张云阳

(中国市政工程西南设计研究总院有限公司，四川成都610081)

1 工程概况

深圳市地铁4号线三期规划线路与机荷高速公路北侧DN 800 mm城镇高压燃气管道交叉，且二者高程冲突。参建各方议定，燃气管道改迁绕行至机荷高速公路南侧浸水地区，从地下穿越地铁。考虑到若采用套管穿越地铁，套管自重不足以抗浮，故确定在预定位置采用防护涵穿越地铁，防护涵及燃气管道先明挖施工，地铁后施工。本工程从2018年建成投产至今的运行情况表明，在浸水地区采用防护涵穿越地铁是安全、可靠的。本文结合该工程对防护涵的设计要求、防护涵抗浮等进行探讨，文中所述浸水地区指地下水位较高的地区，不包含沼泽地区。

2 主要遵循和参考的规范

GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》对燃气管道采用防护涵穿越地铁(含铁路)未作具体规定。防护涵设计应遵循TB 10063—2016《铁路工程设计防火规范》(以下简称TB 10063—2016)及国家能源局、国家铁路局联合发布的国能油气[2015]392号《油气输送管道与铁路交汇工程技术及管理规定》(以下简称国能油气[2015]392号)的规定，并参照执行GB 50423—2013《油气输送管道穿越工程设计规范》(以下简称GB 50423—2013)的相关要求。

值得注意的是，TB 10063—2016的相关内容是参考国能油气[2015]392号制定的，二者要求基本一致，但TB 10063—2016未规定防护涵施工须采用何种工法，而国能油气[2015]392号所指防护涵则为顶进防护涵。

本项目中，燃气管道及防护涵先于地铁施工，采用明挖工法，根据上述规范及规定的要求，防护涵设计应主要遵循TB 10063—2016的相关规定。

3 防护涵与地铁隧道位置关系

本项目中，在水平方向防护涵垂直穿越地铁隧道。防护涵及隧道工法均为明挖施工。总体施工按照先下后上顺序，先施工防护涵及燃气管道，再打灌注桩，最后建设地铁隧道。防护涵与施工期隧道的位置关系见图1。

图1 防护涵与施工期隧道的位置关系

图1所示的设计地面指防护涵施工完成后按原地貌恢复的地面(以下简称设计地面)。由于防护涵穿越位置的地铁隧道大部分位于设计地面以上，因此，在隧道主体结构全部施工完成后尚须进行回填覆土及绿化作业。防护涵施工与地铁隧道回填覆土施工放线应统筹安排，即地铁隧道回填覆土施工放线须提前进场放线，对防护涵长度的要求是其两端伸出地铁隧道回填覆土的坡脚线以外不小于2 m，为此，确定防护涵长度为44 m。防护涵两端用砖墙密封，管道穿过密封墙体处在管道上方增加过梁。同时，为了保障管道运营安全，从防护涵内引出检漏管至周围平整地面，设检测井，便于定期巡检时进行检漏作业。

相关规范对防护涵与隧道之间的竖向净距无具体要求。考虑明挖施工期间对地下水环境的影响，防护涵宜尽可能浅埋。防护涵浅埋使得灌注桩及隧道施工期间防护涵顶的覆土压重较小，在地下水位较高时，防护涵可能因承受浮力过大而整体失稳。因此，笔者选择其最不利断面即埋深最小的A-A断面进行相关分析。

4 半填充防护涵

防护涵通常分为半填充防护涵和不填充防护涵两种形式。半填充是指在防护涵内充填砂(土)将穿越管道埋入其中，并设置验收(或检修)通道，保留运营期内检修管道的可能性。不填充是指将管道架空安装于防护涵内。

TB 10063—2016第4.1.5条规定，防护涵内宜保留验收通道，宜采用填充方式，未填充的应在涵洞两端设检查井。

基于TB 10063—2016针对防护涵内部空间同时提出“宜保留验收通道”和“宜采用填充方式”规定的考虑，笔者认为TB 10063—2016规定的防护涵填充方式应理解为半填充。本项目现场周边环境受限，不便设置通行用的检查井，故采用半填充防护涵，即防护涵内砌隔墙，设置检修通道，燃气管道采用支墩固定、填砂覆盖并加压重块。具体布置即A-A断面见图2。防护涵主体为钢筋混凝土结构，混凝土强度等级为C40，抗渗等级为P8，垫层采用厚度为200 mm的 C20素混凝土，压重块采用马蹄形的C25钢筋混凝土预制件，隔墙材料采用普通砖。

