市政交叉道路下穿地道的設(shè)計(jì)與分析

譚志成， 鄧 璐

(湖南省公路設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

隨著市政交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，為了改善交通出行狀況，緩解交通壓力，提高城市空間利用率，大量市政道路平面交叉改造為立體交叉.市政下穿地道是一種特殊的地下空間結(jié)構(gòu)，不僅可以搭建完善的交通系統(tǒng)，而且不占據(jù)地面以上空間，對(duì)街區(qū)景觀影響較小.它的應(yīng)用及發(fā)展越來越受關(guān)注.

本文以石子鋪路與星沙聯(lián)絡(luò)線交叉改造工程為背景，詳細(xì)介紹下穿地道中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗浮防水設(shè)計(jì)及基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)等技術(shù)問題.

1 工程概況

星沙聯(lián)絡(luò)線萬家麗路以西主線為快速路(雙六)，萬家麗路以東為主輔合并的主干路(雙六)，萬家麗路以東段為利用既有水渡河路拓寬展線.根據(jù)交通量預(yù)測(cè)結(jié)果，萬家麗路以東的目標(biāo)年(2035年)交通流量可達(dá)到快速路的服務(wù)水平.

圖1 目標(biāo)年流量示意圖(單位:pcu/h)

星沙聯(lián)絡(luò)線將石子鋪路與西霞路之間的機(jī)電市場(chǎng)分割成南北兩塊區(qū)域.原水渡河路與石子鋪路為平面交叉，既有石子鋪路為城市次干道，雙向兩車道，全幅寬20m，車行道寬12m.

2 工程方案設(shè)計(jì)

雖然萬家麗以東為城市主干道，但星沙聯(lián)絡(luò)線建成后，沿線開發(fā)加快、區(qū)域交通量會(huì)爆發(fā)增長(zhǎng)，其交通需求、功能和重要性足可以達(dá)到快速路的定義.為使過往車輛連續(xù)、快速通行，星沙聯(lián)絡(luò)線與石子鋪路最合理的交叉形式為分離式立體交叉.

選取石子鋪路下穿地道和上跨立交橋兩種方案進(jìn)行比選.

表1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，推薦采用下穿地道方案.既能滿足石子鋪路南北向車輛直通的要求，又具有對(duì)主線的行車視線不產(chǎn)生影響，以保證其舒適性，同時(shí)對(duì)兩側(cè)既有建筑的居民不造成視線阻隔的突出優(yōu)勢(shì).

3 下穿地道總體設(shè)計(jì)

地質(zhì)勘察報(bào)告揭示地表為1.2～14.2m厚的素填土、粉質(zhì)粘土覆蓋，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)廖田墟組含礫粉砂巖，含礫粉砂巖全風(fēng)化帶厚度大于18.6m，未曾揭露中風(fēng)化層.素填土、粉質(zhì)粘土的承載力基本容許值分別為110～150kPa、120kPa.場(chǎng)區(qū)內(nèi)人工填土層內(nèi)的上層滯水發(fā)育，無統(tǒng)一水位線，勘察時(shí)水位埋深0.5～2.2m，水量、水位動(dòng)態(tài)變化大，受大氣降水及場(chǎng)地環(huán)境變化影響大，基坑抗浮設(shè)防水位標(biāo)高建議取接近地表.

該下穿地道全長(zhǎng)330m，其中暗埋框架80.6m，U型槽249.4m，兩端接路基重力式護(hù)肩墻.地道主體結(jié)構(gòu)共分為16個(gè)獨(dú)立塊件，塊件間設(shè)3cm止水型變形縫，變形縫處主體結(jié)構(gòu)沿底板變形縫按30cm間距設(shè)置φ40mm轉(zhuǎn)力桿.暗埋框架采用單孔箱室截面,凈空為8.5m×5.6m，箱高7.1m，頂板、立墻厚70cm，底板厚80cm.U型槽采用倒“∏”型截面，全寬11.7m，凈寬8.5m，底板厚0.75～1m，根據(jù)立墻整米高度H不同進(jìn)行變化；立墻頂部1m豎直段厚50cm，底部厚度隨墻高變化，外側(cè)坡率12∶1.

圖2 下穿地道縱向分塊示意圖

圖3 暗埋框架剖面(單位:cm)

圖4 U型槽剖面(單位:cm)

4 地道結(jié)構(gòu)計(jì)算及配筋

4.1 計(jì)算圖示

地道結(jié)構(gòu)按鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，框架裂縫寬度控制值為0.15mm，U型槽裂縫寬度控制值為0.18mm.采用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件《橋梁博士V3.6》，按平面桿系進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可用簡(jiǎn)化的圖形為模型代替實(shí)構(gòu).針對(duì)框架和U型槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在地道縱向框架取一個(gè)車道加載寬度3.1m寬、U型槽取10m標(biāo)準(zhǔn)段作為計(jì)算單位[1].頂板、立墻及底板均簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧?，彈性地基用密布的彈性壓桿模擬，采用溫克爾基床系數(shù)等剛度原則換算壓桿剛度[2].

