淺談八車道城市下穿隧道工程設(shè)計(jì)

鄧雪峰

(成都市市政工程設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610023)

為緩解城市交通擁堵問題，在城市重要的交通節(jié)點(diǎn)采用立交形式，盡管下穿隧道具有對(duì)既有管線影響大，一般需設(shè)置泵站、投資相對(duì)較高等問題，但由于其對(duì)城市景觀和周圍建筑影響相對(duì)較小，因此近年來在城市建設(shè)中越來越廣泛地選用。

根據(jù)相交道路寬度和交通量分析預(yù)測，合理地確定下穿隧道車道數(shù)及寬度，結(jié)合成都市的建設(shè)情況，目前使用頻率最多的是四車道，其次是六車道，近年來逐步出現(xiàn)較多的雙向八車道下穿隧道斷面形式。

本文結(jié)合日月大道(成溫路)快速路改造項(xiàng)目中的成飛大道下穿隧道工程設(shè)計(jì)，總結(jié)分享一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

1 區(qū)域位置及現(xiàn)狀概況

日月大道(成溫路)快速路改造工程(三環(huán)至四環(huán))全長約5.7km，現(xiàn)狀道路紅線寬度為40～60m，雙向八車道，標(biāo)準(zhǔn)段兩側(cè)各有15m綠化帶，現(xiàn)狀道路交通量大，信號(hào)燈路口多，現(xiàn)狀通行能力較低，擁堵已常態(tài)化。

成飛大道節(jié)點(diǎn)與日月大道呈十字相交。成飛大道現(xiàn)狀道路紅線寬度為40～45m，承擔(dān)著連通日月大道兩側(cè)的重要功能。成飛大道南段有成都市婦女兒童中心醫(yī)院和大片居住樓盤，北段有青羊工業(yè)園區(qū)，交通流量巨大，擁堵情況嚴(yán)重。

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)道路等級(jí)：主干路(主車道無信號(hào)燈)。

(2)設(shè)計(jì)時(shí)速：60km/h。

(3)隧道凈空：凈高≥5m。

(4)設(shè)計(jì)荷載：車行道—城A級(jí)，人群荷載—3.5kN/m2，地面超載—取用20kPa。。

(5)地震加速度值為0.10g，抗震設(shè)防烈度為7度，特征周期0.45s，設(shè)計(jì)地震分組為第三組。抗震設(shè)防分類為乙類。

(6)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：一級(jí)。

(7)下穿隧道防水等級(jí)：一級(jí)。

(8)結(jié)構(gòu)按耐火等級(jí)：一級(jí)。

(9)設(shè)計(jì)使用年限：100a。

(10)環(huán)境類別：Ⅱ類。

3 平面設(shè)計(jì)

下穿隧道平面線形同道路中心線一致，隧道中心線在該處設(shè)置緩和曲線和大半徑圓曲線，半徑為8 000m。

下穿隧道全長537.258m，其中框架段140m。

4 縱斷面設(shè)計(jì)

隧道縱斷面設(shè)計(jì)主要存在以下控制點(diǎn)：

(1)船槽段地面道路設(shè)計(jì)縱斷面，在船槽端部應(yīng)與地面道路順接。

(2)道路交叉口切角范圍內(nèi)應(yīng)形成隧道框架段，保證地面交通功能。

隧道最大縱坡5 %，凸豎曲線最小半徑1 800m，凹豎曲線最小半徑1 600m，豎曲線最小長度83.964m。

5 橫斷面設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)段為雙向八車道，兩側(cè)設(shè)75cm寬檢修道。船槽段橫斷面布置：0.5m(防撞欄桿)+0.75m(檢修道)+14.25(0.5+3.5×2+3.25×2+0.25)m(車行道)+1.1m(中央分隔帶)+14.25(0.25+3.5×2+3.25×2+0.5)m(車行道)+0.75m(檢修道)+0.5m(防撞欄桿)=32.1m。

框架段橫斷面布置：1.2m(側(cè)墻)+0.75m(檢修道)+14.25(0.5+3.5×2+3.25×2+0.25)m(車行道)+1.1m(中央分隔帶)+14.25(0.25+3.5×2+3.25×2+0.5)m(車行道)+0.75m(檢修道)+1.2m(側(cè)墻)=33.5m。

