侧墙底部竖向均布荷载设计值。侧墙底土压力：Qcd=10×1.1×（9.8+3.95）=151.25kN/m2。管沟侧墙下端垂直均布荷载设计值Q。由永久荷载控制的组合效应设计值：Q21CZ=1.35×151.25+0.98×0.5×35=221.34kN/m2。由可变荷载控制的组合效应设计值：Q22CZ=1.2×151.25+1.4×0.5×35=206kN/m2。取永久荷载控制组合效应：Q2CZ=max（Q21CZ，Q22CZ）=221.34kN/m2。③管沟侧墙上端水平均布荷载设计值。计算侧向压力系数1/3×162.68=54.23kN/m2。管沟侧墙底部水平向均布荷载设计值。Q2SP=KQ2CZ=1/3×221.34=73.78kN/m2。

（2）底板部分。

管沟底板垂直均布荷载设计值。

由永久荷载控制的效应设计值：Q31DB=1.35×（107.8 +11.25 +5.86 ×2 +12.5 +3.82）+0.98 ×0.5 ×35 =215.72kN/m2。

由可变荷载控制的效应设计值：Q32DB=1.2×（107.8+11.25+5.86×2+12.5+3.82）+1.4×0.5×35=200.05kN/m2。

取永久荷载控制效应Q3DB=215.72kN/m2。

管沟截面受力分布如图3 所示。

5.4 结构内力计算

管沟断面弯矩如图4 所示。该管沟对裂缝控制要求严格，不得考虑塑性内力重分布的设计原理[2]。现浇钢筋混凝土综合管沟的截面内力计算模型，可选用闭合框架模型考虑。反作用于结构底板的基底作用效应分布情况应根据现场地基条件确定，并满足《混凝土结构设计规范（2015 年版）》[2]要求：原地基较坚硬或已加固处理后的地基，基底反力可视作直线分布[4-5]。

图4 管沟断面弯矩（单位：kN·m）

取管沟顶板部分作为研究对象。

（1）管沟顶板跨中下层配筋。管沟环境类别按三类[4]，板的混凝土保护层最小厚度为30cm，设αS=满足要求。γS=0.5×（1+

（2）管沟顶板下层固端配筋。MDXD=206.3kN·m，X=36.12mm＜ξbho，AS=1425mm2，AS＞ASmin按AS配筋，实配钢筋面积：A'S=1901mm2。

6 SMW 工法桩

6.1 工法桩简介

SMW 工法桩，全称型钢水泥土搅拌桩法，通过三轴搅拌桩钻机机械在地层中向下切削现状土体，与此同时钻机钻头前部持续加压注入水泥浆液，与被切削土体充分搅拌混合，凝固后形成整片水泥土柱列状挡墙，在水泥浆液彻底硬化前，纵向放入型钢的一类地下工程施工技术。

SMW 工法技术源于基坑工程，并逐渐运用于地基加固、地下坝加固等专业领域。SMW 工法具有经济效益好、施工工期短、隔水性能强、对生态环境影响较小、整体性强等优点。在全面建设可持续友好型、高效节约型社会的今天，SMW 工法桩应得到大力推广。

6.2 搅拌桩主要施工工序

搅拌桩施工完成且桩机移位形成工作面后、水泥土搅拌桩固化之前，将型钢插入搅拌桩内。若型钢插入桩内阻力较大，可利用振动摆锤辅助沉桩。

SMW 工法桩施工完成之后，破桩头浮浆至设计标高施工面→施工垫层→冠梁内型钢包裹塑料薄膜→绑扎冠梁钢筋→布设冠梁侧模→浇筑冠梁混凝土。

7 结语

综上可知，在该管沟主体设计过程中，充分考虑永久荷载、可变荷载、堆载等多种不利变量的影响下，结构的极限承载力远大于设计内力值，因此结构具有足够的安全余量。施工过程中，应严格控制型钢混凝土支挡结构的水泥流量、注浆压力，确保桩身强度满足要求。管道支架的安装应合理施工，避免不均匀受力及变形。地震作用对管沟内力的影响，以及管沟的防水性能应得到持续关注，并制定紧急预案。