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          裝配式綜合管廊的應用與發展現狀研究

          2019-04-16 12:57:09

          城市地下綜合管廊,簡稱綜合管廊,又稱共同溝,是建于城市地面以下的一種公共廊道,主要用于容納供水、通信、電力、燃氣、熱力等多種市政管線,可有效避免“城市拉鏈”和“城市蜘蛛網”現象。近十多年來,特別是《國務院辦公廳關于推進城市地下綜合管廊建設的指導意見》于2015年8月發布以來,全國各省市的綜合管廊規劃和建設工作相繼迅速展開。在新時期發展“綠色建筑”、實行“綠色建造”的大背景下,如此大規模的綜合管廊工程建設為綜合管廊的建設施工技術提出了新的挑戰。

          綜合管廊的預制裝配技術與普通建筑結構的預制裝配技術類似,是將管廊部件預制后在現場拼裝成整體結構的一種綜合管廊施工方式。與現澆式相比,在綜合管廊施工中采用預制裝配技術,可有效縮短施工周期,減少人工成本,提高構件質量,減少對環境的影響,并且可以有效降低施工風險,被認為是綜合管廊的“綠色建造”技術。

          該文對預制裝配式綜合管廊進行了統計和梳理,并對不同類型的裝配式綜合管廊進行了對比分析,明確了各種類型裝配式綜合管廊的優勢,可為裝配式綜合管廊的規劃設計提供參考。

          一、我國綜合管廊建設情況

          我國第一條地下綜合管廊是1958年在北京市某廣場下建設約1.3km的綜合管道,斷面為方形,寬3.5~5.0m,高2.3~3.0m,埋深7.0~8.0m。之后國內一直沒有建設綜合管廊,直到1978年上海寶鋼和大同分別建設了一條綜合管廊。在改革開放之前,我國綜合管廊建設尚處在萌芽階段,建設數量少,主要以概念為主。

          從1979年之后,隨著改革開放,我國城市建設快速發展,綜合管廊工程建設也逐漸增多,天津、上海、濟南、連云港等城市先后建設了多條綜合管廊。但是由于當時城市發展規模不大、城市人口數量較小、城市功能性需求相對較輕,因此管廊建設引發了規模性的爭論,學術界和工程界對綜合管廊的優劣進行了多次的討論。

          2000年之后,我國各地綜合管廊建設數量和里程顯著增加,北京、上海、廣州、深圳、濟南、武漢、福州、衢州等地相繼開始建設建成城市綜合管廊。2005年關于印發《建設部城市建設司2005年工作要點》的函中要“研究制定地下管線綜合 建設和管理的政策”,2006年“十一五”科技支撐計劃設立科研項目《城市市政工程綜合管廊技術研究與開發》,表明國家已經開始重視和支持發展綜合管廊建設。

          2010年后,國內城市綜合管廊迎來了全面建設時期。自2012年至今,國務院以及住房和城鄉建設部連年發文,要求組織開展城市地下綜合管廊建設,尤其是2015年《國務院辦公廳關于推進城市地下綜合管廊建設的指導意見》明確指出“到2020年,建成一批具有國際先進水平的地下綜合管廊并投入運營”,揭開了我國城市地下綜合管廊井噴式建設的帷幕。國家先后公布了兩批共計25個綜合管廊建設試點城市,2016年實現開工建設綜合管廊2000km,同時計劃2017年再開工建設城市地下綜合管廊2000km以上。

          二、裝配式綜合管廊的種類及應用

          目前我國綜合管廊的建設施工中,除特殊需求采用盾構法和頂管法之外,大部分工程均采用明挖現澆工法進行建造,其主要缺點為施工周期長、人工需求量大、施工現場環保壓力大、安全風險大等,無法滿足“四節一環?!钡木G色建造要求。裝配式綜合管廊的主要構件在工廠預制、主體結構在現場拼裝成形,整個建造過程可顯著減少現場作業,減少人工、減少污染、降低成本,從而實現綠色建造的目標?!秶鴦赵恨k公廳關于推進城市地下綜合管廊建設的指導意見》(國發辦[2015]61號)明確指出“推進地下綜合管廊主體結構構件標準化,積極推廣應用預制拼裝技術,提高工程質量和安全水平,同時有效帶動工業構件生產、施工設備制造等相關產業發展?!?/p>

