城際鐵路與地下道路共構設計大斷面方案比選

周小鳳

(杭州絡達交通市政規(guī)劃設計研究院有限公司， 杭州 310000)

隨著城市規(guī)模的擴大，城市人口密度與汽車保有量快速增加，地面交通擁堵日益加劇，快速路網建設是解決地面交通擁堵的重要措施之一。今年杭州提出2022年亞運會前建成“四縱五橫三連十一延”的快速路網“規(guī)劃”，地下隧道在快速路網建設中扮演著重要角色。

地下快速路有改善城市環(huán)境、節(jié)約土地資源等優(yōu)點，但也面臨施工難度大、投資成本高、與軌道交通網地下空間使用沖突等問題，軌交空間與機動車交通一體化建設，將大大節(jié)約城市地下空間資源[1]。此外，由于城市交通量大，出入口多，城市地下道路普遍具有斷面大、結構多樣化等特點[2]，國際隧協(xié)(ITA)建議凈空斷面面積大于100 m2為超大斷面隧道[3]，而隧道斷面形式對城市大斷面明挖隧道結構內力、施工方案、工程造價等有較大影響[4]。同等跨度條件下，超大箱形斷面因受力模式、結構型式的影響，力學效應相對較大[5-8]。因此，選擇合理的斷面形式，是結構設計的關鍵[9-13]。本文將從結構受力情況、施工難易程度、工程量等方面綜合比選普通箱形斷面平頂頂板抬高、折板形頂板及拱形頂板3種斷面方案，確定隧道與城際鐵路合建段大斷面的斷面形式。

1 地質概況

根據(jù)工程地質勘察報告，隧道與杭富線合建段地質巖性主要為第四系碎石填土和含粘性碎石土、全風化-中風化的花崗斑巖，地質縱斷面如圖1所示，地基巖土體主要物理力學參數(shù)[14]見表1，根據(jù)區(qū)域水文地質資料，淺層地下水水位年變幅為1.0 m～2.0 m。

單位：m

表1 地基巖土體主要物理力學參數(shù)

2 工程概況

本項目為杭州至富陽城際鐵路的附屬配套工程，位于杭州市富陽區(qū)境內，6號隧道起終點里程K14+300～K17+070，總長度2 770 m，其中隧道暗埋段K14+550～K16+740，長度2 190 m。合建段為單箱3室3層鋼筋混凝土箱形框架結構，采用基坑圍護和明挖回填的施工方式，K15+571～K17+070范圍隧道平面布置如圖2所示，合建段標準橫斷面如圖3所示。

圖2 隧道平面布置

單位：mm

6號隧道沿原320國道東西走向，新老320國道交匯處設置一對定向匝道，匝道匯入主體結構的大斷面單孔凈寬為19.96 m～23.47 m，覆土層約為5 m。經計算，普通箱形框架斷面形式無法滿足承載力及裂縫限值要求。頂板擬采用抬高平頂頂板、折板形頂板、拱形頂板3種方案進行對比分析，以確定合理的斷面形式。

隧道主體結構采用C40混凝土，地下3層底板及側墻抗?jié)B等級為P10，其余為P8?？紤]頂板上部埋設管線要求，隧道頂板覆土厚度不宜小于2 m。

3 方案設計

公路隧道標準段凈高尺寸為6.3 m，隧道斷面單孔凈寬為13.5 m，隧道匝道匯入主體結構處大斷面單孔凈寬為19.96 m～23.47 m。

方案1平頂頂板抬高2.4 m，頂板覆土厚度為2 m，該方案頂板厚1.7 m，兩側墻厚1.6 m，地下一層板厚1 m，地下二層板厚0.6 m，杭富線底板厚1 m，如圖4(a)所示。

方案2頂板采用折板形式。為保證隧道內凈空要求，將頂板折起角度沿倒角角度設計，其內邊尺寸6×2.5 m，并將頂板抬高0.3 m，頂板覆土厚度為2 m，該方案頂板厚1.3 m，兩側墻厚1.4 m，地下一層板厚1 m，地下二層板厚0.6 m，杭富線底板厚1 m，如圖4(b)所示。

方案3頂板采用拱形形式。為保證隧道內凈空要求，頂板覆土厚度不小于2 m，該方案頂板厚1.3 m，兩側墻厚1.4 m，地下一層板厚1 m，地下二層板厚0.6 m，杭富線底板厚1 m，矢跨比約0.148～0.173，如圖4(c)所示。

