復(fù)雜地基條件下建筑與城市地道一體式工程經(jīng)驗實例與分析
——以韓城市楨洲大街下穿地道工程為例

顧旭卿

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

1 工程概況

該地道工程為楨州大街下穿交大教育園區(qū)的雙向10車道地道，位于陜西省韓城市小南區(qū)，地道為南北走向。地道設(shè)計基準(zhǔn)期為100年，全長850m，其中南側(cè)敞開段長95m，北側(cè)敞開段長120m，暗埋段長635m。根據(jù)道路總體規(guī)劃及教育園區(qū)相關(guān)規(guī)劃，楨州大街下穿教育園區(qū)與教育園區(qū)地下停車場相連接。

地道分敞開段和暗埋段。根據(jù)道路車道布置，地道暗埋段共分兩種橫斷面形式，標(biāo)準(zhǔn)斷面為雙向6車道，與教育園區(qū)結(jié)合段為雙向6車道快速車道加雙向4車道慢速輔道；最寬處為51m，采用單箱四室箱形結(jié)構(gòu)，由底板、側(cè)墻、中墻及頂板組成，中間兩箱室為主車行通道，外側(cè)兩箱室為輔車道。敞開段總寬為26.8m，采用U型結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 自然條件

2.1 地質(zhì)條件

擬建場地所在的韓城市位于祁呂賀山字形構(gòu)造的前弧東翼與新華夏構(gòu)造體系第三沉降帶的復(fù)合部位。以EN～WS向的山前大斷裂（即韓城大斷層F1）為界，東南面屬渭汾地塹，西北面屬鄂爾多斯臺向斜的陜北盆緣褶皺區(qū)，構(gòu)造復(fù)雜，礦產(chǎn)豐富。

根據(jù)各土層的時代成因及巖性，自上而下描述如下：（1）素填土Q4ml：雜色，松散，稍濕，成分以碎石、砂土為主，土質(zhì)不均勻，多為原公路的修筑填土，層厚0.4～0.8m。

（2）黃土Q3eol：褐黃色，天然含水量w=15.3%；液性指數(shù)IL＜0，呈堅硬狀態(tài)；天然孔隙比e=1.131。

（3）古土壤Q3el：層厚2.00～5.00m，層底標(biāo)高428.72～448.43m，棕紅色，稍濕，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，天然含水量w=18.2%；液性指數(shù)IL＜0，呈堅硬狀態(tài)。

（4）黃土Q2eol：層厚5.20～11.70m。褐黃色，稍濕，具孔隙，含鈣質(zhì)條紋，天然含水量w=15.7%；液性指數(shù)IL＜0，呈堅硬狀。

（5）古土壤Q2el：層厚1.30～4.70m，稍濕，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，具孔隙，天然含水量w=16.1%；液性指數(shù)IL＜0，呈堅硬狀態(tài)；天然孔隙比e=0.819。

2.2 水文條件

勘探深度（45.00m）范圍內(nèi)未見地下水分布，因而可不考慮地下水對擬建場地的影響。

2.3 抗震設(shè)防

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015）及《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010），擬建場地行政區(qū)劃屬韓城市，地震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.15g，設(shè)計地震分組為第二組，特征周期為0.40s。

2.4 場地類別

根據(jù)在該場地的3個鉆孔中進(jìn)行的鉆孔剪切波速測試結(jié)果，依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）有關(guān)劃分標(biāo)準(zhǔn)，該工程場地類別為Ⅱ類。

3 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）主體結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期為100年。設(shè)計安全等級為一級。

（2）荷載。①自重、覆土及土壓力荷載：按實際情況計算。②車輛荷載：“城-A級”與超載20kPa不利影響。③溫度作用：按《公路橋梁設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2004）計算。④地震作用：抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.15g。⑤撞擊力荷載：敞開段及暗埋段洞口擋墻的車輛撞擊力荷載按200kN考慮，撞擊力在寬度4.0m范圍內(nèi)均布。

（3）地道凈高與凈寬≥5.0m。

（4）地道縱、橫坡。地道主線最大縱坡I≤5.0%；地道橫坡為1.5%。

（5）結(jié)構(gòu)抗浮與防滲?？垢。鹤畈焕闆r自重抗浮安全系數(shù)≥1.05。防滲：主體結(jié)構(gòu)采用防水混凝土，抗?jié)B等級為P8級。

（6）最大凍深為0.3m。

（7）工程材料。主體結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級為C30，抗?jié)B等級為P8級；素混凝土墊層強(qiáng)度等級為C20；鋼筋型號為HPB300和HRB400；預(yù)埋鐵件型號為Q235B。

（8）裂縫?？紤]荷載短期效應(yīng)組合和長期效應(yīng)組合的影響，主體結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度≤0.2mm。