          我國現有的綜合管廊結構體系,絕大部分為鋼筋混凝土結構,其裝配工法可分為全預制裝配式和部分預制裝配式兩種類型,前者又可分為整節段預制裝配式、分塊預制裝配式兩種情況,后者則可分為頂板預制裝配式、疊合裝配式兩種。除此以外,中冶京誠研發并開始承建的全國首個裝配式鋼制綜合管廊,也屬于全預制裝配式綜合管廊。裝配式綜合管廊的總體分類見表1。

          表1 裝配式綜合管廊分類


          鋼筋混凝土結構鋼結構
          全預制裝配式節段預制裝配式鋼波紋管式
          分塊預制裝配式
          部分預制裝配式
          頂板預制裝配式
          疊合裝配式

          2.1 節段預制裝配式

          節段預制裝配技術是將綜合管廊在長度方向上劃分為多個節段,并在工廠將每個階段整體預制成型、運輸到現場通過一定的連接方式將相鄰節段進行拼裝形成整體結構的一種技術,見圖1。該技術的預制裝配率很高,幾乎達到100%,且通常采用承插連接、預應力或者螺桿連接,因此現場幾乎不需要進行濕作業。該技術在日本應用較早,且技術非常成熟,在國內最早的應用是2012年上海世博園綜合管廊試驗段中,后來在廈門綜合管廊中也得到大量的應用。

          上海世博綜合管廊是國內第一個裝配式綜合管廊,為單倉矩形斷面,斷面尺寸為3300×3800mm,每個節段長度為2m,在工廠預制完成后在現場拼裝成型。

          節段預制裝配式綜合管廊

          圖1 節段預制裝配式綜合管廊    圖2 廈門翔安南路綜合管廊

          廈門翔安南路地下綜合管廊工程,為雙倉圓弧組合斷面,其最大斷面尺寸為6.7×4.2m,管節接口采用雙O型橡膠圈企口型柔性接口連接,見圖2。該項目全長約10km,全線全部使用節段預制裝配工法建造,是國內第一條全線采用裝配式建造的綜合管廊。

          2.2 分塊預制裝配式

          分塊預制拼裝技術是將綜合管廊在橫斷面上分塊預制,然后運到現場進行拼裝的一種施工技術。其中每個預制塊部品一般都不包含獨立的倉室。一種常見的分塊方式是在側墻中間斷開,分成上下兩部分,該分塊方式對于高度較高的綜合管廊非常實用。該方式在日本應用廣泛并積累了豐富的工程經驗,圖3,結果表明分塊拼裝式綜合管廊可大幅降低運輸和吊裝難度及成本。

          與節段預制裝配式相比,分塊預制裝配式既具有與其相同的地方,又具有獨特的優勢。其相同點在于兩者均為全預制拼裝式,現場幾乎不需要濕作業,安裝效率較高;兩者的連接方式及連接接頭的做法基本類似,在連接部位均可采用企口形式、采用預應力連接或者螺桿連接;接頭位置均可設置止水橡膠帶進行接頭防水。不同點在于,分塊預制拼裝可以縮小單個構件的尺寸以方便運輸和安裝,因此更加適用于斷面較大的情況,而整節段預制拼裝對于大斷面的情況其生產施工成本急劇增加;但是分塊預制安裝因為減小了單塊的尺寸而使連接接頭數量大增,對于部品的預制精度、施工安裝的質量控制,均提出了更高的要求。該工法在國內綜合管廊建設中還鮮有應用。

          日本分塊預制裝配式綜合管廊

          圖3 日本分塊預制裝配式綜合管廊

          2.3 頂板預制裝配式

          頂板預制拼裝工藝是綜合現澆工藝優勢與預制工藝優勢而研究提出的一種新型工藝,其工藝原理是管廊底板及側墻采用現澆、頂板采用預制安裝的方式進行綜合管廊主體結構的建造。該技術最大的優勢在于將頂板采用預制裝配工法施工,可免除現澆式工法中頂板模板的安裝及腳手架的拼裝和拆除;在目前節段預制裝配工法整體技術尚不成熟、施工難度較大的情況下,這不失為一種折中的辦法。

