“装配式建筑”建设地下市政综合管廊优点

1 采用 装配式建筑 工法 建设地下综合管廊的优点 北京市市政专业设计院 曹生龙 论文摘要 国内地下市政管线常用现浇法施工 缺点较多 近年大型预制混凝土涵管发展很快 采用现 场装配施工 在上海世博会地下综合管廊等工程中应用 具有质量好 工期短 成本低 环 保绿色等优点 既可用于开槽法施工 也可用于顶管法施工 对城市地下综合管廊的建设有 较大的意义 预制混凝土涵管 除了传统的圆形及矩形外 已开发出各种异形混凝土涵管 有 三圆拱涵 四圆拱涵 圆弧涵 椭圆涵 等各种形式的涵管 可以满足各种管线 各种 工况条件的不同要求 关键词 地下综合管廊 装配式建筑 工法与现浇工法对比 大型预混凝土涵管类型 2013 年以来国务院 国务院办公厅 发改委 住建部等国家机关发了多个文件 针对长期存在的城 市地下基础设施落后的突出问题 从我国国情出发 借鉴国际先进经验 在城市建造用于集中敷设电力 通信 广电 给排水 热力 燃气等市政管线的地下综合管廊 作为国家重点支持的民生工程 这是创 新城市基础设施建设的重要举措 不仅可以逐步消除 马路拉链 空中蜘蛛网 等问题 用好地下 空间资源 提高城市综合承载能力 满足民生之需 而且可以带动有效投资 增加公共产品供给 提升 新型城镇化发展质量 打造经济发展新动力 李克强总理在十二届四次人代会工作报告中提出 要加强城市规划建设管理 开工建设城市地下综 合管廊 2000 公里以上 积极推广绿色建筑和建材 大力发展钢结构和装配式建筑装配式建筑 提高建筑工程标准和 质量 打造智慧城市 改善人居环境 使人民群众生活得更安心 更省心 更舒心 十三五规划 期间国家百项重点工程中三项为 建设一批新型示范性智慧城市 一批示范性 绿色城市 生态园林城市 森林城市 建设海绵城市 建设地下管廊建设地下管廊 网 李克强总理在十二届四次人代会的工作报告 十三五规划 等对我国市政 电力 水务的规划 设 计 制造 施工等诸多部门提出了从未有过的高度要求 我们应响应国务院所作的决定 做好我们的工 作 为加强城市基础设施建设加强城市基础设施建设作出应有贡献 1 1 装配式建筑 工法建设地下综合管廊的优点 2 1 1 装配式建筑 工法与现浇工法的比较 当前地下管线 综合管廊施工方法主要是现浇和预制装配两种 两种工法的差异比较如下 国内采用现场浇筑方法施工的箱形 拱形混凝土涵管 在铁道 交通 水利工程和城市地下市政综 合管廊中己多年 得到较多应用 现浇混凝土的缺点是 只能采用开槽法施工 不能适应顶管需求 施工作业时间长 现场湿作业工作量大 需较长的混凝土养护增强时间 开槽后较长时间不能回填 在城市中不利于道路建设缩短施工工期 满足快速放行交通的要求 在现场制作中 地下水对施工有较大影响 需将地下水降至底板标高以下 才能浇筑混凝土基础 增加施工成本 也不利于生态环境的保护 现场制作的混凝土抗渗性能不如工厂内制作的混凝土 容易局部发生渗漏 影响管道的使用功能 现浇混凝土涵管易出现裂缝 涵体侧壁通裂等 裂缝会引起渗漏 影响结构应力状态 如结构物所 处环境具有侵蚀性介质 介质通过裂隙浸入结构 引起钢筋的锈蚀 影响构筑物承载能力和耐久性 缩 短地下管道和综合管廊的使用年限 现场制作的混凝土涵管按一定长度 约 20m 分段 分段间采用橡胶止水带连接 其缺点有 橡胶止水带形式接口抗地基不均匀沉降能力差 涵管在顶部复土及附加荷载作用下 引起涵管接 口发生上下错位和翘曲变形 造成涵管接口止水带变形 在涵管接口混凝土与橡胶止水带之间产生裂隙 严 重时止水带被拉裂 橡胶止水带耐压力差 如输送液体介质 只能在低压状态下工作 一般只用于无压管道 有压管 道中易被击穿 混凝土涵管止水带接口施工质量不易保证 往往由于止水带部位混凝土捣固不密实而留下暗渗漏 通道 引起涵管接口渗漏 现场制作的管道分段间隔长度大 地基如有不均匀沉降 或受外荷载 如地震 作用 