黃劍

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 200092）

引言

預制拼裝綜合管廊具有提升工程質量、改善施工現場環(huán)境、降低施工作業(yè)量、減少工期等優(yōu)點。在建筑工程中預制裝配施工工藝的應用已經較為廣泛。到2025年，我國裝配式建筑占新建建筑的比例將達到30%。目前綜合管廊工程建設領域也正在大力推廣預制拼裝技術。預制拼裝綜合管廊施工工藝主要有整節(jié)段式、節(jié)段拼裝式、裝配整體式等多種類型［1］。對于單艙斷面綜合管廊，整節(jié)段式施工工藝具備較強優(yōu)勢，且技術較為成熟。通常根據設備運輸和吊裝能力，將綜合管廊沿縱向分為2m～3m一節(jié)段，在工廠預制管段，在施工現場通過卡口或者預應力連接，墊層平整和接頭防水是關鍵因素。目前預制拼裝綜合管廊的研究成果多集中于整節(jié)段拼裝方面［2-5］。

本文以上海地區(qū)某單艙綜合管廊工程試驗段為背景，對比分析采用現澆和預制拼裝建造方式時管廊結構受力、工程量、施工工期和經濟性等方面。分析結果可為今后綜合管廊施工工藝的方案比選提供參考。

1 工程概況

某綜合管廊內部容納220kV、110kV、10kV電力電纜，通信電纜和DN600的給水管，為干支混合型綜合管廊。管廊埋設于道路中央綠化帶以下，頂部覆土厚度為3.1m。內部空間尺寸為寬度3.6m，高度4.1m。綜合管廊斷面及內部管線布置見圖1。為優(yōu)化結構和施工方案，從結構計算、工程量、工期、經濟性等方面對比分析現澆整體和預制拼裝兩種施工工藝。

圖1 綜合管廊斷面及內部管線布置Fig.1 Cross section of UT and layout ofmunicipal pipelines

2 結構受力分析

2.1 荷載組合

綜合管廊標準斷面結構計算一般可簡化為平面剛架模型分析，并取單位長度標準斷面計算?？紤]不同工況的荷載組合，得到結構各控制截面最不利內力，以此作為結構設計依據。綜合管廊為淺埋地下結構，通常位于道路中央分隔帶或道路兩側的綠化帶內。除了自重gc以外，頂板受到上部覆土荷載ps和汽車荷載pv，當地下水位較高時還會受到水壓力pw；側壁受到土側壓力qs和汽車荷載產生的側壓力qv，還可能受到水壓力qw；底板受到地基土反力pc，還可能受到浮力pb。計算簡圖見圖2。

圖2 計算簡圖Fig.2 Calculation diagram of UT

荷載組合可以分為以下3種工況分別計算：（1）工況1，低水位工況，不考慮地下水的影響，但考慮汽車荷載的影響；（2）工況2，高水位工況，考慮地下水的影響，但不考慮汽車荷載的影響；（3）工況3，高水位工況，同時考慮地下水和汽車荷載的影響。圖3為荷載工況組合示意。

圖3 荷載組合示意Fig.3 Schematic diagram of load combination

2.2 計算要點

1.抗浮穩(wěn)定性驗算

綜合管廊一般埋深較淺，若地下水位較高，將會使結構產生上浮的危險。因此《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》［6］第8.1.9條對抗浮穩(wěn)定提出要求，須滿足抗浮穩(wěn)定性系數不低于1.05的規(guī)定。若抗浮穩(wěn)定性不滿足要求，可采用增加截面板厚的方式以增加自重，也可采用增加抗浮構件（如底板外挑、抗拔樁等）的措施。

2.裂縫計算

綜合管廊長期受到地下水的侵蝕。一方面，結構開裂將直接導致鋼筋受到地下水的電化學腐蝕，嚴重將引發(fā)結構破壞；另一方面，裂縫將導致結構滲水，嚴重影響內部工作環(huán)境，最終導致管線破壞或無法正常服務。為此依據《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》［6］第8.1.7條對裂縫控制提出要求，裂縫控制等級為三級，最大裂縫寬度不大于0.2mm。

3.構件承載能力驗算

選取受力較大的構件進行極限狀態(tài)承載能力復核。綜合管廊受到土體的圍壓，頂板、底板和壁板均受到軸力和彎矩作用，但由于截面軸力較小且對抗彎承載能力有所提高，所以按受彎構件復核計算截面承載能力。

3 方案對比

3.1 結構分析

1.結構方案

現澆綜合管廊一般采用C30混凝土澆筑，鋼筋采用熱軋鋼筋HRB400。對于預制綜合管廊，構件在工廠模具化澆筑，并有較好養(yǎng)護條件，可采用高牌號混凝土澆筑，充分發(fā)揮高強材料性能。預制拼裝綜合管廊選用C50混凝土，鋼筋仍采用熱軋鋼筋HRB400。

現澆方案的綜合管廊標準斷面見圖4a，預制綜合管廊標準斷面見圖4b。預制綜合管廊采用高強混凝土C50可在一定程度上減小標準斷面構件厚度，從而降低混凝土用量。相比于現澆方式，預制拼裝綜合管廊的頂板和側壁厚度減小12.5%，底板厚度減小11.1%。

