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(中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，四川成都610081)

1 工程概況

深圳市地鐵4號(hào)線三期規(guī)劃線路與機(jī)荷高速公路北側(cè)DN 800 mm城鎮(zhèn)高壓燃?xì)夤艿澜徊妫叶吒叱虥_突。參建各方議定，燃?xì)夤艿栏倪w繞行至機(jī)荷高速公路南側(cè)浸水地區(qū)，從地下穿越地鐵?？紤]到若采用套管穿越地鐵，套管自重不足以抗浮，故確定在預(yù)定位置采用防護(hù)涵穿越地鐵，防護(hù)涵及燃?xì)夤艿老让魍谑┕ぃ罔F后施工。本工程從2018年建成投產(chǎn)至今的運(yùn)行情況表明，在浸水地區(qū)采用防護(hù)涵穿越地鐵是安全、可靠的。本文結(jié)合該工程對(duì)防護(hù)涵的設(shè)計(jì)要求、防護(hù)涵抗浮等進(jìn)行探討，文中所述浸水地區(qū)指地下水位較高的地區(qū)，不包含沼澤地區(qū)。

2 主要遵循和參考的規(guī)范

GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)燃?xì)夤艿啦捎梅雷o(hù)涵穿越地鐵(含鐵路)未作具體規(guī)定。防護(hù)涵設(shè)計(jì)應(yīng)遵循TB 10063—2016《鐵路工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(以下簡稱TB 10063—2016)及國家能源局、國家鐵路局聯(lián)合發(fā)布的國能油氣[2015]392號(hào)《油氣輸送管道與鐵路交匯工程技術(shù)及管理規(guī)定》(以下簡稱國能油氣[2015]392號(hào))的規(guī)定，并參照?qǐng)?zhí)行GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱GB 50423—2013)的相關(guān)要求。

值得注意的是，TB 10063—2016的相關(guān)內(nèi)容是參考國能油氣[2015]392號(hào)制定的，二者要求基本一致，但TB 10063—2016未規(guī)定防護(hù)涵施工須采用何種工法，而國能油氣[2015]392號(hào)所指防護(hù)涵則為頂進(jìn)防護(hù)涵。

本項(xiàng)目中，燃?xì)夤艿兰胺雷o(hù)涵先于地鐵施工，采用明挖工法，根據(jù)上述規(guī)范及規(guī)定的要求，防護(hù)涵設(shè)計(jì)應(yīng)主要遵循TB 10063—2016的相關(guān)規(guī)定。

3 防護(hù)涵與地鐵隧道位置關(guān)系

本項(xiàng)目中，在水平方向防護(hù)涵垂直穿越地鐵隧道。防護(hù)涵及隧道工法均為明挖施工?？傮w施工按照先下后上順序，先施工防護(hù)涵及燃?xì)夤艿?，再打灌注樁，最后建設(shè)地鐵隧道。防護(hù)涵與施工期隧道的位置關(guān)系見圖1。

圖1 防護(hù)涵與施工期隧道的位置關(guān)系

圖1所示的設(shè)計(jì)地面指防護(hù)涵施工完成后按原地貌恢復(fù)的地面(以下簡稱設(shè)計(jì)地面)。由于防護(hù)涵穿越位置的地鐵隧道大部分位于設(shè)計(jì)地面以上，因此，在隧道主體結(jié)構(gòu)全部施工完成后尚須進(jìn)行回填覆土及綠化作業(yè)。防護(hù)涵施工與地鐵隧道回填覆土施工放線應(yīng)統(tǒng)籌安排，即地鐵隧道回填覆土施工放線須提前進(jìn)場(chǎng)放線，對(duì)防護(hù)涵長度的要求是其兩端伸出地鐵隧道回填覆土的坡腳線以外不小于2 m，為此，確定防護(hù)涵長度為44 m。防護(hù)涵兩端用磚墻密封，管道穿過密封墻體處在管道上方增加過梁。同時(shí)，為了保障管道運(yùn)營安全，從防護(hù)涵內(nèi)引出檢漏管至周圍平整地面，設(shè)檢測(cè)井，便于定期巡檢時(shí)進(jìn)行檢漏作業(yè)。

相關(guān)規(guī)范對(duì)防護(hù)涵與隧道之間的豎向凈距無具體要求?？紤]明挖施工期間對(duì)地下水環(huán)境的影響，防護(hù)涵宜盡可能淺埋。防護(hù)涵淺埋使得灌注樁及隧道施工期間防護(hù)涵頂?shù)母餐翂褐剌^小，在地下水位較高時(shí)，防護(hù)涵可能因承受浮力過大而整體失穩(wěn)。因此，筆者選擇其最不利斷面即埋深最小的A-A斷面進(jìn)行相關(guān)分析。

4 半填充防護(hù)涵

防護(hù)涵通常分為半填充防護(hù)涵和不填充防護(hù)涵兩種形式。半填充是指在防護(hù)涵內(nèi)充填砂(土)將穿越管道埋入其中，并設(shè)置驗(yàn)收(或檢修)通道，保留運(yùn)營期內(nèi)檢修管道的可能性。不填充是指將管道架空安裝于防護(hù)涵內(nèi)。

TB 10063—2016第4.1.5條規(guī)定，防護(hù)涵內(nèi)宜保留驗(yàn)收通道，宜采用填充方式，未填充的應(yīng)在涵洞兩端設(shè)檢查井。

