地下隧道與跨河橋梁結(jié)合設(shè)計(jì)研究

邱金亮，方水平

（1.撫州贛東公路設(shè)計(jì)院，江西 撫州 344000；2.江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江西南昌330000）

0 引言

為提高城市空間利用水平，滿足城市化發(fā)展過(guò)程中人們生活、交通的各種需求，地下隧道與跨河橋梁結(jié)合設(shè)計(jì)的項(xiàng)目不斷增加，并取得了良好的使用效果，對(duì)于促進(jìn)城市發(fā)展發(fā)揮了積極作用。為進(jìn)一步保障此類(lèi)橋梁隧道設(shè)計(jì)的科學(xué)性、安全性以及實(shí)用性，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地下隧道與跨河橋梁結(jié)合設(shè)計(jì)的研究。

1 地下隧道與跨河橋梁結(jié)合設(shè)計(jì)思路

橋梁的主要功能是為車(chē)輛以及行人提供相應(yīng)交通服務(wù)，滿足人們出行需求。隨著當(dāng)前社會(huì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，人們的生活水平提高，機(jī)動(dòng)車(chē)保有量不斷增加，交通壓力也不斷增大，同時(shí)，由于橋梁結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)，其對(duì)于車(chē)流量有一定限制，在通車(chē)高峰期，可能會(huì)存在安全隱患。為實(shí)現(xiàn)對(duì)人流量和車(chē)流量的分流，緩解橋梁運(yùn)輸壓力，保障人們出行安全，本文提出地下隧道與跨河橋梁結(jié)合設(shè)計(jì)的思路。

2.1 設(shè)計(jì)思路

本文所討論的結(jié)合設(shè)計(jì)，主要包括橋梁結(jié)構(gòu)以及地下隧道兩個(gè)部分，地下隧道位于橋梁的正下方，能夠有效避免地下隧道繞開(kāi)橋梁設(shè)計(jì)方案帶來(lái)的空間浪費(fèi)，并保持隧道與橋梁通行方向相同，用于輔助橋梁分流人群和車(chē)輛，保障交通的通暢性以及安全性。其中橋梁部分包括橋跨、承臺(tái)、橋墩以及墩臺(tái)，地下隧道部分包括基樁。橫截面形狀和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要根據(jù)實(shí)際情況合理選擇相應(yīng)結(jié)構(gòu)[1]。該設(shè)計(jì)思路的縱斷面情況如圖1所示。

圖1 地下隧道與跨河橋梁結(jié)合設(shè)計(jì)縱斷面圖

2.2 方案優(yōu)勢(shì)

該方案的設(shè)計(jì)思路其主要優(yōu)勢(shì)在于地下隧道處于橋梁正下方，有效避免了由于地下隧道繞行橋梁而占用的大量空間，極大地提升了空間利用效率，同時(shí)還縮小了實(shí)際施工過(guò)程中需要進(jìn)行圍護(hù)施工的范圍，進(jìn)一步減少了土方開(kāi)挖工程量以及相應(yīng)成本，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工程造價(jià)的有效控制。同時(shí)，通過(guò)地下隧道與橋梁的結(jié)合設(shè)計(jì)，還有效解決了交通運(yùn)輸擁堵的問(wèn)題，能為人們提供更好的交通服務(wù)，保障了運(yùn)輸安全。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

本文以某城市下穿隧道與跨河橋梁設(shè)計(jì)項(xiàng)目為例展開(kāi)研究和分析。該項(xiàng)目施工路段全長(zhǎng)10 230m，路寬50～60m 之間，根據(jù)該城市規(guī)劃建設(shè)實(shí)際情況和要求，項(xiàng)目工程路段設(shè)計(jì)車(chē)輛行駛速度為60km/h，其下穿隧道路段長(zhǎng)度為1 530m，高路段穿越的河道為復(fù)式斷面結(jié)構(gòu)，寬40m，該河道水位正常的情況下，水深在1.5m 左右，其洪水位河深可達(dá)3m 左右。由于項(xiàng)目所在地的地理位置特殊，其地層主要為素填土、黏土等，其抗震設(shè)防烈度需達(dá)到8 度。在實(shí)際進(jìn)行橋梁和地下隧道設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，科學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保障橋梁隧道的使用安全[2]。

2.2 橋梁方案

結(jié)合本項(xiàng)目工程實(shí)際情況，此施工路段地面以及地下部分的寬度都較大，因此在實(shí)際進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)橋梁基礎(chǔ)與地下隧道頂板之間相接觸的情況，為進(jìn)一步保障橋梁和隧道使用安全，應(yīng)在合理的范圍內(nèi)，盡量縮短橋梁的跨度，以避免橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)地下隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)多的荷載，影響整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及安全性。除要考慮橋梁和隧道的使用安全問(wèn)題外，由于橋梁位于地面之上，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，還需要考慮橋梁美觀性方面的問(wèn)題，保障河道景觀符合城市發(fā)展建設(shè)整體規(guī)劃要求，結(jié)合本工程項(xiàng)目實(shí)際情況以及城市建設(shè)特點(diǎn)，選擇拱橋方案。