图2 A-A断面

图中h1——防护涵内填砂表面至涵内顶的高度，m

h2——防护涵内底至填砂表面的高度，m

h0——防护涵内净空高度，m

h——防护涵主体断面高度，m

D——燃气管道外直径，m

b1——燃气管道左外壁至防护涵左墙内墙面的宽度，m

b2——燃气管道右外壁至隔墙外墙面的宽度，m

b3——检修通道即隔墙外墙面至防护涵右墙内墙面的宽度，m

b——防护涵主体断面宽度，m

δ1——防护涵顶板厚度，m

δ2——防护涵底板厚度，m

δ3——防护涵左(右)墙厚度，m

d1——设计地面到地下水位线的距离，m

d2——设计地面到防护涵外顶的距离，m

d3——设计地面到防护涵水平中轴线的距离，m

d4——设计地面到防护涵外底的距离，m

根据TB 10063—2016第4.1.5条，防护涵内检修通道的宽度b3不宜小于1.0 m，防护涵内填砂表面至防护涵内顶的高度h1不宜小于0.5 m，防护涵内净空高度h0不宜小于1.8 m。考虑预留以后的发展空间，本项目提高了设计标准，将h1取值为2.0 m，h0取值为3.5 m，b3取值为1.5 m。本项目防护涵断面尺寸见表1。

表1 本项目防护涵断面尺寸

5 防护涵抗浮设计

如图2所示，防护涵可能处于全浸没状态(d1≤d2)、大部分浸没状态(d2

W≥KF

(1)

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

(2)

F=γA

(3)

A=bh

(4)

式中W——单位长度防护涵重量及涵顶覆土压重之和，kN/m

K——稳定安全系数，取1.1

F——单位长度防护涵承受的浮力，kN/m

W1——单位长度防护涵主体结构自重，kN/m

W2——单位长度防护涵内燃气管道及其压重块重量，kN/m

W3——单位长度防护涵内隔墙重量，kN/m

W4——单位长度防护涵内填砂及支墩重量，kN/m

W5——单位长度防护涵均摊两端密封墙体及过梁重量，kN/m

W6——单位长度防护涵涵顶覆土压重，kN/m

γ——水的容重，kN/m3，取9.81 kN/m3

A——防护涵主体横断面外轮廓面积，m2

通过公式(2)～(4)计算防护涵重量(W1～W5)、涵顶覆土压重W6及其承受的浮力F，可验算公式(1)是否成立，即得知防护涵最不利受力状态即全浸没状态(d1≤d2)时是否稳定。若不满足公式(1)的要求，则通过逐步减小h1及b3后再验算，直到满足公式(1)为止。

公式(2)中，考虑到随着时间的推移，防护涵两端可能因密封不严而渗水，故W2计入了燃气管道抗浮所需的压重块的重量。燃气管道抗浮按文献[1]对水下管段稳定性的计算方法进行计算，本文不再冗述。其中，单位长度燃气管道重量取3.67 kN/m，稳定安全系数取1.1。

本项目按图2所示d2取0.3 m时进行验算。根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》的附录A，涵顶覆土(湿黏土)的容重取18 kN/m3，涵内填充细砂的容重取14 kN/m3，普通砖的容重取19 kN/m3，钢筋混凝土的容重取25 kN/m3，计算出W1～W6分别为166.75、4.93、5.62、26.05、4.81、23.22 kN/m，代入公式(2)，得出W为231.38 kN/m。经公式(3)、(4)计算，全浸没状态(d1≤d2)时，浮力F为185.61 kN/m。可知公式(1)成立，防护涵的稳定性(抗浮性能)满足要求。

当防护涵处于大部分浸没状态(d2