圖4 綜合管廊標準斷面示意Fig.4 Schematic diagram of UT standard cross section

2.抗浮穩(wěn)定性驗算

通過抗浮穩(wěn)定性驗算，分別獲得現澆和預制工況下的抗浮穩(wěn)定系數為1.42和1.22，均滿足大于1.05的要求。但由于預制綜合管廊比現澆綜合管廊的壁厚減小，預制綜合管廊自重有所降低，從而抗浮穩(wěn)定系數比現澆綜合管廊有所減小。但總體來看，預制管廊仍具有較好的抗浮穩(wěn)定冗余。

3.裂縫計算

根據圖3所示的工況，對兩種不同施工工藝下管廊結構受力情況進行計算分析。圖5為現澆和預制管廊彎矩包絡圖。由圖可見，管廊底板跨中和兩端彎矩較大。

圖5 管廊彎矩包絡圖（單位：kN·m）Fig.5 Bendingmoment envelope of UT（Unit：kN·m）

根據正常使用極限狀態(tài)下的裂縫控制計算，以及管廊不同部位計算的最大裂縫寬度，選擇斷面合適的配筋，并滿足構件的最小配筋率的構造要求［7］。表1和表2分別為現澆和預制綜合管廊構件的配筋和裂縫計算表。對比可見，預制綜合管廊構件控制截面的彎矩值均比現澆綜合管廊的對應數值有所降低。

表1 現澆綜合管廊配筋及裂縫計算Tab.1 Calculations of reinforcement and crack for cast-in-place UT

表2 預制綜合管廊配筋及裂縫計算Tab.2 Calculations of reinforcement and crack for precast assembled UT

表3 現澆與預制管廊控制截面受力Tab.3 Bendingmoment of cast-in-place UT and precast assembled UT in dominant cross sections

表3為現澆和預制綜合管廊控制斷面受力情況對比。由表可見，對于頂板，跨中彎矩降幅約為7%，端部彎矩降幅約為3%；對于底板，跨中彎矩降幅約為9%，端部彎矩降幅約為15%；對于壁板，跨中彎矩降幅約為1%，上端和下端彎矩的降幅分別約為3%和9%。對于頂板和底板，均呈現跨中彎矩降幅大、端部彎矩降幅小的規(guī)律；對于壁板，呈現跨中彎矩降幅小、下端彎矩降幅大的規(guī)律。

經驗算，按裂縫控制要求設計的綜合管廊截面及配筋均符合承載能力極限狀態(tài)計算要求。

3.2 工程量對比

圖6為現澆和預制綜合管廊標準斷面的配筋圖。選取每延米綜合管廊標準斷面對比兩種施工工藝的材料用量。所計算的材料用量不考慮施工過程中的損耗。根據計算，每延米現澆綜合管廊標準斷面鋼筋總重為1.096t，每延米預制綜合管廊標準斷面鋼筋總重為0.964t。預制綜合管廊減少鋼筋用量為12%。每延米現澆管廊混凝土用量為7.02m3，每延米預制管廊混凝土用量為6.09m3。預制綜合管廊減少混凝土用量13.2%。

3.3 工期對比

參考《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》［6］第8.6.1條規(guī)定，將30m作為現澆管廊標準施工段，并設置一道30mm寬度的變形縫?？紤]設備運輸和吊裝條件，預制拼裝綜合管廊選取縱向管節(jié)長度為2m。以30m的施工段為參考，分析現澆整體和預制拼裝綜合管廊的工期。

表4中列出了現澆整體和預制拼裝綜合管廊的主要施工流程。現澆整體式綜合管廊施工所有步驟均在現場完成，預制拼裝綜合管廊施工分為構件工廠預制和現場拼裝兩部分。預制拼裝施工工藝將鋼筋綁扎、模板安裝、混凝土澆筑與養(yǎng)護、構件脫模與質量驗收等主要內容置于工廠完成，對總工期沒有影響。此外，相比于現場施工時由于工人操作水平、天氣情況等不定因素造成的施工質量問題，在預制構件廠中鋼筋就位精度、模板安裝精度、混凝土養(yǎng)護條件等方面均得到了充分保證。在現場施工流程中，基坑開挖與支護和墊層施工以及土方回填和基坑支護拆除的環(huán)節(jié)，對于現澆和預制綜合管廊的工藝和要求均相同，在工期方面無明顯差別。對于現澆綜合管廊，現場綁扎鋼筋、模板支護、混凝土澆筑與養(yǎng)護、模板拆除等環(huán)節(jié)成為工期的主要組成部分。

對比可見，現澆綜合管廊的結構主體施工均在現場完成，占用了大量工期。而預制拼裝綜合管廊在預制工廠內完成主體結構澆筑，不占用總工期。對于30m的施工段，現澆綜合管廊工期約為48d；預制拼裝綜合管廊工期約為27d。預制拼裝綜合管廊比現澆綜合管廊施工工期縮短21d，工期縮短約44%。