4 地道的總體設(shè)計

4.1 地道平面和縱斷面設(shè)計

地道的平面線型服從于道路總體設(shè)計，主線下穿地道縱斷面設(shè)計受以下因素控制。

（1）交大教育園區(qū)地面設(shè)計標(biāo)高。

（2）地道出入口十字交叉口豎向規(guī)劃。

（3）地道凈空高度≥5.0m。

（4）地道出、入口最大縱坡≤3.50%。

此外，縱斷面設(shè)計還需考慮箱頂路面結(jié)構(gòu)厚度、地道箱體結(jié)構(gòu)厚度、鋪裝、施工誤差、結(jié)構(gòu)變形及預(yù)留沉降等多方面要求。

4.2 地道橫斷面設(shè)計

根據(jù)下穿地道總體設(shè)計，楨州大街下穿地道包括下穿地道暗埋段和下穿地道敞開段。

（1）下穿地道暗埋段設(shè)計。根據(jù)下穿地道平面布置，暗埋段分為標(biāo)準(zhǔn)暗埋段、加減速車道暗埋段和帶輔道暗埋段。①標(biāo)準(zhǔn)暗埋段。標(biāo)準(zhǔn)暗埋段采用單箱雙室結(jié)構(gòu)，總寬度為27m，單箱凈寬12.0m，凈高為4.5m。隔墻兩側(cè)分隔帶各寬為0.25m，兩側(cè)車行道各寬11m，兩側(cè)路側(cè)帶各寬0.75m，兩側(cè)側(cè)墻各寬為1.0m，如圖1所示。②加減速車道暗埋段。為方便社會車輛和公交車與教育園區(qū)銜接，下穿地道在東西兩側(cè)設(shè)置雙車道輔道，主線車輛通過加減速車道進(jìn)入輔道。加減速車道暗埋段采用單箱雙室結(jié)構(gòu)，單箱凈寬20.8m，凈高為4.5m，如圖2所示。③帶輔道暗埋段。帶輔道暗埋段采用單箱四室結(jié)構(gòu)，主線箱室凈寬12.0m，輔道箱室凈寬8.0m，如圖3所示。④落客平臺暗埋段。落客平臺暗埋段采用單箱四室結(jié)構(gòu)，主線箱室凈寬12.0m，輔道箱室凈寬11.0m。下穿地道車行道凈高為4.5m，綜合考慮預(yù)留沉降、道路墊層和裝修空間，暗埋段箱涵結(jié)構(gòu)內(nèi)凈高5.5m。暗埋段頂、底板厚1.5m，側(cè)墻厚1.2m。紅線寬度為51m。其中央隔墻寬為1m，隔墻兩側(cè)分隔帶各寬為0.25m，兩側(cè)車行道各寬11m，兩側(cè)路側(cè)帶各寬0.75m，兩側(cè)隔墻各寬為0.8m，隔墻兩側(cè)分隔帶各寬為0.25m，兩側(cè)輔道各寬6.75m，兩側(cè)路側(cè)帶各寬0.75m，兩側(cè)側(cè)墻各寬為1.2m，港灣停靠站3m，如圖4所示。

圖1 6車道隧道標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面圖（單位：mm）

圖2 地道加減速段橫斷面圖（單位：mm）

圖3 10車道標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：mm）

圖4 落客平臺段橫斷面圖（單位：mm）

（2）下穿地道敞開段設(shè)計。為防止地下水破壞道路結(jié)構(gòu)，下穿地道敞開段采用U形槽結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)敞開段側(cè)墻高度＜7.5m，敞開段底板厚度0.9m，側(cè)墻厚度0.9m，總寬度為26.8m，如圖5所示。

圖5 下穿地道敞開段標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：mm）

5 地道結(jié)構(gòu)計算

5.1 抗浮和地基承載力驗算

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2011），地道結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性符合下式：

式中：Gk為地道結(jié)構(gòu)自重，包括鋪裝自重；Nw,k為浮力，地下水位考慮地面以下6m；Kw為抗浮安全系數(shù)，取1.05。

經(jīng)計算，地道所有敞開段利用自重均能滿足抗浮要求。

按承載力最不利情況，南側(cè)第3暗埋段基底落在④層粉土層，④層粉土層承載力特征值fak=120kPa。平均應(yīng)力p=G/A=61113.8/16/29.7=128.6kPa，經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值fa=120+1.5×16×（9.5-0.5）=336kPa，p＜fa，因此承載力滿足要求。