          中國建筑股份有限公司技術中心在包頭市綜合管廊的工程中,選取了標準斷面區間的6m長試驗段,對頂板預制裝配式工法進行了驗證。標準斷面為雙倉矩形斷面,外輪廓尺寸為8050×3350mm。試驗段預制頂板寬度取1.5m,共計4塊,單塊重量約為5~6t。預制頂板縱向采用企口接縫,接縫處設置遇水膨脹止水條,然后進行灌漿處理;頂板兩側與現澆段相接之處預留安裝鋼邊止水帶的后澆帶。

          2.4 預制疊合式

          全預制拼裝技術雖然與現澆式相比具有很大的優勢,但其本身也有一些不足之處,其中典型的問題有運輸吊裝機械、場地要求高、成本高、整體性差和防水質量控制難等。為解決這些問題,預制疊合拼裝技術應運而生。

          預制疊合技術即通過疊合式預制板的安裝,輔以現澆疊合層及加強部位混凝土結構,形成共同工作大板構件,從而進一步形成綜合管廊主體結構。該結構體系以黑龍江宇輝公司以及遠大住工開發的疊合裝配式綜合管廊為代表。遠大華美公司在烏魯木齊市艾丁湖路綜合管廊建設中采用疊合裝配式技術,施工首先安裝預制底板并綁扎底板鋼筋,然后安裝預制墻板和預制頂板,最后澆筑混凝土將所有預制板連接形成整體結構,見圖4?,F場施工工人由原來的60多人減至10人,每塊墻板安裝過程僅需15min,每組工人每天可安裝30余塊墻板,一個24m標準段的墻板安裝只需5d時間,大大縮短了現場施工工期。

          桑合裝配式綜合管廊

          圖4 桑合裝配式綜合管廊

          2.5 鋼波紋管式

          鋼波紋管是由波形金屬板卷制成或用半圓波形鋼片拼制成,其用于管涵和橋涵已具有超過100年的歷史。鋼波紋管具有的波紋結構可提高拱壁的抗屈曲能力,并且能夠使荷載分散分布,受力合理承載力較大。經過多年來的實際應用證明,金屬波紋涵管在西北等一些寒冷地域完全滿足道路施工建設當中的相關要求。用金屬波紋管進行管廊施工,可使得道路表面沒有伸縮縫,從而大大提高路面行車的安全性與舒適度。

          中冶集團研發的鋼波紋管綜合管廊在衡水武邑成功完成了50m示范段的建設,標志著我國鋼制綜合管廊研制成功,見圖5。經過試驗段的實際測算,與傳統混凝土結構相比,鋼波紋管綜合管廊的成本降幅達10%以上。另外,2017年7月16日,由中冶京誠承建的全國首個裝配式鋼制綜合管廊EPC總承包項目,在衡水市武邑縣正式啟動,標志著鋼制綜合管廊由試驗階段建設正式進入工程應用。

          武邑鋼制綜合管廊

          圖5 武邑鋼制綜合管廊

          2.6 不同裝配形式比較

          上述各種裝配式綜合管廊各有優缺點和各自的使用范圍。

          從預制裝配率方面考慮,節段預制裝配式、分塊預制裝配式以及鋼制綜合管廊的裝配率最高,幾乎可以實現100%的預制裝配、現場幾乎無需濕作業,安裝現場所需工人最少;疊合裝配式綜合管廊的預制裝配率次之,在預制底板、墻板和頂板吊裝就位后,需要分批次進行混凝土澆注,澆筑體積約為預制部分的1.5~2倍;頂板預制裝配式綜合管廊,需要對全部底板和墻板進行現澆,并且預制頂板吊裝就位后尚需濕接頭處的混凝土現澆,其預制裝配率最低。

          從裝配適應性進行分析,節段預制裝配式和分塊預制裝配式綜合管廊的斷面適應性最低,需針對每種尺寸的斷面配置專用的模具,而且主要適用于標準節段,對于管廊交叉點、管線出入口等非標準節段,則需單獨預制,增大設計工作量和模具配置成本;疊合裝配式綜合管廊可以較好的適應不同尺寸的標準斷面,對于通用的預制墻板無需重新配置模具,可提高模板的使用效率,且可通過預制墻板的斜放實現非標準節段的預制裝配;頂板預制裝配式和鋼制綜合管廊則具有很好的適應性,可適用于不同斷面尺寸的綜合管廊,無需開設新的模具。