表4 現澆和預制拼裝綜合管廊施工流程Tab.4 Construction process of cast-in-place UT and precast assembled UT

3.4 經濟性對比

工程經濟性包括直接經濟效益和間接經濟效益兩類。由于間接經濟效益，如工程質量、施工現場環(huán)境、節(jié)能減排等因素難以量化，本文僅分析施工工藝所造成直接經濟效益，即工程成本的影響。

以30m的標準施工段為參考，分析現澆整體和預制拼裝綜合管廊的建設成本。根據2017年12月上海建設工程造價信息，現澆和預制綜合管廊結構成本分別如表5和表6所示。由表可見，現澆和預制綜合管廊結構成本較為接近，每延米現澆綜合管廊結構成本為16628.8元，每延米現澆綜合管廊結構成本為15951.45元。采用預制工藝可降低成本約4%。對于30m的標準施工段，預制拼裝綜合管廊可節(jié)約結構成本20320.5元。

兩種施工工藝的土方工程費用近似相等?；又ёo采用拉森鋼板樁，并采用鋼支撐支護。初期施工費用兩者相等。而對于30m的標準施工段，現澆綜合管廊工期約為48d，預制拼裝綜合管廊工期約為27d，鋼板樁和支撐的租賃費用約為40元／m／d，采用預制工藝可降低基坑支護結構租賃費用約44%。因此，對于標準施工段，采用預制拼裝施工工藝可節(jié)約鋼板樁和支撐租賃費用約33600元。

表5 現澆綜合管廊結構成本（每延米）Tab.5 Material cost of cast-in-place UT permeter

表6 預制拼裝綜合管廊結構成本（每延米）Tab.6 Material cost of precast assembled UT permeter

表7 30m施工段單艙綜合管廊土建成本對比Tab.7 Comparison of construction cost between cast-in-place UT and precast assembled UT for 30m s length

4 結論

以某單艙綜合管廊工程項目為背景，從結構計算、工程量、工期、經濟性等方面對比分析現澆整體和預制拼裝兩種施工工藝。主要結論如下：

1.由于具備良好的構件制作和養(yǎng)護條件，預制拼裝綜合管廊可采用較高牌號混凝土，在保證承載能力的前提下，預制管廊比現澆管廊可降低壁厚10%以上。

2.在不同工況下，預制管廊的局部最大彎矩均有所降低。對于頂板和底板，均呈現跨中彎矩降幅大、端部彎矩降幅小的規(guī)律；對于壁板，呈現跨中彎矩降幅小、下端彎矩降幅大的規(guī)律?？刂平孛鎻澗刈畲蠼捣_到15%。

3.相同長度的綜合管廊，預制拼裝施工工藝可減少鋼筋用量為12%，減少混凝土用量為13.2%。

4.以30m施工段為參考，相比于現澆方式，預制拼裝綜合管廊可降低工期44%。

5.在經濟效益方面，除了工程質量、施工現場環(huán)境、節(jié)能減排等間接經濟效益外，預制拼裝綜合管廊的主體結構成本降低約4%，基坑開挖與支護成本降低約44%，土建總成本降低約9%。

［1］黃劍.預制拼裝綜合管廊研究和建設進展［J］.特種結構，2018，35（1）：1-11 Huang Jian.Research and construction progressof precast assembled utility tunnel［J］.Special Structures，2018，35（1）：1-11

［2］胡翔，薛偉辰，王恒棟.上海世博園區(qū)預制預應力綜合管廊接頭防水性能試驗研究［J］.特種結構，2009，26（1）：109-113 Hu Xiang，XueWeichen，Wang Hengdong.Experimental studies on water proof properties of PPMT joints in Shanghai Expo Area［J］.Special Structures，2009，26（1）：109-113

［3］胡翔，薛偉辰，王恒棟，等.上海世博園區(qū)預制預應力綜合管廊施工監(jiān)測與分析［J］.特種結構，2009，26（2）：105-108 Hu Xiang，Xue Weichen，Wang Hengdong，et al.Construction monitoring and analysis of PPMT in Shanghai Expo Area［J］.Special Structures，2009，26（2）：105-108

［4］薛偉辰，王恒棟，胡翔.上海世博園區(qū)預制預應力綜合管廊的經濟性分析［J］.特種結構，2009，26（2）：101-104 XueWeichen，Wang Hengdong，Hu Xiang.Economic analysis of PPMT in Shanghai Expo Area［J］.Special Structures，2009，26（2）：101-104

［5］胡翔，薛偉辰.預制預應力綜合管廊受力性能試驗研究［J］.土木工程學報，2010，43（5）：29-37 Hu Xiang，Xue Weichen.Experimental study of mechanical properties of PPMT［J］.China Civil Engineering Journal，2010，43（5）：29-37

［6］GB 50838-2015城市綜合管廊工程技術規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2015 GB 50838-2015 Technical code for urban utility tunnel engineering［S］.Beijing：China Planning Press，2015

［7］GB 50010-2010混凝土結構設計規(guī)范（2015年版）［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015 GB 50010-2010 Code for design of concrete structures（2015 edition）［S］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2015