城市隧道敞口段封閉改造方案探討

徐艷玲

(北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司 100082)

引言

近年來，隨著城市化進程的快速發(fā)展，區(qū)域規(guī)劃調(diào)整，許多既有結(jié)構(gòu)被賦予新的功能需求，面臨結(jié)構(gòu)功能提升改造的情況。在既有結(jié)構(gòu)改造工程中，既要充分考慮原結(jié)構(gòu)的受力情況，還需兼顧項目周邊的環(huán)境因素，選擇施工方便、對現(xiàn)況交通和環(huán)境影響較小的方案。

本文以某隧道改造工程為例，對原隧道中間敞口段進行封閉改造，在設(shè)計方案研究中結(jié)合項目特點探尋混凝土梁、鋼箱梁和鋼混組合梁的適用性。

1 工程概況

某道路位于城市核心區(qū)，原設(shè)計為城市主干路，主路雙向六車道，采用下穿隧道的方式布設(shè)，輔路為雙向四車道、非機動車道及人行道，分別設(shè)置于主路兩側(cè)的地面。下穿隧道全長1.84km，考慮通風(fēng)及采光需求，其間設(shè)置三處敞口段，分別長44m、47m 和 70m。隨著城市的發(fā)展，道路兩側(cè)的地塊相繼開發(fā)，需要將道路及周邊場地聯(lián)合起來修建城市廣場，需對隧道的70m寬敞口段進行封閉改造，且改造后結(jié)構(gòu)要預(yù)留設(shè)置景觀泰山石的條件。

隧道敞口段原設(shè)計為 U 型槽結(jié)構(gòu)，高15.2m，兩側(cè)墻間距 32.6m，底板和側(cè)墻厚1.8m，地面輔路布置在側(cè)墻頂8.0m 長雙懸臂平臺上。為減少改造結(jié)構(gòu)對U 槽側(cè)墻受力的影響，封閉結(jié)構(gòu)的主梁支點擬設(shè)置在U 槽側(cè)墻上，主梁跨度約為35m。原結(jié)構(gòu)橫斷面布置見圖1。

圖1 道路改造段橫斷面(單位：cm)Fig.1 Cross section of road reconstruction (unit：cm)

2 工程設(shè)計難點

2.1 設(shè)計荷載

城市廣場地處城市核心區(qū)，屬于人流密集場所，人群荷載按5kPa 計算；考慮改建廣場有植草、排水等需求，封閉結(jié)構(gòu)的梁頂需預(yù)留0.8m 高度覆土，該廣場荷載遠大于常規(guī)按城-A 荷載[1]設(shè)計的橋梁，對主梁的承載力要求更高。以寬3.2m、長35m 主梁為例，計算一片梁上按廣場荷載和按城-A 荷載設(shè)計橋梁的外荷載，對比見表1。

表1 廣場荷載與城-A 橋梁荷載對比Tab.1 Comparison of plaza load and city-A bridge load

此外，根據(jù)廣場景觀設(shè)計方案，封閉結(jié)構(gòu)還需預(yù)留設(shè)置景觀泰山石的條件，泰山石自重300t～1000t，位于封閉結(jié)構(gòu)主梁的跨中位置，也正是主梁受力最不利荷載位置，對主梁的設(shè)計提出更高的要求。

2.2 舒適度標準

隧道敞口封閉后地面將改建為廣場，根據(jù)對單人行走的動力特性研究，人以普通速度行走時，步頻在 1.6Hz～ 2.4Hz 之間[2]，為了避免結(jié)構(gòu)振動的固有頻率與步行頻率接近而產(chǎn)生共振，引起行人感到不適，我國《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ69-95)[3]中規(guī)定“天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3Hz”。本次廣場設(shè)計也采用相同的舒適度標準，即封閉結(jié)構(gòu)主梁的自振頻率需大于3Hz。

對簡支梁而言，梁的自振頻率和推導(dǎo)出以撓度表達的計算公式如式(1)所示。

式中：l為梁的計算跨徑；EIc為梁的剛度；mc為均布質(zhì)量；g為重力加速度；Δst為簡支梁在均布荷載下的跨中撓度，Δst＝5pl4/(384EIc)。

按規(guī)范[3]要求f≥3Hz，則Δst≤0.035m，即不論橋的跨度多大，其最大撓度不超過0.035m，這對于跨度大的橋梁顯然要求過高[4]。以35m 跨徑簡支梁為例，《公路鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JTG D64- 2015)[5]允許最大豎向撓度為l/500＝0.07m，遠大于舒適度標準中為滿足結(jié)構(gòu)自振頻率時的結(jié)構(gòu)變形。