5.2 暗埋段結(jié)構(gòu)計算

（1）標(biāo)準(zhǔn)暗埋段。地道暗埋段箱頂覆土厚度變化不大，接近于平面應(yīng)變問題。按平面應(yīng)變假定，建立單位長梁單元平面框架模型進(jìn)行計算，計算模型按各板軸線建立。采用Midas軟件進(jìn)行計算，模型每0.4m左右劃分一個單元。荷載計算按1m分布寬度計算。地道上荷載包括結(jié)構(gòu)自重、頂板覆土荷載、側(cè)墻水土壓力荷載、底板浮力、鋪裝荷載、地面超載及其引起的側(cè)向土壓力、混凝土收縮。側(cè)墻土壓力按照水土分算，地下水位按地面以下6.0m考慮，混凝土收縮考慮頂板整體降溫15℃。依據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2004），按以下兩種工況進(jìn)行荷載組合：①自重+頂板覆土荷載+側(cè)墻土壓力+鋪裝荷載+側(cè)墻超載+側(cè)墻水壓力+底板浮力+混凝土收縮；②自重+頂板覆土荷載+側(cè)墻土壓力+鋪裝荷載+側(cè)墻超載+頂板超載+側(cè)墻水壓力+底板浮力+混凝土收縮。分別考慮承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，對以上兩種組合進(jìn)行計算。模型邊界條件僅在底板上加豎向土體彈簧（按只受壓彈簧考慮），土體彈簧剛度Kz按10000kN/m3考慮進(jìn)行計算。計算模型如圖6所示。各荷載工況下的結(jié)構(gòu)彎矩包絡(luò)圖如圖7所示。據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62—2004），由結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算得到結(jié)構(gòu)配筋。

（2）中間暗埋段。①框架模型。撐梁和頂板模擬為矩形梁，梁高h(yuǎn)=1200mm，梁寬b=800mm；側(cè)墻及底板模擬為梁單元。②梁單元模型。建立梁單元計算模型，模型按結(jié)構(gòu)軸線建立。采用Midas軟件進(jìn)行計算，每0.4m劃分1個單元。暗埋段計算模型如圖8所示?？蚣荏w系內(nèi)力分布如圖9所示。計算將頂板荷載按圖示面積加載至框架。計算各荷載工況下的框架彎矩，如圖10所示。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)暗埋段計算簡圖（單位：mm）

圖7 標(biāo)準(zhǔn)暗埋段結(jié)構(gòu)彎矩包絡(luò)圖

圖8 暗埋段計算模型（落客平臺段）

圖9 框架體系內(nèi)力

圖10 框架彎矩圖

由于篇幅限制，文章僅列舉了以上兩個模型作為計算依據(jù)，其余結(jié)構(gòu)的計算內(nèi)容省略。

6 地基處理

擬建場地為自重濕陷性場地，地基濕陷等級為Ⅳ級（很嚴(yán)重），地道主體結(jié)構(gòu)底板下濕陷量計算值介于203～1308mm，濕陷性土層下界深度介于16.5～28.7m。按《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB 50025—2004）第6.1.4條規(guī)定，地基處理深度不應(yīng)小于濕陷性土層深度的2/3，且下部未處理濕陷性黃土層的剩余濕陷量不應(yīng)＞150mm。按此規(guī)定計算，地基處理厚度約12m。

由于處理厚度較大，建議采用擠密樁法進(jìn)行地基處理。擠密樁施工建議采用沉管法成孔和孔內(nèi)重錘夯實二次擠密工藝結(jié)合（DDC工法），孔內(nèi)填料建議選用3∶7灰土或水泥土。根據(jù)陜西濕陷性黃土地區(qū)建筑經(jīng)驗，采用DDC工法處理后的灰土擠密樁復(fù)合地基承載力特征值可達(dá)350kPa左右。

采用沉管法擠密和重錘夯實工藝時，應(yīng)在地基處理施工前，在現(xiàn)場選擇有代表性的地段進(jìn)行試驗或試驗性施工，試驗結(jié)果滿足設(shè)計要求（尤其是消除濕陷性厚度和處理后的地基承載力應(yīng)滿足要求），并應(yīng)取得合適的樁距、樁徑、布樁方式及夯填密度等必要的設(shè)計與施工參數(shù)后，方可進(jìn)行地基處理的最終設(shè)計與現(xiàn)場施工。

處理后的復(fù)合地基承載力特征值，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場靜載荷試驗結(jié)果確定。地基處理完成后，應(yīng)進(jìn)行人工地基檢測，以檢測結(jié)果最終進(jìn)行地基設(shè)計，并進(jìn)入下步工序施工。

施工完成后經(jīng)檢測，針對重度濕陷場地實際消除濕陷沉降量達(dá)到預(yù)期目的，效果良好。

7 其他工程

地道附屬工程設(shè)計主要包含圍護(hù)結(jié)構(gòu)、防水、排水、通風(fēng)、照明、裝飾、路面結(jié)構(gòu)等的設(shè)計，由于篇幅受限，且與本文討論內(nèi)容關(guān)系不大，因此不作贅述。

8 結(jié)束語

地道與建筑合建，此類全新的工程技術(shù)措施解決了市政道路與建筑用地在平面空間上的突出矛盾，對于目前城市用地緊張、道路拓展困難等問題提出了切實可行的解決方案。尤其是在復(fù)雜地基條件下實施，在國內(nèi)也較為新穎、前沿。故以此撰文，供廣大工程人員深入研究探討。