地下综合管廊总体及结构设计方法研究

中交第一公路勘察设计研究院有限公司  陕西  西安  710075 　　摘要：综合管廊是我国城镇化建设中重要的市政基础工程，也是城市现代化的重要标志之一。2015年以来，国务院连续发文要求把综合管廊作为城市基础建设的重要内容，目前各地综合管廊建设正如火如荼的进行，推动综合管廊的建设，提升管廊建设品质和效率，选择合理的设计和施工方法尤为必要。本文主要从如何做好综合管廊的规划和设计、管廊结构设计和计算要点等方面研究，并借助玉溪市城北区综合管廊项目，对综合管廊结构设计思路和计算方法进行全面深入研究，为后续工程设计和建设提供经验。 　　关键词：地下空间；城市综合管廊；设计方法 　　 　　 　　引言 　　在城市的发展过程中，市政管线工程的数量和种类也在不断的增长，从最初的自来水、雨水、污水、供电线等基本管线工程，到后来增加的天然气、热力管道，再到近年来各大通讯公司的各类管线工程，种类多，数量多，建设改造时间不一，“黑色污染、马路拉链”现象随处可见。这种建造方式，既耗费资源，又影响城市景观，如果将这些管线工程综合在同一时空内，统一规划、统一建设、统一管理运营，既在建设时节约成本，又便于后期的维修和管理。地下综合管廊便是能将以上各类管线“容纳”，从建设到运营成为一个系统的工程。 　　1.综合管廊与城市地下空间开发利用的结合 　　1.1 地下空间与综合管廊 　　在资源越来越紧张、城市化进程越来越快的今天，节约资源、保护环境、可持续发展成为城市发展的主题。市政道路下的地下空间，以往主要是被各类市政管线分割利用，造成一定的资源浪费。在城市地下空间的开发利用过程中，如果能将各类市政工程综合建设利用，如在地下空间的综合开发中，将地铁隧道工程与管廊隧道综合建设，无论从建设成本和节约土地方面，均能发挥巨大的优势。 　　1.2综合管廊的功能类别 　　综合管廊是一种地下隧道工程，主要功能是将各类市政管线工程容纳。这种地下构筑物工程兼具建筑功能的特点，为保证人员的正常活动，给这种构筑物设置了进风排风井、人员出入口、划分防火区间。同时设有专门的检修口、材料吊装口、照明系统，灭火系统以及自动感应系统等。这种统一规划、有标准的设计、有组织的建设和管理，减少了由于敷设或维修地下管线而反复开挖道路，同时入廊管线的耐久性和安全性也得到了保障。 　　按照综合管廊在城市管网系统中的作用和容纳管线种类的情况，可分为干线管廊和支线管廊。干线综合管廊的主要功能是形成主系统管网，一般容纳管线种类齐全；支线管廊的主要功能是承担管廊所经区域的“供”和“排”，即通过分支口给途径区域供水供电等，接收途径区域的雨水、污水排放。根据管廊的断面舱室数量，分单舱管廊和多舱管廊，舱室的数量主要是根据入廊管线的种类的数量进行规划设计。 　　2.城市地下综合管廊规划与设计要点 　　2.1综合管廊规划 　　综合管廊规划是一项系统工程，以综合开发利用地下空间，合理布局满足供给功能，节约工程建设成本为原则，做好近期与远期系统规划。既要满足近期供排能力要求，又要考虑远期城市规划和发展。管廊规划要与城市规划统一协调，做到不浪费、不短缺、不改造。 　　在管廊工程的规划过程中，要考虑居住区和城市环境状况，结合给排水、通讯、电力、燃气、防洪和人防工程规划，既要考虑本地区市政基础建设的要求，又要从城市长远可持续发展的角度预测。规划工程中要根据道路交通量、地下管线设施的种类数量、道路反复开发的频率和沿线引出的使用量确定管廊路由；根据未来管线需求、扩充计划和需求密度计算管线设施的种类和数量。 　　