湿陷性黄土地基综合管廊的设计探讨

湿陷性黄土地基综合管廊的设计探讨樊锦仁;夏远洋【摘 要】湿陷性黄土地基是一种特殊土地基,且在我国广泛分布.目前湿陷性黄土地 基上综合管廊的设计尚存在诸多问题未得到解决或明确.本文针对综合管廊的结构 设计特点,分析综合管廊遇湿陷性黄土地基土时的破坏特征 ,并对其分类、结构形式 地基处理方法、变形缝设计等问题进行分析和探讨,结合工程案例应用提出设计建 议.期刊名称】特种结构年(卷),期】2019(036)001【总页数】5页(P40-43,48) 【关键词】 湿陷性黄土;综合管廊;结构形式;地基处理;变形缝【作 者】 樊锦仁;夏远洋【作者单位】 中国市政工程西北设计研究院有限公司 兰州730000;中国市政工程 西北设计研究院有限公司 兰州730000【正文语种】 中 文引言湿陷性黄土地区有很多已建或在建的综合管廊工程。因在管廊主体结构内敷设给水 排水、热力、雨水、燃气等各种管道,综合管廊工程为十分重要的生命线工程,按城市综合管廊工程技术规范(GB50838-2015)1 规定，其设计使用年限为100 年,安全等级为一级。作为埋地式构筑物内部敷设管道结构,虽然不会对地基产生附 加压力,但其内部的给水、热力等管道是承受内水压力的,管道的渗漏可能会引起管 廊结构的渗漏。如遇湿陷性黄土地基,管廊结构的渗漏会使其下的地基湿陷。内含 压力管道时,管道渗漏会使其下湿陷性黄土地基受水浸湿的可能性更大。湿陷性黄 土在我国分布非常广泛,因地基湿陷引起的工程事故较多,也比较严重,对于大中型综 合管廊工程,由于其工程重要性高（安全等级为一级）,地基湿陷对综合管廊的不利影 响更应引起重视。综合管廊是近年来兴起的市政综合工程,湿陷性黄土地区建筑 规范（GB 50025-2004）2（以下简称黄土规范）没有相关内容和规定,所以在 该类工程的设计过程中,出现了相对较多的困扰或疑问。本文针对湿陷性黄土地区 综合管廊工程设计所存在的若干问题进行探讨,并结合某湿陷性黄土地区管廊工程 地基处理措施示例,为类似工程提供参考。1 湿陷性黄土地基管廊主体结构的破坏特征 地基湿陷由浸水引起,湿陷性黄土地区综合管廊地基湿陷可能有3 种情形: 1）环境水, 如雨水、地面流水、构筑物渗漏水等引起地基土湿陷;2）管廊内管道漏水经接口漏 出引起地基土湿陷;3）管廊内管道漏水经管廊结构混凝土裂缝漏出引起地基土湿陷。 管廊主体一般不会对地基产生附加压力,湿陷性黄土地基不会因其自身承载力不足 而产生破坏,而地基土湿陷变形是造成管廊主体结构破坏的主要原因。湿陷性黄土 结构复杂,湿陷破坏形式多样,其变形表现形式是一种下沉量大、下沉速度快的失稳 性变形。湿陷性黄土自身的破坏引起的管廊主体结构破坏通常是突发性的,其主要 破坏特征为: 1）地基土湿陷使管廊主体结构随地基产生过大变形、裂缝、屈曲或屈 服;2）地基土湿陷使管廊主体结构担空,受力状态方式变化并产生过大变形、裂缝、 屈曲或断裂;3）地基土湿陷使综合管廊变形缝处发生过大转角。4）地基土湿陷使综 合管廊变形缝发生过大垂直错位。2 湿陷性黄土地基综合管廊结构设计特点2.1 综合管廊分类 根据黄土规范2第3.0.1 条,综合管廊类别划分主要依据其重要性和地基受水 浸湿可能性的大小两点进行划分。除工程规模（内含管道的管径、管材,内水压力、 接口形式）是影响地基受水浸湿可能性的主要因素外,管廊本身结构形式、接缝形式 等对其影响也十分显著。目前对于管廊类别的划分大多止于定性,在定量上划分观 点还比较混乱,造成设计人员难以把握分寸。笔者在长期设计实践中认为湿陷性黄 土地区城市综合管廊的分类宜按表1 划分为甲、乙、丙三类。表1湿陷性黄土地区综合管廊分类Tab.1 Utility tunnel classification in collapsible loess area 注: 工程规模的划分可参照国家标准工程设计资质标准 分类各类综合管廊的划分甲1内含大型给水工程（管径1600mm）、排水或雨水 工程（管径1500mm）、热力工程（管径800mm）管道;2.不设缝装配式结构3综合 管廊本体作为雨、污水舱室时，仓净宽或净高1500mm。乙1.