          從結構整體性方面考慮,疊合裝配式綜合管廊通過底板現澆層、墻板現澆芯層以及頂板現澆層將主體結構連接成整體,可以做得與現澆結構同強度,即所謂的“等同現澆”,具有良好的整體性,屬于剛性結構;頂板預制裝配式綜合管廊由于底板和側墻均為現澆結構,且頂板通過后澆帶與側墻連接,所以結構也具有良好的整體性,且屬于剛性結構;鋼波紋管式綜合管廊,采用鉚接或焊接的方式將鋼波紋管片連接在一起,具有良好的整體性,但是結構在地基發生不均勻沉降時容易產生明顯的變形,屬于柔性結構體系;節段預制裝配式和分塊預制裝配式綜合管廊,預制部品數量多、連接接頭多,結構整體性較差,屬于柔性結構體系。

          從吊裝施工的難易程度來看,節段預制裝配式綜合管廊,其預制節段的斷面和長度均受限于自重而無法做得較大,因此節段預制拼裝式工法應優先考慮兩倉以下小斷面綜合管廊;分塊預制裝配工法主要是為了減小單塊預制部品的重量以實現較大斷面的預制裝配,但是由于接頭數量更多,導致施工難度增大;疊合裝配和頂板預制裝配式工法,預制部品均以預制板材為主,便于吊裝、運輸和安裝,而且現場需要進行鋼筋綁扎和混凝土澆注,其施工精度要求較前兩種工法要低;鋼制綜合管廊的鋼結構部品相對于預制混凝土部品顯著降低,且以管片的形式預制,吊裝運輸也很方便。

          三、預制裝配式綜合管廊發展的關鍵問題

          預制裝配式綜合管廊的現有工程實踐表明,裝配式綜合管廊具有良好的社會經濟效益,在未來大規模的綜合管廊工程建設中具有良好的發展前景;同時現有工程實踐中所遇到的關鍵共性問題,也為裝配式綜合管廊的研究和建設提出了更高的挑戰。在裝配式綜合管廊建造工法方面,面臨的關鍵問題包括以下四點:

          1)綜合管廊斷面設計的規范化、標準化和模塊化。目前綜合管廊的斷面設計采取“一廊一設計”的方式,每條綜合管廊的斷面尺寸都有所不同,甚至同一條管廊出現多種斷面尺寸的情況也很常見;這種做法給預制品的生產帶來了諸多麻煩,導致成本顯著增加。因此需要針對管線入廊情況進行歸并分類,實現管廊斷面設計標準化和模塊化。

          2)交叉點、出入口等非標準斷面節段的預制拼裝技術。綜合管廊的非標準段所占比例可達40%,甚至更多,非標準段的預制裝配率,很大程度上制約了綜合管廊工程整體裝配率的提高。

          3)大斷面綜合管廊的預制拼裝技術。干線管廊容納的管線種類和數量均較多,而且未來綜合管廊與地下空間的綜合利用趨勢也越來越顯著,這些因素均使得綜合管廊的斷面尺寸越來越大,因此發展大斷面綜合管廊的預制拼裝技術也十分迫切。

          4)預制裝配式綜合管廊長期受力變形性能演化機理、預測及評價。裝配式綜合管廊在長期服役過程中會遭遇地震作用以及地基不均勻沉降等因素影響,導致綜合管廊發生不可恢復的平移或轉動變形,從而影響綜合管廊的長期服役性能;因此需對這些情況預測、評價和控制。

          四、結語

          預制裝配式綜合管廊具有良好的社會經濟效益。目前常用的裝配方式包括節段預制裝配式、分塊預制裝配式、頂板預制裝配式、疊合裝配式和鋼波紋管式等5種形式。其中,前兩種形式裝配化程度最高,主要適 用于斷面尺寸較小的單倉和雙倉綜合管廊;頂板預制裝配式綜合管廊可避免搭設頂板模板和腳手架,可在一定程度上節約人工;疊合裝配式綜合管廊具有“等同現澆”的優點,且能夠較好的適應非標準節段部位的裝配式施工;鋼波紋管綜合管廊相對于鋼筋混凝土綜合管廊具有更好的施工性能和抗震性能。

          在今后的建設過程中,預制裝配式綜合管廊應當考慮實現斷面設計的規范化、標準化和模塊化,注重開發新型適用于非標準段和適用于大斷面綜合管廊的預制拼裝技術,并對預制裝配式綜合管廊的長期服役性能進行預測和評價。

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