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

4 模型計算

4.1 計算模型建立

3種方案分別采用Midas Civil軟件建立板單元模型，如圖5所示。隧道底板及側墻設置面彈性支撐，縱向采取節(jié)點彈性支撐。作用在模型上的荷載如下：

1) 結構自重。

2) 隧道頂板、側板受到的土壓力、水壓力：覆土2 m，地下水壓力以設計地面線下0.5 m考慮。

3) 頂板及側墻外側活載換算的土壓力：豎向活載換算土壓力為20 kPa，側墻外在活載換算側向土壓力按10 kPa考慮。

4) 地下一層板隧道鋪裝恒載及車道活載：鋪裝恒載12.5 kPa，車道活載按30 kPa考慮。

5) 抗浮填土壓重荷載：地下二層板填土壓重厚度2 m，底板填土壓重厚度3 m。

6) 底板考慮地下水浮力。

7) 人防荷載：頂板70 kPa，底板及側墻50 kPa。

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

4.2 計算結果分析

對3種方案計算結果分別從位移、應力、彎矩3方面進行分析。

1) 位移分析

3種方案位移計算結果如圖6所示。

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

方案1頂板最大豎向位移為2.4 cm，方案2頂板最大豎向位移為2.2 cm，方案3頂板最大豎向位移為1.2 cm，3種方案頂板最大豎向位移均滿足GB 50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》中位移限值l0/300(l0為計算跨度)。方案3拱形頂板的剛度優(yōu)于方案1平頂頂板與方案2折板形頂板的剛度。

2) 應力分析

3種方案的最大主應力計算結果如圖7所示。

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

對比頂板板頂最大主應力，方案1平頂頂板主拉應力集中分布在中隔墻頂及外墻頂，主壓應力集中分布于跨中；方案2折板形頂板主拉應力集中分布在跨中，主壓應力集中分布于中隔墻頂及外墻頂；方案3拱形頂板主拉應力值接近于零，且主要分布于拱頂，主壓應力分布于中隔墻頂及外墻頂。方案2與方案3應力分布情況相似，方案3的主壓應力值與主拉應力值均優(yōu)于方案2。方案1的應力分布情況與方案2、方案3相反，表明采取折板形頂板及拱形頂板均能改善頂板的應力分布情況，且拱形頂板應力分布更優(yōu)。

3) 彎矩分析

3種方案的彎矩計算結果如圖8所示。

根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》[15]及GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》[16]對Midas Civil計算結果進行正常使用極限狀態(tài)驗算，結構構件的裂縫控制等級為三級，即構件允許出現(xiàn)裂縫。防水混凝土結構裂縫寬度限值≤0.2 mm，根據(jù)相應內力進行配筋計算，3種方案頂板計算結果及頂板工程量見表2、表3。

由表2分析可知，方案3的計算結果明顯優(yōu)于方案1和方案2。但對比分析3種斷面形式施工難易程度，方案3施工難度大，需做大型鋼拱架模板，混凝土澆筑困難，拱頂處混凝土對角部產生較大的壓力集中，容易導致脫模漏漿等問題。方案1及方案2采用常規(guī)明挖法，施工技術相對成熟。此外，受隧道內凈空及頂板覆土不小于2 m等條件限制，拱形頂板矢跨比可優(yōu)化范圍有限，故本次未選用拱形頂板斷面形式。

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

表2 頂板計算結果

注：配筋36@100+28@100表示雙排鋼筋，主筋鋼筋直徑36 mm，間距100 mm，加強筋直徑28 mm，間距100 mm。

表3 頂板工程量 t

注：表中僅示出每延米混凝土及鋼筋工程量。

方案1在通過抬高頂板增加結構凈空、減小頂板覆土、調整頂?shù)装寮皞葔穸?、配置極限鋼筋用量等情況下，承載力及裂縫可以達到規(guī)范要求，但總體工程量增加，當結構高度和跨度一定時，過大的增加斷面尺寸，會增大結構內力、易使結構受力不合理。因此，明挖隧道大斷面結構建議不過多增加板厚及配筋率，可考慮輕型框架結構形式，如頂板參考橋梁空心板形式優(yōu)化設計。

方案2的彎矩值與方案3的彎矩值較接近，比方案1的彎矩有較大幅度降低，結構受力更合理。在滿足承載力及裂縫限值要求的情況下，頂板混凝土用量降低36.0%，鋼筋用量降低23.3%，側墻混凝土及鋼筋用量均降低，造價更經濟。因此采用折板形頂板的斷面形式，可以達到合理優(yōu)化隧道與杭富線合建段大斷面的目的。

5 結論

采用有限元計算軟件Midas Civil從位移、應力、彎矩3方面對3種斷面方案進行了分析，主要認識如下：

方案3拱形頂板的剛度最大，應力分布最優(yōu)，彎矩值最小，但施工難度最大，且位于匝道匯入主體結構的漸變段，矢跨比難以控制，因此未采用方案3。

方案1抬高平頂頂板，通過調整頂?shù)装寮皞葔穸鹊却胧┖竽軌驖M足設計要求，具有增加結構凈空、減小頂板覆土的優(yōu)點，但當結構高度和跨度一定時，過多的增加斷面尺寸，不僅會增加工程造價，還會增大結構的內力。

方案2折板形頂板應力分布、彎矩值計算結果與拱形頂板相近，施工技術成熟，結構受力比平頂頂板方案更合理，鋼筋及混凝土用量更低，并可通過調整折起角度合理優(yōu)化折板，確定最優(yōu)的頂板方案。因此選用折板形頂板作為隧道與城際鐵路合建段大斷面頂板施工方案。