摘要：随着城市高层建筑、交通道路的增多，地下综合管廊越来越被当下的智慧城市所需要，本文简单阐述了国内和国外地下管廊的发展历史，并且针对第三届全国大学生岩土工程竞赛题目—城市地下管廊建造，提出四种地下管廊结构设计方案，研究不同地下管廊结构形式对承载力以及沉降的影响，为设计出经得起工程实践检验的管廊设计提供思路。
关键字：地下管廊；结构形态；沉降；材料承载力的发挥
[引言]
地下综合管廊是城市生命线工程，是维持新建城市正常运转的关键环节，为确保其使用年限中的正常使用，发挥材料的承载力和抵抗变形能力，结构形式对此有极为重要的影响。
为确保地下管廊使用年限中的正常运行，需要在工程建设包括后期运维进行全过程的耐久性管控，主要有结构的布置、结构的构造、结构材料的耐久性、排水防水措施等要点。本文将结合天津赛河北工业大学具体工程模型，阐述管廊承载力、沉降变形即耐久性要点及思考，提出实施建议。
[分析与讨论]
1.背景：
长期以来，我国很多城市的市政管线大多都是直接埋藏在道路下边，这种方法造成了地下管线凌乱，从而无法做到后期有效的管理，导致城市道路浅层地下空间拥挤而混乱。因此，加强对市政管线的管理与保护是非常必要的。地下综合管廊是将两种以上的城市管线放置于同一人工空间中，而形成的一种现代化集约化的城市基础设施。[1]
2地下综合管廊历程以及当下最主要的问题：
2.1国内
中国的地下管廊起步相对比较晚,在1958年,才在北京天安门广场下面建成了我国历史上第一条地下管廊。在1977年时期,在“毛主席纪念堂”的施工过程中又建设了一条长度为大概500m的地下管廊。在1991年,中国台北的第一条地下管廊也正式运营;2003年3月,北京中关村历时三年建成了一条长达1.9km的地下管廊,该地下管廊由上到下分为单向双车道交通环廊、支管廊和主管廊三层,配备了包括消防系统、供电系统、照明系统、监控与报警系统、通风系统、排水系统、标识系统及控制中心等基础设施,是我国地下管廊建设初期较为完善的项目之一。近年来,随着国内城市综合管廊建设环境的持续改善以及资金投入的不断加大,地下综合管廊在智慧城市的发展中已经有着重要地位。
2.2国外
大概在1833年的法国，开始出现地下综合管廊的雏形。那时候的管廊叫做“共同沟”，“共同沟”中不但包括电力、通信、自来水管道，甚至还包括了压缩空气管道等市政管线。随着“共同沟”在法国获得一定的成功之后，英国在1861年开始修建地下管廊，它修建的地下管廊容中除了电力、通信、自来水的管道外，还开创性地加入了燃气和污水的通道；在1893年，德国的城市也开始建设地下管廊，德国的地下管廊建设，是在保器前述管线的基础上，又加入了瓦斯管线。随后，西班牙、瑞典、美国、加拿大、俄罗斯、日本等世界各地都开始修建地下管廊。
可以看出，无论是国内还是国外，地下综合管廊已经不可或缺，作为地下管廊的设计施工，最基本的是内部的安全以及地上部分的沉降，在经济条件下，地下管廊的结构布置的合理与否成为评判的关键。
3设计目标及测试方法
3.1设计理念
设计出便于施工，便于后期管理、检查维修且造价经济，在考虑经济因素下管廊内部最为稳定的结构形态。
3.2尺寸规定
有机玻璃制作的模型槽，内壁尺寸60cm×40cm×40cm（长×宽×高），
管廊结构模型直接放置在模型箱底部。管廊制作要求：横断面内部净空间可以容纳一直径15cm×15cm的正方形，或者一直径18cm的圆形。外部大小以能够通过直径30cm的圆筒为准。
3.3测试方法
先加预压荷载，预压荷载施加时间30s。之后，预压荷载不取下，此后的加载均是在预压荷载的基础上按每级增加10kg进行；正式加载采用加砝码的方式逐级进行，每级增量10kg，两级之间静置时间间隔为30s。每级加载30s后读取4个百分表的沉降并记录，作为该级荷载的沉降值。最大加载质量为70kg（考虑预压荷载，实际最大加载为75kg）。加载到最后一级，静置2min时，读取4个百分表的沉降并记录，以其中最大沉降作为最终沉降值；