内含中型给水工程 （管径为1000mm 1600mm）、排水工程或雨水工程（管径为1000mm 1500mm）、热力工程（管径为400mm 800mm）管道;2.设缝装配式结构3综合管 廊本体作为雨、污水舱室时，仓净宽或净高为1000mm1500mm。丙除甲、乙 类外的小型综合管廊工程。2.2 地基处理厚度及范围 对于综合管廊,地基处理设计主要是处理厚度的确定。 一般来说,地基处理的目的是为保证地基土不发生由于浸水湿陷引起的失稳性变形 导致城市综合管廊破坏。在湿陷性黄土地区,因综合管廊不产生附加地基应力,地基 处理厚度是以消除全部或部分湿陷性为主,大多不考虑提高地基的承载力,其厚度取 决于湿陷类型、湿陷等级、湿陷下限等因素。总体来说,湿陷等级越大,湿陷下限越 深。对于非自重湿陷性黄土,主要控制下部未处理湿陷性黄土层的湿陷起始压力值,一般不应小于100kPa淇处理厚度及剩余湿陷量的控制应按建构筑物执行黄土规范,本文不再详述,另建议在非自重湿陷性黄土场地,综合管廊的地基处理最小厚度不小 于 0.5m。在自重湿陷性黄土场地,由于综合管廊埋置深度一般较深（覆土+管廊总高）,部分湿陷 性土层已经挖除,所以其地基处理是以控制下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量 为主。参考黄土规范,甲类综合管廊建议消除地基全部湿陷量;乙类综合管廊建 议消除部分湿陷量，控制剩余湿陷量不大于150mm ;丙类综合管廊建议消除部分湿 陷量，控制剩余湿陷量不大于200mm。除剩余湿陷量控制要求之外,建议在自重湿 陷性黄土场地，综合管廊的地基处理最小厚度不小于1m。当遇大厚度湿陷性黄土 地基时,建议参照甘肃省地方标准大厚度湿陷性黄土场地工程处理技术规程 （DB62/T25-2012）进行设计。综合管廊建设场地受限,基坑开挖宽度较狭窄,处理范围无法按黄土规范的要求 确定。建议在自重湿陷性黄土场地,处理范围为每边超出底板外边缘的距离不小于 处理厚度的1/3且不小于1m;非自重湿陷性黄土场地,处理范围为每边超出底板外 边缘的距离不小于 0.5m 或基坑底宽。2.3 地基处理方法 确定了地基处理厚度,就可以考虑地基处理方法的选择问题。针对湿陷性黄土地基 处理的方法很多,设计人员应根据湿陷性黄土层的类别、湿陷等级、地基处理厚度 和土的天然含水量（或饱和度）等,并考虑施工设备、施工进度、材料来源和当地环境 等因素,经技术经济综合比较后进行确定。常用的地基处理方法有垫层法、强夯法、 挤密法、预浸水法等。根据实践经验,由于综合管廊工程大多处于旧城改造或新城开发地块,采用强夯法和 预浸水法对周围建（构）筑物影响较大,不推荐采用。根据工程实践,该类工程仍以垫 层法和挤密法为主。当处理厚度不大于3m时,一般采用垫层法，其填料建议优先采 用3:7灰土或2:8灰土垫层;当处理厚度大于5m时，采用挤密法更合理。由于处理范围无法满足黄土规范的要求,为避免渗漏水进入处理后地基内部,应在处理 范围边缘设置排桩式止水帷幕。2.4 结构选型及接缝目前各种结构形式的综合管廊在湿陷性黄土地区均有应用,但根据湿陷性黄土的地质特征,应优先采用变形能力强的设置伸缩缝且接口为柔性的现浇式结构形式,不宜 采用不设置伸缩缝的装配式结构形式。无论采用现浇式还是装配式,对于其变形缝, 除了设置埋入式带钢边橡胶止水带外,还应设置一道内贴式橡胶止水带,且应在接缝 位置采用专门的防水胶粘贴重叠处防水卷材,变形缝的嵌缝密封料宜采用遇水膨胀 橡胶。后浇带、施工缝、穿墙管等综合管廊薄弱部位必须采取严密的防水措施。2.5 防水措施为有效防止综合管廊在湿陷性黄土地区的湿陷破坏,综合管廊的防水系统应做到“刚柔相济”。光靠刚性防水无法彻底解决管廊的渗漏水问题,因此,还要在管廊外 层进行柔性防水处理,即附加防水层,利用防水材料的阻水性隔绝管廊内水的渗漏,进 一步达到防水的目的。根据地下工程防水技术规范(GB50108-2008)3第3.3.1条，管廊主体结构应 采取有效的由内向外的防水措施,建议防水等级采用一级,具体方法本文不做重点论 述。3 工程案例3.1 工程概况某综合管廊工程，为四舱并列布置的干线综合管廊，全长2.3km,包括污水舱、电力舱、 热力舱和综合舱。结构标准断面外轮廓尺寸为17.1m x 4.3m,廊顶覆土 3.5m 5.5m。