易发行折断 因此要求提高管道纵向基础承载力 涵管纵向配筋量也需加大 现场制作生产条件差 图片 1 图片 2 影响质量 结构计算中要加大安全度 增加材料用量 3 图片 1 现浇施工 图片 2 预制装配施工 现浇施工需留支模空间 土方量增大 现浇工法总体造价与预制装配式施工工法大致相当 1 2 有关 装配式建筑 工法与现浇工法比较的国内报导 上海世博会地下综合管廊现浇工法与 装配式建筑 工法实例的工期与经济分析 上海世博会地下综合管廊选用两种施工工法 现浇和预制混凝土箱涵现场装配工法施工 工程中 详细比较了不同工法的施工工期和工程费用 列举如下 整体式现浇段总长 6 2km 预制装配式混凝土综合管廊作为试点选取了总长 200m 施工工期与施工 费用以一个标准段 25m 长度作为标准施工段工期与成本的分析 研究预制装配式混凝土综合管廊的经济 性 工期分析 预制装配式混凝土综合管廊可以分为场 现场 内 场外施工两部分 现浇混凝土整体式综合管廊 的所有施工作业均为场内施工 两者场内相同施工部分为基坑开挖与支护体系成型 包括素混凝土垫层 施工 地下综合管廊主体结构施工以及回填土方与支护体系拆除等主要环节 在基坑开挖与支护体系成 型以及回填土方与支护体系拆除环节中 预制装配式混凝土综合管廊与现浇混凝土整体式综合管廊的施 工工艺和技术要求基本相同 没有明显的工期差别 而在地下综合管廊主体结构的施工环节中 两者的 施工工艺截然不同 工期差别明显 预制装配式混凝土综合管廊的主体结构施工大部分在场外完成 管 节的吊装 拼装等工序施工效率高 所需工期较短 而现浇混凝土整体式综合管廊的主体结构施工则全 部在场内完成 占用了大量现场工期 是总工期的重要组成部分 施工中一个标准段对比 预制装配式预制装配式 混凝土综合管廊的施工工期比现浇混凝土整体式综合管廊缩短混凝土综合管廊的施工工期比现浇混凝土整体式综合管廊缩短 18d18d 左右 缩短近左右 缩短近 45 45 工期工期 施工成本分析 基坑开挖与支护成本 其中土方费用为一次性费用 不随工期长短发生变化 而钢板桩及其围檩与 4 内支撑的租赁费用一般按租期计算 受施工工期影响较大 且单价相对较贵 一个标准段相比 预制混 凝土综合管施工工期约为 22d 现浇混凝土整体式综合管廊约为 40d 预制装配式混凝土综合管廊的开挖 土方与支护费用为 4 5 万元 现浇混凝土整体式综合管廊为 7 0 万元 降低 2 5 万元 主体结构成本一个标准段 预制装配式混凝土综合管廊为 25 万元 现浇混凝土整体式综合管廊为 23 9 万元 增加了 1 1 万元 土建总成本预制装配式混凝土综合管廓为土建总成本预制装配式混凝土综合管廓为 29 529 5 万元 现浇混凝土整体式综合管廊为万元 现浇混凝土整体式综合管廊为 30 930 9 万元 相万元 相 比节约比节约 1 41 4 万元万元 25m 25m 低 低 4 4 左右 左右 环保对比 预制装配式混凝土综合管廊在现场为干作业 施工机械作业噪声低 基本不造成环境污染 施工现 场文明 有序而整洁 具有良好的节能环保效益 现浇混凝土整体式综合管廊现场包括大量湿作业 混 凝土浇筑与振捣工序噪声污染严重 对周围环境影响较大 预制装配式混凝土综合管廊施工工期缩短的社会效益更是不可估量 从上述对比 地下综合管廊施工工法现浇与预制装配相比 预制混凝土涵管装配化施工更具缩短工 期 降低成本 节能环保等较为显著的优势 上海浦江上游一期引水工程等工程 上海浦江上游一期引水工程建于 1987 年 上海水环境建设有限公司韩显明工程师于 2001 年 8 月 25 日发表于 中国市政工程 的 钢筋混凝土箱涵接口的渗漏通病及设计优化的应用研究 文章中报导 1995 年 1 月上海原水公司对白莲泾附近 100 余米倒虹吸段箱涵作停水检查 发现三分之二以上箱 涵接头有 2 5 5cm 的接口错位 并有三处 75 漏水 