圖5 框架及U型槽計(jì)算模型

4.2 荷載分析

地道結(jié)構(gòu)的受力主要包括：結(jié)構(gòu)自重、汽車荷載、地基承載力、地下水壓力及立墻土壓力.頂板的汽車荷載按城-A級(jí)車道荷載計(jì)入，立墻和底板的汽車荷載按換算成均布土層計(jì)入；地下水壓力按靜止水壓力考慮；立墻土壓力按靜止土壓力考慮[3].

以上外力荷載并非同時(shí)作用于地道結(jié)構(gòu)上，計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)特性考慮荷載組合的多種可能性.

4.3 框架配筋驗(yàn)算

暗埋框架結(jié)構(gòu)的骨架鋼筋間距為125mm，鋼筋直徑為22mm，頂、底板除通常鋼筋外設(shè)置了上、下彎起鋼筋.

圖6 框架的強(qiáng)度及裂縫驗(yàn)算結(jié)果圖形

經(jīng)最不利工況組合計(jì)算，構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值均大于作用效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值，且截面最小富余較大，承載能力完全滿足要求.在短期效應(yīng)組合并考慮長(zhǎng)期效應(yīng)影響下，最大裂縫寬度為0.145mm≤0.15mm，滿足鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫寬度的要求.

4.4 U型槽配筋驗(yàn)算

U型槽結(jié)構(gòu)的骨架鋼筋間距為125mm，根據(jù)立墻不同整米高度配置鋼筋如下表：

表2 U型槽鋼筋配置表

圖7 6mU型槽的強(qiáng)度及裂縫驗(yàn)算結(jié)果圖形

經(jīng)最不利工況組合計(jì)算，構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值均大于作用效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值，且截面最小富余較大，承載能力完全滿足要求.在短期效應(yīng)組合并考慮長(zhǎng)期效應(yīng)影響下，立墻高度H為4m、6m和8m的U型槽最大裂縫寬度分別為0.108mm、0.113mm和0.177mm≤0.18mm，滿足鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫寬度的要求.

5 地道地基承載力及抗浮驗(yàn)算

5.1 地基承載力

地道的局部加載計(jì)算采用城-A級(jí)車輛荷載，車輛長(zhǎng)度18m，總軸重標(biāo)準(zhǔn)值700kN.暗埋框架及U型槽奠基于素填土或承載力低于150kPa的粉質(zhì)粘土之上時(shí)，應(yīng)對(duì)地基承載力進(jìn)行驗(yàn)算.驗(yàn)算公式如下：

Pz

式中Pz—底板底面處的壓應(yīng)力(kPa)；

faz—地基頂面土的承載力基本容許值(kPa).

表3 結(jié)構(gòu)基底壓應(yīng)力表

經(jīng)計(jì)算，暗埋框架底板底面處最大壓應(yīng)力為144kPa，設(shè)計(jì)要求框架地基承載力不小于150kPa，基底設(shè)置30cm碎石+10cm細(xì)石混凝土墊層，局部承載力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的對(duì)90cm深度范圍地基采用片石擠密壓實(shí)[4].U型槽底板底面處最大壓應(yīng)力為102kPa，設(shè)計(jì)要求U型槽地基承載力不小于120kPa，基底設(shè)置30cm碎石+10cm細(xì)石混凝土墊層.

5.2 抗浮驗(yàn)算

當(dāng)暗埋框架及U型槽結(jié)構(gòu)所處位置的地下水位較高時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算.其抗浮穩(wěn)定系數(shù)不宜小于1.05.當(dāng)抗浮穩(wěn)定系數(shù)小于1.05時(shí)，需采取抗浮措施，其抗浮穩(wěn)定系數(shù)不宜小于2.0.抗浮穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式如下：

Kt=γG/KFt

式中Kt—抗浮穩(wěn)定系數(shù)；

γ—荷載分項(xiàng)系數(shù)，一般取0.9；

G—結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施自重；

K—浮力折減系數(shù)，對(duì)于黏性土地基取0.9；

Ft—地下水對(duì)結(jié)構(gòu)的浮力，地下水位標(biāo)高算至地面線.

表4 結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定系數(shù)表

圖8 抗浮壓頂梁構(gòu)造圖(單位:cm)

經(jīng)計(jì)算，暗埋框架及立墻高度H=3～5mU型槽的抗浮穩(wěn)定系數(shù)均大于1.05.立墻高度H=6～8mU型槽抗浮穩(wěn)定系數(shù)不滿足要求，利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)在懸挑底板上方設(shè)置40cm×70cm壓頂梁，計(jì)入圍護(hù)結(jié)構(gòu)的自重及側(cè)摩阻力共同達(dá)到抗浮目的.