2.3 結(jié)構(gòu)布置

封閉結(jié)構(gòu)豎向位于地面廣場和下穿隧道的主路之間，上面城市廣場的場平標高受兩側(cè)相鄰地塊的高程控制，設(shè)計為43.30m，考慮廣場鋪裝、排水及植草的需求，梁頂距離廣場地面需預(yù)留0.8m 空間，梁頂最高點高程為42.50m；下穿道路的通行凈空不能壓縮，梁底最低應(yīng)與兩側(cè)隧道內(nèi)頂齊平，高程為39.79m～39.91m，據(jù)此確定主梁的最大梁高為2.6m。改造段結(jié)構(gòu)立面布置見圖2。

2.4 現(xiàn)場條件

現(xiàn)況道路下方并行有在運營的地鐵盾構(gòu)區(qū)間，封閉結(jié)構(gòu)作為新增荷載施加于地鐵結(jié)構(gòu)上，主梁的設(shè)計方案在保證上部承載力的同時需對下方地鐵結(jié)構(gòu)影響最小。

圖2 改造段立面示意Fig.2 Elevation signature of road reconstruction

改造工程位于城市核心區(qū)，區(qū)位重要性程度高；現(xiàn)況道路是城市主干道，交通繁忙，改造工程需最大限度減小現(xiàn)場施工范圍，縮短工期，降低對現(xiàn)況交通的影響。

2.5 小結(jié)

根據(jù)前述分析，改造方案主梁設(shè)計時首先應(yīng)滿足廣場及景石荷載的承載力需求，主梁自振頻率f≥3Hz，梁高h≤2.6m，應(yīng)選用預(yù)制結(jié)構(gòu)，采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場吊裝的施工方案，且盡量減輕結(jié)構(gòu)自重。

3 改造方案研究

目前，業(yè)內(nèi)使用的預(yù)制梁型有預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土梁、鋼箱梁和鋼混組合梁三種，下面對這三種梁型對本工程的適用性進行比較。

3.1 混凝土梁方案

混凝土梁具有結(jié)構(gòu)剛度大、造價低的優(yōu)點，特別是預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，是目前業(yè)內(nèi)使用最廣泛的預(yù)制結(jié)構(gòu)，如采用這種梁型，可直接向梁場采購，節(jié)約生產(chǎn)工期，節(jié)省工程投資。根據(jù)部頒標準圖，35m 跨徑的小箱梁梁高1.8m(斷面尺寸見圖3a)，經(jīng)核算主梁的承載力無法滿足廣場荷載的需求；增大主梁斷面如圖3b，可滿足廣場荷載的承載力要求，但結(jié)構(gòu)自振頻率過低，易發(fā)生共振的情況；再次增大主梁斷面如圖3c，可滿足廣場荷載的承載力及自振頻率的要求，該結(jié)構(gòu)吊裝重量約為280t，自重過大，運輸、安裝困難，且對下方既有隧道結(jié)構(gòu)和地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響較大。在不計景石荷載的情況下，預(yù)制混凝土梁難以滿足使用需求，故不予采用。

圖3 預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁斷面示意(單位：cm)Fig.3 Prefabricated prestressed concrete box girder section(unit：cm)

3.2 鋼箱梁方案

鋼結(jié)構(gòu)具有承載能力大、結(jié)構(gòu)剛度好的特點。隨著我國鋼材產(chǎn)量、品質(zhì)的不斷提升，鋼板焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，這種均質(zhì)、具有良好延展性和可塑性的材料在橋梁工程中的應(yīng)用日益廣泛。

考慮橋面種植、排水需求，鋼箱梁頂面需設(shè)置10cm 混凝土隔離層，鋼箱梁的最大梁高為2.5m，初擬主梁斷面尺寸如圖4所示，分析景石荷載對主梁受力狀態(tài)和自振頻率的影響。

圖4 初擬鋼箱梁斷面(單位：mm)Fig.4 Preliminary design of steel box girder section(unit：mm)

計算結(jié)果如圖5所示，景石荷載 0～1000t，主梁跨中底板最大拉應(yīng)力124MPa，滿足規(guī)范[5]要求，豎向承載力不控制主梁設(shè)計；隨著景石荷載的增加，結(jié)構(gòu)自振頻率下降，不計景石荷載，僅廣場荷載作用下，結(jié)構(gòu)自振頻率為3.17Hz，當景石荷載增加到300t 時，結(jié)構(gòu)自振頻率降低至2.75Hz，已不滿足使用需求[3]，結(jié)合式(1)分析，在跨徑、截面剛度一定的情況下，主梁均布質(zhì)量增加，結(jié)構(gòu)自振頻率相應(yīng)下降。因此，由于景石荷載的增加，對橋梁自振頻率削弱較大，結(jié)構(gòu)的自振頻率成為本次主梁設(shè)計的主要控制因素。