在一期为二期工程预建的长约 1km 箱涵的检查中 箱涵还未投入使用 已在 40 条变形缝中发现 8 条漏水 20 在国内其他输水钢筋混凝土箱涵中亦存在 上述问题 天津引滦工程长约 12 6km 曾对 4 4km 一段箱涵进行停水检修 在 185 条变形缝中渗漏水的有 90 条 约占 48 6 金山石化 12 8km 暗渠于 1980 年建成并投入使用 1986 1989 年先后检修 8 次 1992 年停水检查 发现各种渗漏 47 处 南水北调某河流倒虹吸箱涵工程 南水北调工程为国家级工程 设计使用年限 100 年 某河流倒虹吸设计为双排三孔箱涵 见图片 3 内孔宽与高均为 3 6m 顶板 底板厚 1000mm 外侧墙厚 800mm 内侧墙厚 600mm 2014 年夏为迎接秋季 全线通水 停水检查 发现在 0 2Mpa 低压作用下 通水 5 年即有三处止水带被击穿 橡胶止水带接口的 5 使用年限远不能达到南水北调使用年限一百年的指标 图片 3 南水北调某河流倒虹吸箱涵 部分有关箱涵施工质量事故的报导 上述某河流倒虹吸箱涵施工初期 每隔 3m 7m 出现贯穿性裂缝 外侧壁竖向由下至上长 3m 左右 的通裂 缝宽 0 5mm 0 9mm 起始于底板与侧墙接缝处 终止于侧墙与顶板相交处 施工质量缺陷报导的有关工程实例 辽宁省交通勘测设计院朱朝东发表于 东北公路 箱涵开裂及补强措施 中铁十七局孙江民等发表于 施工技术 钢筋混凝土框架箱涵施工裂缝的分析与控制 广东茂名城建设计院李勇等发表于 建筑安全 浅谈箱涵裂缝问题及控制 中铁二十二局曲世安发表于 建筑工程 谈混凝土箱涵施工裂缝原因的分析 徐培利发表于 山西建筑 压力箱涵的裂缝控制及防渗措施 这样的文章很多 不一一列举 据业内人士反映 现浇混凝土箱涵 80 90 都存在质量缺陷 运行隐 患 箱涵管道工程投资很大 如果使用几年后就需不断维修 应该是难以接受的 1 3 采用 装配式建筑 工法建设综合管廊的优点 预制装配化施工综合管廊 既可采用开槽施工 也可采用顶管施工 在城市中施工地下管道极其重 要 管道主体结构在专业工厂内完成 产品质量有保证 在有水的条件下也能施工 图片 4 不需降水 6 图片 4 正在水中施工的箱涵 管道主体结构在施工场地外完成 现场装配速度快 一般工程可不作混凝土底板基础 前面安装涵 管 后面即可还土 恢复交通 因而可实施城市系列快速施工工法 接口采用预应力混凝土输水管的接口形式 接口能满足 2Mpa 水压要求 闭水性能好 带胶圈的接口是柔性接口 如地基发生一定量的不均匀沉降 接口仍具备闭水性能 是管道抗震作用最佳的结构形式 上述对比可知 地下混凝土管道施工工法现浇与预制装配相比 预制混凝土涵管装配化 装配式建 筑 工法 施工具有保证质量 缩短工期 降低成本 节能环保等较为显著的优势 应作为建设地下综合 管廊的首选施工工法 2 2 用于地下综合管廊用于地下综合管廊 装配式建筑装配式建筑 工法施工的混凝土涵管类型工法施工的混凝土涵管类型 2 1 预制装配化混凝土涵管类型 国外用于地下综合管廊的管型如图片 5 所示多种多样 他们多是按管道的功能选定涵管的断面形状 而且常以预制构件在现场装配的方法施工 用于地下综合管廊的预制混凝土涵管的管型对建设综合管廊的工期 建设费用等有重大的影响 应 设计 选用适宜用于综合管廊的预制混凝土涵管 国内用于大型地下管道的预制混凝土涵管断面形式如图片 6 图片 10 所示有多种型式 分别为圆形 圆管或管片 矩形 箱涵 三圆拱形 三圆拱涵 四圆拱形 四圆拱涵 弧线组合形 弧涵 椭 圆形 椭涵 等 可以按要求分割为单仓 双仓或三仓 7 图片 5 国外用于地下综合管廊的断面形状 a b 图片 6 圆形断面地下综合管廊 a 圆管 b 盾构 8 图片 7 矩形断面地下综合管廊 图片 8 三圆拱断面地下综合管廊 图片 9 多弧组合断面地下综合管廊 图片 10 四圆拱断面地下综合管廊 