2.2综合管廊总体设计 　　综合管廊总体设计主要包含入廊管线分析、舱室断面设计、节点功能设计以及平纵面设计。 　　入廊管线主要指各类市政管线：包括自来水、中水、雨水、污水、热力、燃气电力及通讯电缆等等。电力及通讯管线比较容易入廊，占用空间小，柔韧性好，受管廊平面线型和纵断面高程变化影响小，目前的管廊建设中一般都会考虑入廊。雨水、污水管线为重力流管道，受地势影响较大，要根据项目实际情况考虑。给水、热力管道一般为压力管道，在管廊工程中也较为普遍。天然气管线入廊存在一定的安全隐患，设计和建设中强制要求独立成舱，且对通风和防火要求高。 　　管廊的断面尺寸要根据入廊管线的种类和数量、地质情况、埋置深度要求、地下水位高低、运营维护、检修空间等多方面计算，并做好一定的预留，以便后期管线的扩容。 　　节点设计主要包括通风口、吊装口、逃生口、人员出入口、分支节点等，节点功能是管廊能够正常营运的关键保证。合理布置节点的功能组成、间距，既要满足管廊正常工作的功能要求，同时还要考虑节点出地面构筑物对地面以上道路景观的影响，体现出管廊建设的优点。 　　3.管廊结构设计 　　综合管廊作为一类特殊的地下构筑物工程，其结构设计主要包含两方面内容：一是保证施工期间作业面安全的基坑防护工程设计，二是管廊本体结构的设计。管廊结构在施工时受施工空间和周边建筑物的影响，加上沿线地质条件的变化，往往需要不同的基坑支护形式。管廊本体结构位于道路以下，受地下水、土压力以及地面荷载的作用，承受荷载大，设计标准高。因此在管廊工程的设计过程中，结构设计方案的合理性选择和计算方法的准确程度是保证管廊建设和营运安全、经济、适用、耐久的基本条件。 　　3.1管廊基坑设计 　　在目前管廊结构施工过程中，以明挖现浇法最为常见。基坑支护包括围护结构和支撑系统两部分，支护形式要根据场地工程地质及水文条件、周边环境、深度、施工方法、工期造价并结合地区常用的基坑支护型式做出综合技术经济对比。支撑系统一般采用钢支撑较多。 　　在建设条件允许的条件下，放坡开挖是最为经济的基坑围护方式。当管廊所处地势比较开阔、周边无变形敏感建构筑物时，可采用该支护形式。 　　钢板桩支护也在市政工程施工中也较为常见，设计基坑一般在6~8 米之间，具有承载力强、密性好、施工简便、作业高效、易插拔、可反复利用等特点，除开放坡开挖的支护形式来讲，属于比较经济的一种基坑支护形式。 　　在软土地区、地下水位较高的地区及现场围护狭小的基坑结构中，采用三轴搅拌桩成桩的型钢水泥土挡墙（SMW工法）也应用较多。SMW工法桩的基坑支护因强度大、止水性好、内插的型钢能反复使用，具有较好的发展前景。 　　若管廊区段比较狭窄、周边道路已经施工，建构筑物管线较多，可采用灌注桩排桩+内支撑支护形式。一般适用于中等深度（6-10m）的基坑围护，其特点为刚度大施工时对周边地层和环境影响小，需要有降水和止水措施配合使用，相对钢板桩和SMW工法桩来讲，投资较高。 　　另外，对于复杂的基坑环境，钻孔咬合桩、地下连续墙等也可选择利用。 　　3.2管廊本体结构 　　管廊本体结构一般为钢筋混凝土板壳结构，管廊结构设计包括承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。对于承载力能力极限状态，首先要满足回填土压力、侧土压力、水压力、路面行车荷载等作用下结构的强度和刚度，另外还要在计算中考虑地震作用、爆炸等偶然荷载的影响。对于正常使用极限状态，则需满足使用阶段的变形和裂缝限值满足《混凝土结构设计规范》等现行国家标准规范要求。另外管廊结构的防水设计也至关重要，必须采用多道防线确保结构安全。 　　