圖5 景石重量對主梁受力的影響Fig.5 Effect of special load on main beam force

根據(jù)不同景石荷載設(shè)計鋼箱梁情況見表2。在不考慮景石荷載的情況下，滿足承載力和結(jié)構(gòu)自振頻率的主梁用鋼量為605kg/m2；隨著景石荷載的增加，增大主梁頂、底板、腹板厚度，當景石荷載大于400t 時，現(xiàn)材料情況下，結(jié)構(gòu)自振頻率無法滿足使用需求。當景石荷載為300t 時，主梁底板需設(shè)計為30mm 厚度，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗，當鋼板厚度超過30mm 時，需考慮板材的Z向效應(yīng)，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，且材料加工、采購難度大，也不建議采用。因此，主梁上如需設(shè)置景石，景石重量不應(yīng)超過300t，此時主梁斷面尺寸見圖6，主梁設(shè)計用鋼量為835 kg/m2，工程投資為8350 元/m2，相比較不計景石荷載的情況，增加工程投資38%。

表2 不同景石荷載對應(yīng)主梁設(shè)計參數(shù)及計算結(jié)果Tab.2 Design parameters and calculation results of girders under different loads

圖6 300t 景石荷載設(shè)計鋼箱梁斷面(單位：mm)Fig.6 Section of 300t load steel box girder(unit：mm)

鋼箱梁采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場吊裝的施工方案，節(jié)段吊裝重量95t，采用兩臺普通吊車即可完成，施工便捷，預(yù)計工期3 個半月。

原側(cè)墻頂部設(shè)置8m 寬雙懸臂輔路，內(nèi)懸3.65m，不平衡的輔路荷載引起側(cè)墻內(nèi)彎從而在側(cè)墻根部底板產(chǎn)生較大的附加彎矩。本次設(shè)計將新增鋼箱梁支座調(diào)整至側(cè)墻中心位置，消除側(cè)墻附加彎矩，改善了底板的受力狀態(tài)。新增封閉結(jié)構(gòu)后，相比較原結(jié)構(gòu)增加基底應(yīng)力80kPa，最大應(yīng)力達到320kPa，小于考慮深度修正后地基承載力560kPa(土層為中亞粘土)，滿足結(jié)構(gòu)使用需求。

3.3 鋼混組合梁方案

鋼混組合梁將混凝土材料作為簡支梁的橋面板，可充分發(fā)揮其抗壓的材料性能，在受拉區(qū)采用鋼結(jié)構(gòu)，在充分發(fā)揮材料抗拉性能的同時避免了鋼結(jié)構(gòu)抗壓穩(wěn)定的問題。其用鋼量比純鋼梁少，結(jié)構(gòu)自重比混凝土梁輕，采用預(yù)制拼裝鋼梁、現(xiàn)場施做混凝土橋面板的施工方法，兼顧了工程的經(jīng)濟性和施工的便捷性。

以圖4鋼箱梁截面為例，將鋼結(jié)構(gòu)頂板修改為厚25cm 的混凝土橋面板，比較相同鋼結(jié)構(gòu)布置和板厚的情況下，鋼箱梁和鋼混組合梁的使用性能見表3。可見，兩種梁型的自振頻率基本接近，鋼箱梁的承載力優(yōu)于鋼混組合梁，工程投資增加25%。

表3 鋼箱梁和鋼混組合梁使用性能比較Tab.3 Performance comparison of steel box girder and steel-concrete composite girder

根據(jù)不同景石荷載設(shè)計鋼混組合梁情況見表4。同鋼箱梁的情況一樣，景石荷載的重量不應(yīng)超過300t，設(shè)計主梁斷面見圖7，工程投資為6420 元/m2，相比較不計景石荷載的情況，增加工程投資32%。

表4 不同景石荷載對應(yīng)主梁設(shè)計參數(shù)及計算結(jié)果Tab.4 Design parameters and calculation results of girders under different loads

圖7 300t 景石荷載設(shè)計鋼混組合梁斷面(單位：mm)Fig.7 Section of 300t load steel-concrete composite beam (unit：mm)

鋼混組合梁中鋼結(jié)構(gòu)采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場吊裝的施工方案，由于是開口截面，沒有頂板，節(jié)段吊裝重量僅為68t，較純鋼梁更輕，施工更加便捷；但現(xiàn)場需綁扎鋼筋，澆筑混凝土橋面板，相比較純鋼梁方案需增加工期一個月。

封閉后結(jié)構(gòu)的基底應(yīng)力為330kPa，相比較純鋼梁方案基底應(yīng)力增大10MPa，同樣滿足基底土層的承載力需求。

4 結(jié)論

1.隨著主梁跨徑的增大，結(jié)構(gòu)自振頻率下降明顯，特別是景石荷載作為外荷載的加入，更加削弱了主梁的自振頻率。因此，在本次改造工程中，結(jié)構(gòu)的自振頻率成為主梁設(shè)計的主要控制因素。

2.預(yù)制混凝土梁自重過大，導(dǎo)致運輸、安裝難度大、對下部結(jié)構(gòu)影響大的問題，不適合本工程。

3.相同截面布置和板厚的情況下，純鋼梁的承載能力優(yōu)于鋼混組合梁，兩者基頻相當，純鋼梁施工便捷、工期短，在工程投資允許的情況下推薦采用；鋼混組合梁造價低，適用于工期允許、工程投資有限的情況。