2 2 地下综合管廊用预制混凝土涵管管型比选 断面形状比选 圆形涵管 圆形混凝土涵管制造工艺成熟 生产方便 结构受力有利 材料使用量较少 成本较为低廉 因而 广泛用于输水管中 然而在地下综合管廊中应用的缺点是 圆形断面中布置管道不尽方便 不能有效利 用空间 空间利用率低 至使在管廊内布置相同数量管线时圆管的直径需加大 增加工程成本 也增加 了对地下空间断面的占用 为此一些大城市开始开发异形混凝土涵管作为电力 热力等管线的套管和地 下综合管廊的管材 矩形涵管 矩形混凝土涵管 称为箱涵或方涵 因其形状简单 空间大 可以按地下空间要求改变宽和高的尺 寸 布置管线面积利用充分 因而至今是用得最多的一种管型 缺点是结构受力不利 相同内部空间的 涵管 用钢量和混凝土材料用量较多 成本加大 9 异形 三圆拱涵 四圆拱涵 多弧拱涵等 涵管 异形混凝土涵管即是为抑制圆形和矩形混凝土涵管的缺点 综合其优点而研制开发适用于地下综合 管廊的新型混凝土涵管 这三类涵管的特点 顶部都是近似于圆弧的拱形 结构受力合理 地下综合管廊大多宽度要求大 这三类涵管可以通过合理选用断面形状提高涵管承载力 因而使用这类异形混凝土涵管节省较多材料 可以按照地下空间使用规划 调整异形涵管的宽和高 合理占用地下空间 可按照进入管廊的管线要求 设计成理想的断面形状 优化布置 减小断面尺寸 异形混凝土涵管接头全部使用橡胶圈柔性接口 能 承受 1 0 2 0MPa 以上的抗渗要求 在地基发生不均匀沉降 顶进法施工中发生转角或受外荷载 地震 等 作用管道发生位移或转角时 仍能保持良好的闭水性能 抗地震功能极强 也可类似圆管那样 利 用其接口在一定转角范围内具有良好的抗渗性 设计敷设为弧线形管道 图 11 这三类涵管外形均可设 计成弧线形 因而顶进法施工中降低对地层土壤稳定自立性要求 克服了矩形涵管的缺点 也可使用于 顶进法施工工程中 图 11 利用箱涵柔性接口的允许转角 弧线顶进中管道的内景 预制异形混凝土涵管都带有平底形管座 相当于在管上预制有混凝土基础 与圆管相比 可降低对 地基承载力的要求及提高涵管承载能力 管道回填土层夯实易操作 加快施工速度 保证密实效果 简 化施工 减少费用 在不良地基软弱土层中应用 更显其优越性 一般进入综合管廊的高压电力电缆要求单独置仓 避免对通信等设施的干扰 也为保障安全 因而 随着综合管廊建设发展 单仓的形式将为双仓及三仓所取代 圆形涵管如需改为双仓 传统的生产工艺 不能用于制造双仓的圆管 如采用立式振动等工艺生产 那么不应再采用圆形断面 可设计为优点更多 的异形涵管 生产双仓 三仓异形混凝土涵管工艺上并无难度 分割成多仓后 功能上更能满足进入管 廊管线要求 而结构上内力减小 材料用量更少 成本可下降 从上述比选 三圆拱涵 四圆拱涵 多弧拱涵等异形混凝土涵管较圆形和矩形断面涵管在地下综合 10 管廊中应用有更大的优势 在地下综合管廊建设中可更多选用异形混凝土涵管 接口形式 混凝土涵管的连接方式是形成管道质量的重要因素 混凝土涵管的连接方式应保证 在管道全寿 命过程中接口密封的可靠性 混凝土涵管的连接方式应能适应施工工艺的要求 可用于开槽施工工法 也能用于不开槽顶进工法施工 混凝土涵管的连接应便于生产制造 混凝土涵管的连接方式形式 简单 成本低廉 混凝土涵管连接形式主要有两种 构件间带有纵向锁紧装置 纵向串接接口 的连接 构件间无约束 锁紧装置的连接 构件间无约束锁紧装置的连接又分为刚性接口和柔性接口 带有纵向锁紧装置的连接 纵向串接方式 涵管端面压缩胶圈密封 带有纵向锁紧装置的连接把每节管子连接成整体 所用的方法即是在涵管中预留穿筋孔道 管节安 装时穿入高强钢筋螺杆或钢绞线 经张拉锁紧 管节就被串联成有一定刚度的整体管道 用以抗御基础 不均匀沉降 遇水膨胀胶圈 纵向连锁钢筋 图片 12 密封胶圈与穿筋孔 图片 13 端面压缩胶圈密封形式 因各节涵管纵向具有压力 