纳入DN1000给水管道、DN500中水管道、DN700热力管道、DN1000 污水管道等地下管线。结构形式采用现浇钢筋混凝土结构,管廊全线采用开挖方式 敷设，埋置深度为7.8m 9.8m。本工程场地范围内地层结构相对复杂，勘探深度范围内地基土主要由表层耕植土 （厚度0.3m）、1黄土状粉土（厚度4.5m11.5m,湿陷系数平均0.051）、2黄 土状粉土（厚度5.00m 11.00m,湿陷系数平均0.020）、黄土状粉土（厚度 2.60m 8.40m,湿陷系数v 0.015无湿陷性）、1粉土（厚度4.60m 10.00m,湿 陷系数0.015无湿陷性）等组成。依照黄土规范综合判定，属IV级（很严重）湿 陷性黄土场地，场地最大湿陷下限深度19.55m。本工程管廊底板坐落于1层黄土 状粉土上,具体见图1。3.2 地基处理方案的选择（1）类别划分:该工程属中等规模的城市综合管廊,按表1划分应为乙类。（2）地基处理厚度及范围确定: 对于类别为乙类的城市综合管廊,地基处理为消除部 分湿陷量，控制剩余湿陷量不大于150mm。根据该工程地勘报告，计算最大湿陷下 限深度以上各土层湿陷量,该管廊底板下6m处以下的剩余湿陷量约为130mm（不 大于150mm）,据此可以确定地基处理厚度为6m。处理范围:每边超出底板外边缘 的距离取1/3处理厚度，即为2m。（3）地基处理方法的选择:根据处理厚度采用灰土挤密桩,孔内填料采用3:7灰土，孔 径500mm,孔中心距1200mm,梅花形布置。桩孔内灰土压实系数不小于0.97，孔 间挤密压实系数不小于0.93,挤密桩顶（管廊底板底）设置500mm厚灰土垫层，处理 后地基承载力特征值控制不小于180kPa。另沿处理范围边缘设置灰土排桩止水帷 幕（孔径500mm,孔中心距375mm）,具体见图2。图 1 地基处理横断面图 Fig.1 Crosssection of foundation treatment 图 2 地基处理平面示意 Fig.2 Planer diagram of foundation treatment3.3 结构选型及接口设计管廊结构形式采用现浇钢筋混凝土结构,伸缩缝间距取30mm,伸缩缝采用一级防水 设防要求。在此基础上加强防水措施,采取埋入式+内贴橡胶止水带,具体见图3。图 3 伸缩缝防水节点 Fig.3 Waterproofing of deformation joints3.4 防水措施设计除结构混凝土采用自防水措施,如混凝土强度等级取C40,抗渗等级取P8,水灰比控制不大于0.45 等措施外,还在顶、底板及壁板内侧增设防水涂料或膜等。4 结语综合管廊作为一种特殊构筑物,为方便起见,在湿陷性黄土地区其结构设计仍可参考 GB50025-2004 的原则。工程实例展示的湿陷性黄土地基处理方法,可为其他湿陷 性黄土地区地基处理提供借鉴。此外,需要注意的是,目前地基处理厚度或剩余湿陷量与综合管廊变形的关系尚缺乏 研究资料,地基处理厚度仅为经验,缺乏理论支持,需进一步研究。参考文献【相关文献】1 GB50838-2015城市综合管廊工程技术规范S.北京:中国计划出版社,2015 GB50838- 2015 Technical code for urban tunnel engineeringS.Beijing: China Planning Press,20152 GB 50025-2004湿陷性黄土地区建筑规范S.北京:中国建筑工业出版社,2004 GB 50025-2004 Code for building construction in collapsible loess regionsS.Beijing: China Architecture &Building,20043 GB50108-2008地下工程防水技术规范S.北京:中国计划出版社,2009 GB50108-2008 Technical code for waterproofing of underground worksS.Beijing: China PlanningPress,20094 钱鸿缙，王继唐，等湿陷性黄土地基M.北京:中国建筑工业出版社,1985