隧道橫坡：橫坡由結(jié)構(gòu)起坡，坡率1.5 %。

6 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隧道框架頂板采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，其余部分采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，其抗?jié)B等級(jí)為P8。隧道船槽段側(cè)墻高度較高的段落設(shè)計(jì)為U形槽結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，其抗?jié)B等級(jí)為P8。隧道船槽段側(cè)墻高度較小的段落側(cè)墻設(shè)計(jì)為擋土墻結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25。

結(jié)構(gòu)受力鋼筋凈保護(hù)層厚度：

(1)頂板臨土面：50mm，頂板臨空面：40mm。

(2)底板臨空面：40mm，底板臨土面：50mm。

(3)側(cè)墻臨土面：50mm，側(cè)墻臨空面：40mm。

(4)中隔墻：40mm。

框架頂板按預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件設(shè)計(jì)。其余結(jié)構(gòu)構(gòu)件按普通混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，最大裂縫寬度控制在0.2mm以內(nèi)。

6.1 框架結(jié)構(gòu)

框架結(jié)構(gòu)高8.251m，寬33.5m，單室凈寬15.25m，外側(cè)墻厚度1.2m，中隔墻厚度0.6m，頂、底板厚度1.2m。由于箱室截面跨度較大，根據(jù)測算，頂板若采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚度偏大，混凝土自重所占比例增加，對(duì)支架承載力、混凝土澆筑質(zhì)量、混凝土養(yǎng)護(hù)等提出了更高要求，經(jīng)過比較確定框架頂板采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，框架底板、側(cè)墻、中隔墻采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

計(jì)算采用橋梁博士，按平面桿系進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。選取最大埋深截面，覆土厚2.5m。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，劃分單元，結(jié)構(gòu)離散圖見圖1。

圖1 框架結(jié)構(gòu)單元離散

6.1.1 正截面抗裂驗(yàn)算

根據(jù)JTGD62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中第6.3.1條，正截面抗裂應(yīng)對(duì)構(gòu)件正截面混凝土的拉應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，并應(yīng)該符合下列規(guī)定：對(duì)于A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，在作用短期效應(yīng)組合下，結(jié)構(gòu)正截面上下緣混凝土拉應(yīng)力應(yīng)滿足：

σst-σpc≤0.7ftk=0.7×2.65=1.86MPa

計(jì)算結(jié)果如圖2所示，正值代表壓應(yīng)力，負(fù)值代表拉應(yīng)力。

圖2 框架頂板正截面上下緣混凝土最大應(yīng)力(單位：MPa)

由圖可以看出，在作用短期效應(yīng)組合下，混凝土截面上、下緣均受壓，滿足規(guī)范要求。

在作用長期效應(yīng)組合下應(yīng)滿足：

σst-σpc≤0

在作用長期效應(yīng)組合下，計(jì)算得到的混凝土最小應(yīng)力如圖3所示。

圖3 框架頂板正截面混凝土最小應(yīng)力(單位：MPa)

由圖可以看出，在作用長期效應(yīng)組合下，混凝土截面上、下緣均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

6.1.2 斜截面抗裂驗(yàn)算

結(jié)構(gòu)斜截面混凝土主拉應(yīng)力如圖4所示，負(fù)值代表主拉應(yīng)力。

圖4 框架頂板斜截面混凝土主拉應(yīng)力(單位：MPa)

根據(jù)JTGD62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中第6.3.1條，斜截面抗裂應(yīng)對(duì)構(gòu)件斜截面混凝土主拉應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，并應(yīng)符合下列規(guī)定。

在作用短期效應(yīng)組合下，A類預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)場澆筑構(gòu)件應(yīng)滿足：

σtp≤0.5ftk=0.5×2.65=1.325MPa

由可以看出，結(jié)構(gòu)斜截面混凝土最大主拉應(yīng)力為0.3MPa，小于A類構(gòu)件允許的主拉應(yīng)力1.325MPa，滿足規(guī)范要求。