故此类管道常用管子端面压缩胶圈作接口密封形式图片 12 图片 14 接 口密封材料需用遇水膨胀胶圈 11 图片 14 混凝土箱涵纵向预应力钢筋张拉连接方法 纵向串接可以在两个管节之间连接 也可在施工条件允许下 在多个管节间实施连接 如图片 15 所 示 以减少操作工序 加快施工工程进度 图片 15 多个箱涵纵向连接示意图 弧号外数字 构件长度为 1 5m 弧号内数字构件长度为 2m 弧形管道施工方式如图片 16 所示 按转弯半径制作有一定角度异形箱涵 图片 16 箱涵弧线铺设时的连接 带有纵向锁紧装置的连接 纵向串接方式 使涵管连接成为一个整体的管道 当管道基础发生沉 降时 纵向串接筋施加的预应力作用在整个箱涵断面上 可以以此平衡基础沉降应力 构件间无约束锁紧装置的连接 管节间不带纵向锁紧装置 依赖承口与插口工作面斜面的间隙压缩胶圈密封涵管的接口 因而称之 为 工作面压缩胶圈密封 形式 构件间无约束锁紧装置的连接管节 又分为刚性接口和柔性接口方式 接口形式主要有以下几种 a 12 小企口接口 用砂浆或弹性材料密封 见图片 17 b 大企口胶圈密封接口 其分为带胶圈槽的接口和 无胶圈槽接口 单胶圈密封和双胶圈密封接接口 c 钢承口接口 与大企口密封接口相同可分为带胶圈 槽的接口和无胶圈槽接口 单胶圈密封和双胶圈密封接接口 见图片 18 接口密封填料 图片 17 涵管常用接口形式示意图 a 小企口接口的插口 b 小企口接口的承口 c 小企口接口连接形式 图片 18 混凝土涵管典型接口型式 a 单胶圈柔性接口 b 带胶圈槽双胶圈柔性接口 c 钢承口插口带钢箍单胶圈柔性接口 d 钢承口插口带钢箍双胶圈柔性接口 e 钢承口双胶圈柔性接 f T 形钢承口双插口胶圈柔性接口 构件间有约束锁紧装置与工作面压缩胶圈密封组合连接 应用在综合管廊中的箱涵 管道中安装有上水 中水与供热管线 此类管线大都以钢材制作 大型 综合管廊为避免在此类管线中引起纵向应力 要求限止箱涵管道的沉降变形 故而我们设计了工作面压 13 缩胶圈密封方式与纵向串接方式相接合的接口 构件间有约束锁紧装置与工作面压缩胶圈密封组合连 接 承口工作面 图片 19 构件间有约束锁紧装置与工作面压缩胶圈密封组合接口承口形式 此种接口即能分别用作工作面压缩胶圈密封接口 纵向串接端面压缩胶圈密封接口 又能形成工作 面压缩胶圈密封方式与纵向串接相接合的接口 是我国独创的用于混凝土涵管的新型接口 2 2 预制混凝土涵管大型地下管道工程实例 沈阳市浑南新城地下综合管廊 是为2013年全运会服务的重点工程 一期工程建设总长约20千米 主要纳入220千伏 66千伏电缆及 通信电缆 工程施工工期短 质量要求标准高 原设计全部为现浇施工 主线需要穿越沈营路路口 沈中大街 路口等多个交通量大人员密集的道路平交路口 采用现浇法施工每个路口至少需要20天的施工时间 而 采用预制方涵拼装的施工方法则只用5天就完成了过路段 大大缩短了施工工期 对道路交通造成的影响 交通堵塞 安全通行 也大大减少 因此而产生的无形综合效益是无法用经济数据进行衡量的 14 图片 20 沈阳浑南新城综合管廊 上海世博会地下综合管廊 2010 年世博会在上海召开 整个园区地下公用管线以综合管沟的形式为主 设计使用设计年限不低 于 50 年 混凝土抗渗等级 S6 全长约 6 2km 其中 西环路的综合管沟标准段管节为工厂预制 每节长 2m 现场拼装 厦门市翔安南路地下综合管廊 厦门市 2012 年 5 月 28 日翔安南路地下综合管廊工程开工兴建 全长约 10km 总投资 5 15 亿元 工 程设计大胆创新 突破矩形断面和圆形断面瓶颈 管节首次采用圆弧组合断面 断面净尺寸分别为 B H 4 3 2m B H 4 7 3 2m B H 6 0 4 2m B H 6 7 4 2m 四种规格 管节接口采用双 O 型橡 胶圈企口型柔性接口连接 密封性能 抗不