4设计方案及比较
4.1设计方案
对此，我们总共提出了四种设计方案
1方案一：上拱下矩，采用上部为三角形界面支撑拱，下部为矩形截面。由1mm厚的单层纸板制作，如图1所示
2方案二：加强壁厚的矩形
5层1mm的纸板制作，制成简单而又规则的矩形
图1 方案一模型示意 图2 方案二模型示意
3方案三：增加刚度的矩形
将矩形的两肢做成空心箱型结构
4方案四：内设支撑的矩形
在矩形中内设三道支撑
图3 方案三模型示意 图4 方案四模型示意
4.2实际加载后的沉降变形：
表1.四组方案实际加载后的沉降、质量记录表格
4.3分析比较：
管廊的成本和变形都应该作为评判管廊结构设计合理性的影响因素，结构设计的合理，故将单位材料的所能发挥的抗沉降能力作为判别结构设计合理性的因素。根据大赛提示，采用i=（30mm-实际沉降）/模型质量来计算单位材料承载力，通过数据分析，方案一i=0.02573,方案二i=0.02201，方案三i=0.01961，方案四i=0.02232，从数值角度的分析，方案一的结构最为合理。
因此，根据实际情况，我们推荐第一种方案，并且根据方案一的模型假设做了数值理论分析。
5最优方案设计思路
最优方案尺寸
（其中：上部半径5.1cm，下部矩形边长长15.6cm，高15.2cm，左右两侧壁厚3mm，顶部三角接触处2mm，其余部分壁厚1mm）
由圆拱直墙隧道断面形式，引发思考。圆拱直墙隧道结构是由周边围岩和支护结构共同组成并相互作用的结构体系，隧道属于典型的地下工程结构，与管廊受力特性类似。类比隧道断面形式，我们在此基础上，提出了在其拱形内部增加三角形支撑的截面形式，以增加结构的稳定性以及减少沉降变形。
6最优方案计算书
6.1．系数测定
根据组委会提供的关于比赛中所用砂土、灰底白纸板等的描述，结合我小组所用材料，本组成员进行了砂土的压缩试验，天然坡度仪等试验，确定了砂土的相关参数。
砂土粒径范围：0.2mm~1.0mm
砂土的密度ρ=1.434g/cm3，内摩擦角φ=33。，压缩模量Es=6MPa，
灰底白纸板的弹性模量E=150MPa，泊松比μ=0.28
6.2.管廊顶部变形：
（1）
其中：a——利用等面积法换算出截面对应的管廊半径，a=0.085m；
θ——计算管廊顶部变形取90。；
σz——作用在管廊顶部的竖向荷载，包括土层表面砝码重量P传递至管廊顶面的压力σz1和管廊顶面以上砂土的自重应力σz2，即：
，kPa；
σz1——按土层压力扩散原理计算的管廊顶面上的压力，压力扩散角取30º，kPa；
（2）
（3）
——管廊侧面砂土产生的侧应力，侧压力系数取0.5，kPa；
（4）
6.3.管廊顶部砂土的沉降
（5）
式中，σz0——土层顶面砝码每级加荷压力10kg产生的压力；
6.4.最终沉降计算结果：
管廊变形：
砂土沉降变形：
6.5.误差分析
1人工模型制作精准度不足（其中三角形支撑与顶部拱形存在一定间隙）
2所作模型的材料受力、变形性能不均匀
3数据测量误差
4系统误差
[结语]
我国正在加大城市综合管廊在市政基础设施建设中的推广力度,积极推广绿色、经济建筑与建材,提高建筑工程标准和质量。开发更加适合地下管廊的拼装结构迫在眉睫,打造智慧城市,改善人居环境要求刻不容缓，因此，本文从实际模型的受力以及理论分析的基础上，推荐上拱下矩的结构形式，这种结构形态施工方便并且单位质量的抗沉降能力良好，能够发挥结构的优势，希望能够为相关从业人员提供地下综合管廊设计和施工的思路,助推新型智慧城市的建设。
参考文献
[1]钱七虎，陈晓强，国内外地下综合管线廊道发展的现状、问题及对策[J].地下空间与工程学报，2007
论文作者:王雨薇
论文发表刊物:《基层建设》2019年第19期
论文发表时间:2019/9/22
标签：地下论文; 结构论文; 砂土论文; 方案论文; 模型论文; 荷载论文; 矩形论文; 《基层建设》2019年第19期论文;