6.1.3 框架其他部位裂縫驗(yàn)算

框架其他部位普通混凝土結(jié)構(gòu)裂縫驗(yàn)算見圖5。

圖5 框架底板、側(cè)墻、中隔墻裂縫

根據(jù)計(jì)算，框架底板、側(cè)墻、中隔墻普通混凝土結(jié)構(gòu)最大裂縫為0.18mm，裂縫小于0.2mm，滿足規(guī)范要求。

6.2 船槽結(jié)構(gòu)

引道部分結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的埋置深度，設(shè)計(jì)為重力式擋土墻結(jié)構(gòu)及U型槽結(jié)構(gòu)類型。重力式擋土墻采用現(xiàn)澆C30混凝土結(jié)構(gòu)；U形船槽采用兩側(cè)帶有立式懸臂的C40鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，混凝土抗?jié)B等級(jí)P8。

經(jīng)過對(duì)埋深最大處船槽進(jìn)行計(jì)算，得正截面混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫如圖6所示。

圖6 船槽底板、側(cè)墻裂縫(單位：mm)

U型槽最大裂縫為0.14mm，裂縫小于0.2mm，滿足規(guī)范要求。

7 設(shè)計(jì)總結(jié)

(1)根據(jù)多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合計(jì)算結(jié)果分析，在正常覆土、正常荷載情況下，隧道框架結(jié)構(gòu)在雙向六車道及以下時(shí)，結(jié)構(gòu)采用普通鋼筋混凝土更經(jīng)濟(jì)合理，隧道框架結(jié)構(gòu)在雙向八車道及以上時(shí)，框架頂板宜考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)更 為經(jīng)濟(jì)合理。

(2)建立模型計(jì)算時(shí)，底板應(yīng)考慮為彈性地基梁多點(diǎn)支承。根據(jù)受力需要，應(yīng)對(duì)中隔墻位置的底板底面基梁多點(diǎn)支承。根據(jù)受力需要，應(yīng)對(duì)中隔墻位置的底板底面進(jìn)行必要的加強(qiáng)處理。可以考慮增加鋼筋布置，或者同時(shí)考慮局部增大該區(qū)域的底板厚度，以滿足受力需要。

(3)為防止框架之間、船槽之間、框架與船槽之間結(jié)構(gòu)的不均勻沉降，建議在節(jié)段之間設(shè)置一根鋼筋混凝土枕梁，根據(jù)工程實(shí)踐，效果比較明顯。能夠更好地保證路面舒適性。

(4)下穿隧道結(jié)構(gòu)一般采用外、自、內(nèi)三層防水體系，結(jié)構(gòu)自身通過使用添加劑，達(dá)到自防水目的；同時(shí)通過外貼防水卷材，達(dá)到外防水目的，通過在內(nèi)部涂刷防水涂料，達(dá)到內(nèi)防水的目的。但根據(jù)工程實(shí)踐，下穿隧道防水最難和最重要的防水部位應(yīng)該是節(jié)段之間的沉降縫。除了外側(cè)防水卷材多層加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)之間設(shè)置止水帶，還應(yīng)在內(nèi)側(cè)設(shè)置接水槽，作為補(bǔ)救措施，盡可能減小對(duì)隧道的影響。

(5)在隧道結(jié)構(gòu)最低點(diǎn)處，應(yīng)設(shè)置引流措施，將隧道鋪裝滲水及時(shí)排除，以減小對(duì)鋪裝層結(jié)構(gòu)的耐久性影響。

(6)隧道船槽頂設(shè)置的輔道欄桿在考慮景觀要求的同時(shí)，一定要首先保證防撞功能。

(7)在城市建成區(qū)修建下穿隧道，船槽段是瓶頸，一般情況下會(huì)考慮支護(hù)措施，建議可以將船槽段的支護(hù)考慮為永久支護(hù)，船槽段結(jié)構(gòu)隨之進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)節(jié)省工程投資具有明顯效果。

(8)由于光線的強(qiáng)弱差別大，船槽段剛進(jìn)入框架段很容易引起駕駛員的視覺空白，在結(jié)構(gòu)、照明、交安等設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮，減小交通安全隱患。

(9)為盡量減小車輛通行下穿隧道產(chǎn)生的噪聲，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意盡量采用降噪瀝青路面鋪裝，截水溝進(jìn)行平整化降噪設(shè)計(jì)，隧道側(cè)壁及框架頂應(yīng)設(shè)置吸音降噪材料。