4.管廊结构设计实例 　　4.1工程概况 　　玉溪市环城北路综合管廊建设地点为云南省玉溪市红塔区，该综合管廊平行于环城北路布置于路南侧，占用机动车道、非机动车道和机非隔离带，管廊中心线距离道路中心线4m。标准段采用四舱矩形断面，断面尺寸为B×H=11.8m×3.7m。分别设置有燃气舱、电力舱、综合舱、污水舱，入廊管线有燃气、电力、通信、给水污水。 　　4.2 设计条件及材料参数 　　结构本体采用地下钢筋混凝土矩形管道结构，采用C35自防水混凝土，抗渗等级P6，受力钢筋采用HPB300E级钢筋和HRB400E级钢筋。结构设计使用年限为100年，防水等级为为二级。地下水位位于地面以下1.0m左右，根据地质揭露情况分析，管廊基坑范围内分布有素填土、粉质黏土、圆砾等土层，沿线分布不均匀。 　　4.3 结构模型计算与分析  　　标准段采用三维模型进行计算分析，取结构构件中轴线距离建立模型。建入模型截面尺寸为底板500mm、顶板400mm，侧壁板400mm，内隔墙为300mm。 　　

　　图2 施加土弹簧 　　结构与土体相互作用采用土弹簧进行模拟，作用与结构上的荷载有自重、土压力、混凝土徐变产生和荷载、人群荷载、车辆荷载、管线及附件荷载水压力等。采用三维模型进行计算分析，结构的受力模型为闭合框架。计算软件采用Midas Gen 结合理正结构工具箱进行配筋计算。配筋结果按0.2mm裂缝宽度控制，最后考虑地震荷载进行强度复核。 　　 　　图3 结构抗浮计算结构 　　 　　图4 侧壁竖向弯矩 　　根据结算结果分析，结构与土体未分离，满足抗浮系数1.05的要求，沉降及结构总体变形均满足正常使用极限状态指标要求。在满足承载能力极限状态计算的前提下，配筋主要以裂缝计算结果起控制因素。 　　根据本工程的地质情况，地基承载力较好，部分路段图纸不均匀，换填30cm级配砂夹石垫层已消除地基的不均匀性。基坑开挖深度约8m，支护方式根据沿线土层状况，部分段落采用钢板桩+内支撑的方式，部分段落采用排桩支护方式，支护承载力及变形均满足《建筑基坑支护工程技术规程》要求。 　　5. 结语 　　本文首先对地下空间与管廊综合开发利用的可行性分析起，对地下综合管廊的功能和类别进行阐述。管廊规划是一项系统工程，要与城市规划统一协调，做到不浪费、不短缺、不改造。总体设计中要注重入廊管线分析，合理确定舱室断面，优化节点功能及平纵面设计。结构设计是综合管廊设计最重要的一个环节，合理的施工工艺、安全可靠的基坑支护及结构设计，是管廊安全运营的基本保证。最后，文章通过玉溪市环城北路综合管廊工程实例，着重对管廊结构设计的原理和方法进行讲述，为管廊行业的设计和建设提供参考。 　　参考文献 　　[1]肖泽荣.琅岐环岛路二期地下综合管廊工程设计分析[J].福建建筑,2017(10):86-89. 　　[2]文前程,刘欢,徐新辉,王述红,阿力普江?杰如拉.地下综合管廊水浮力分析与计算方法研究[J].混凝土与水泥制品,2017(08):37-40. 　　[3]吴季岭,杨申.综合管廊防水新技术的应用[J].城乡建设,2017(16):78-79. 　　[4]李文峰,董小三,宋立明.城市地下综合管廊防水施工技术要点[J].智能城市,2017,3(06):91. 　　[5]杨杰,余轶鹏,贾如升.合肥市某综合管廊工程设计要点探讨[J].皖西学院学报,2016,32(05):95-98. 　　[6]苗现国,苗雷强,陈叶,付华萌.顶管法综合管廊结构设计与计算研究[J].安徽建筑,2016,23(04):125-126.