基于TB 10063—2016針對(duì)防護(hù)涵內(nèi)部空間同時(shí)提出“宜保留驗(yàn)收通道”和“宜采用填充方式”規(guī)定的考慮，筆者認(rèn)為TB 10063—2016規(guī)定的防護(hù)涵填充方式應(yīng)理解為半填充。本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境受限，不便設(shè)置通行用的檢查井，故采用半填充防護(hù)涵，即防護(hù)涵內(nèi)砌隔墻，設(shè)置檢修通道，燃?xì)夤艿啦捎弥Ф展潭ā⑻钌案采w并加壓重塊。具體布置即A-A斷面見圖2。防護(hù)涵主體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，抗?jié)B等級(jí)為P8，墊層采用厚度為200 mm的 C20素混凝土，壓重塊采用馬蹄形的C25鋼筋混凝土預(yù)制件，隔墻材料采用普通磚。

圖2 A-A斷面

圖中h1——防護(hù)涵內(nèi)填砂表面至涵內(nèi)頂?shù)母叨?，m

h2——防護(hù)涵內(nèi)底至填砂表面的高度，m

h0——防護(hù)涵內(nèi)凈空高度，m

h——防護(hù)涵主體斷面高度，m

D——燃?xì)夤艿劳庵睆剑琺

b1——燃?xì)夤艿雷笸獗谥练雷o(hù)涵左墻內(nèi)墻面的寬度，m

b2——燃?xì)夤艿烙彝獗谥粮魤ν鈮γ娴膶挾龋琺

b3——檢修通道即隔墻外墻面至防護(hù)涵右墻內(nèi)墻面的寬度，m

b——防護(hù)涵主體斷面寬度，m

δ1——防護(hù)涵頂板厚度，m

δ2——防護(hù)涵底板厚度，m

δ3——防護(hù)涵左(右)墻厚度，m

d1——設(shè)計(jì)地面到地下水位線的距離，m

d2——設(shè)計(jì)地面到防護(hù)涵外頂?shù)木嚯x，m

d3——設(shè)計(jì)地面到防護(hù)涵水平中軸線的距離，m

d4——設(shè)計(jì)地面到防護(hù)涵外底的距離，m

根據(jù)TB 10063—2016第4.1.5條，防護(hù)涵內(nèi)檢修通道的寬度b3不宜小于1.0 m，防護(hù)涵內(nèi)填砂表面至防護(hù)涵內(nèi)頂?shù)母叨萮1不宜小于0.5 m，防護(hù)涵內(nèi)凈空高度h0不宜小于1.8 m?？紤]預(yù)留以后的發(fā)展空間，本項(xiàng)目提高了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將h1取值為2.0 m，h0取值為3.5 m，b3取值為1.5 m。本項(xiàng)目防護(hù)涵斷面尺寸見表1。

表1 本項(xiàng)目防護(hù)涵斷面尺寸

5 防護(hù)涵抗浮設(shè)計(jì)

如圖2所示，防護(hù)涵可能處于全浸沒狀態(tài)(d1≤d2)、大部分浸沒狀態(tài)(d2

W≥KF

(1)

W=W1+W2+W3+W4+W5+W6

(2)

F=γA

(3)

A=bh

(4)

式中W——單位長度防護(hù)涵重量及涵頂覆土壓重之和，kN/m

K——穩(wěn)定安全系數(shù)，取1.1

F——單位長度防護(hù)涵承受的浮力，kN/m

W1——單位長度防護(hù)涵主體結(jié)構(gòu)自重，kN/m

W2——單位長度防護(hù)涵內(nèi)燃?xì)夤艿兰捌鋲褐貕K重量，kN/m

W3——單位長度防護(hù)涵內(nèi)隔墻重量，kN/m

W4——單位長度防護(hù)涵內(nèi)填砂及支墩重量，kN/m

W5——單位長度防護(hù)涵均攤兩端密封墻體及過梁重量，kN/m

W6——單位長度防護(hù)涵涵頂覆土壓重，kN/m

γ——水的容重，kN/m3，取9.81 kN/m3

A——防護(hù)涵主體橫斷面外輪廓面積，m2

通過公式(2)～(4)計(jì)算防護(hù)涵重量(W1～W5)、涵頂覆土壓重W6及其承受的浮力F，可驗(yàn)算公式(1)是否成立，即得知防護(hù)涵最不利受力狀態(tài)即全浸沒狀態(tài)(d1≤d2)時(shí)是否穩(wěn)定。若不滿足公式(1)的要求，則通過逐步減小h1及b3后再驗(yàn)算，直到滿足公式(1)為止。

公式(2)中，考慮到隨著時(shí)間的推移，防護(hù)涵兩端可能因密封不嚴(yán)而滲水，故W2計(jì)入了燃?xì)夤艿揽垢∷璧膲褐貕K的重量。燃?xì)夤艿揽垢“次墨I(xiàn)[1]對(duì)水下管段穩(wěn)定性的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，本文不再冗述。其中，單位長度燃?xì)夤艿乐亓咳?.67 kN/m，穩(wěn)定安全系數(shù)取1.1。

本項(xiàng)目按圖2所示d2取0.3 m時(shí)進(jìn)行驗(yàn)算。根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的附錄A，涵頂覆土(濕黏土)的容重取18 kN/m3，涵內(nèi)填充細(xì)砂的容重取14 kN/m3，普通磚的容重取19 kN/m3，鋼筋混凝土的容重取25 kN/m3，計(jì)算出W1～W6分別為166.75、4.93、5.62、26.05、4.81、23.22 kN/m，代入公式(2)，得出W為231.38 kN/m。經(jīng)公式(3)、(4)計(jì)算，全浸沒狀態(tài)(d1≤d2)時(shí)，浮力F為185.61 kN/m?？芍?1)成立，防護(hù)涵的穩(wěn)定性(抗浮性能)滿足要求。

當(dāng)防護(hù)涵處于大部分浸沒狀態(tài)(d2