6 地道防排水設(shè)計(jì)

主體結(jié)構(gòu)以自防水為主，采用C40防水混凝土，抗?jié)B等級(jí)不小于P8.框架及U型槽節(jié)段間變形縫采用中埋式止水帶和可卸式止水帶復(fù)合形式防水，縱向施工縫采用鋼板止水帶防水.凡地道砼面與土質(zhì)相接觸之面，均須以自粘聚合物改性瀝青、PVC防水卷材外包防水.地道兩側(cè)設(shè)置縱向排水溝，在框架進(jìn)出口及最低點(diǎn)共設(shè)置三道截水溝，雨水通過集水井集水、管道自排的方式接入主線管網(wǎng).

圖9 變形縫、施工縫防水構(gòu)造圖(單位:mm)

7 地道基坑圍護(hù)

7.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

石子鋪路兩側(cè)建筑密集且緊靠既有道路，東側(cè)為機(jī)電市場(chǎng)磚混建筑，西北側(cè)為工程職院體育館，西南側(cè)為春天里小區(qū)高層框架建筑.受場(chǎng)地限制，為確保既有建筑物及施工安全，根據(jù)不同的基坑開挖深度采用以下兩種圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式.

⑴ 基坑深度H≤2.5m

采用1∶1放坡開挖,并采取臨時(shí)支護(hù)措施，保證坡面穩(wěn)定.支護(hù)參數(shù)：?8@150mm×150mm掛網(wǎng)噴砼，面層C20噴射混凝土厚度100mm，?20錨桿長(zhǎng)度2m,間距1.5m×1.5m.

圖10 H≤2.5m圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖(單位:cm)

⑵基坑深度H>2.5m

采用?800@1200mm鉆孔灌注樁，樁間采用?600mm的雙重管旋噴樁止水[2]，圍護(hù)樁均采用混凝土標(biāo)號(hào)C30.

圍護(hù)樁插入深度設(shè)計(jì)原則：當(dāng)基坑開挖深度大于6m時(shí)采用插入深度為6m；當(dāng)基坑深度小于6m時(shí)，插入深度等于基坑開挖深度.

圖11 H>2.5m圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖(單位:cm)

圖12 圍護(hù)樁大樣圖(單位:mm)

7.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

圍護(hù)結(jié)構(gòu)按臨時(shí)構(gòu)件考慮，基坑開挖期間作為擋土構(gòu)件，承受全部水土壓力及地面超載，構(gòu)件按強(qiáng)度控制設(shè)計(jì)，不進(jìn)行裂縫驗(yàn)算.采用理正深基坑軟件進(jìn)行內(nèi)力、變形及穩(wěn)定性計(jì)算，即采用彈性支點(diǎn)桿系有限元法，水平抗力系數(shù)采用m法取值.

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)和基坑周圍環(huán)境條件、基坑深度，確定本站基坑側(cè)壁安全等級(jí)為B級(jí)，基坑側(cè)壁變形控制保護(hù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為B級(jí)，地面最大沉降量≤30mm(≤0.2%H 且≤30mm)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移≤25mm(≤0.15%H 且≤30mm).

7.3 基坑監(jiān)測(cè)

為保證基坑開挖安全，施工監(jiān)測(cè)范圍為2h(h為基坑開挖深度)，范圍內(nèi)的建(構(gòu))筑物均需進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，根據(jù)本工程特點(diǎn)確定的監(jiān)控量測(cè)內(nèi)容有：①基坑頂部水平位移，②基坑底部水平位移，③坑外地表沉降，④周邊管線變形，⑤地面建筑物沉降，⑥地面建筑物傾斜，⑦坑外地下水位.

8 結(jié)語

市政交叉道路的下穿地道設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)性工程，涉及多項(xiàng)專業(yè)內(nèi)容，需注意的要點(diǎn)如下：

⑴ 暗埋框架及U型槽受力復(fù)雜，按彈性理論對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析是較普遍且可行的方法.

⑵ 在素填土、軟弱土或地下水發(fā)育的地段應(yīng)采取地基加固和抗浮措施，以滿足地道主體結(jié)構(gòu)地基承載力、抗浮穩(wěn)定性的要求.

⑶ 對(duì)于凈寬不寬的地道而言，利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重及側(cè)摩阻力的抗浮壓頂梁，相較于常規(guī)設(shè)計(jì)的抗浮樁具有突出優(yōu)勢(shì)，既簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、節(jié)省造價(jià)，又方便施工確保質(zhì)量.

⑷ 地道的防排水是主體結(jié)構(gòu)耐久性的有效保障，施工時(shí)應(yīng)予以高度重視，須克服基坑施工環(huán)境的局限，確保工藝質(zhì)量以避免主體結(jié)構(gòu)后期滲水.

隨著暗埋框架及U型槽結(jié)構(gòu)的應(yīng)用逐漸增多，工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不斷積累，其主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在技術(shù)上將有待進(jìn)一步研究、完善和提高.