在進(jìn)行下部橋梁方案設(shè)計(jì)的過(guò)程中，由于本工程中地面道路寬度較大，因此，存在部分橋梁與地下隧道頂板相接，而另一部分橋梁位于地下隧道以外的情況。對(duì)此，在實(shí)際進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)的過(guò)程中，為保障整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提出以下兩種設(shè)計(jì)方案：①為在地下隧道頂板位置，設(shè)置耳朵懸挑梁；②在隧道兩側(cè)位置設(shè)置閉合框架，以增加橋梁的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)相應(yīng)模擬分析之后，發(fā)現(xiàn)第一種處理方式與實(shí)際施工情況可能存在較大出入，且在地下隧道施工過(guò)程中，還會(huì)對(duì)周邊土層造成不良影響，此外，懸挑梁還可能由于框架結(jié)構(gòu)剛度影響而出現(xiàn)變形情況，影響整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此經(jīng)過(guò)科學(xué)分析后，選擇了第二種處理方案。

2.3 隧道方案

隧道的設(shè)計(jì)包括基樁部分、截面形狀以及截面結(jié)構(gòu)。本方案中，隧道與墩臺(tái)下方均需要設(shè)置基樁作為支撐體系，基于本工程項(xiàng)目實(shí)際情況，相較于橋梁而言，地下隧道的年限較短，且沉降情況也較嚴(yán)重，為保障后續(xù)施工環(huán)節(jié)的便利性，同時(shí)方便后期地下隧道的維護(hù)和維修，避免在隧道維護(hù)保養(yǎng)或更換施工的過(guò)程中對(duì)上部橋梁產(chǎn)生不良影響，在本項(xiàng)目當(dāng)中，并未將地下隧道與承臺(tái)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，而是在地下隧道底部進(jìn)行了樁基設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)地下隧道的支撐[3]。其橫截面示意圖如圖2所示。

圖2 地下隧道與跨河橋梁結(jié)合設(shè)計(jì)橫截面圖

在進(jìn)行地下隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，根據(jù)項(xiàng)目需求，設(shè)置管廊、人行道以及非機(jī)動(dòng)車(chē)道等，以保障地下隧道功能的充分發(fā)揮，達(dá)到為地上橋梁交通分流的目的。除了圖2 中所設(shè)計(jì)的矩形外，其橫截面的形狀還可以根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)為圓形或者橢圓形。案例工程當(dāng)中，其橫截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三孔，根據(jù)地下隧道的功能以及實(shí)際需求不同，還可將其設(shè)計(jì)為單孔、雙孔或其他多孔結(jié)構(gòu)。本案例工程中，將地下隧道設(shè)計(jì)為箱涵結(jié)構(gòu)，主要包括頂板、側(cè)墻和中墻三個(gè)部分，并在相鄰?fù)ǖ乐g設(shè)置蓋梁等結(jié)構(gòu)，以保障隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及可靠性。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合案例工程實(shí)際情況，其上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土板拱，采用無(wú)鉸拱結(jié)構(gòu)，設(shè)置拱軸中心半徑為12.8m，跨徑為20m，高度為5m。橋梁腹部拱圈為無(wú)鉸拱和三鉸拱兩種形式，拱軸中心半徑為1.95m，跨徑為2.6m，高度為0.5m。橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要針對(duì)框架下基礎(chǔ)形式，根據(jù)實(shí)際情況，將其設(shè)計(jì)為4 孔框架，兩側(cè)框架寬度差約為4m，其中右側(cè)相對(duì)較寬，地下隧道中間部分的寬度為28.5m，框內(nèi)凈高度為5m，并在地下隧道邊墻以及中墻位置下方設(shè)置1.5m基樁，基樁縱向間距為4.2m。

2.5 設(shè)計(jì)分析

本工程下部結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜，為保障整個(gè)橋梁和地下隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及可靠性，需要對(duì)其受力情況進(jìn)行綜合分析，包括上部結(jié)構(gòu)影響、樁基影響以及下部框架情況等，并進(jìn)行邊界條件模擬[4]。結(jié)合我國(guó)相關(guān)路橋設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)項(xiàng)目工程邊界條件進(jìn)行模擬分析，根據(jù)案例項(xiàng)目土質(zhì)，分別對(duì)其黏土豎向基床系數(shù)為5 000、10 000 以及20 000kN/m3三種情況進(jìn)行分析，并分別按照這三個(gè)系數(shù)，對(duì)地基土中樁以及邊莊的頂反力情況進(jìn)行模擬和計(jì)算，得到的平均值情況如表1所示。

表1 基樁頂反力情況

3 結(jié)語(yǔ)

本文探討了地下隧道與跨河橋梁結(jié)合設(shè)計(jì)的思路，分析了該設(shè)計(jì)方案的主要優(yōu)勢(shì)，結(jié)合實(shí)際工程案例，根據(jù)該設(shè)計(jì)思路提出了地下隧道與跨河橋梁設(shè)計(jì)方案，介紹了橋梁以及隧道設(shè)計(jì)方案，明確了相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)，并結(jié)合國(guó)家相關(guān)規(guī)范，對(duì)該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行邊界條件模擬計(jì)算，結(jié)果表明，5 000kN/m3的地基系數(shù)適用于本工程。