市政交叉道路下穿地道的設計與分析

譚志成， 鄧 璐

(湖南省公路設計有限公司，湖南 長沙 410000)

隨著市政交通基礎設施建設的快速發展，為了改善交通出行狀況，緩解交通壓力，提高城市空間利用率，大量市政道路平面交叉改造為立體交叉.市政下穿地道是一種特殊的地下空間結構，不僅可以搭建完善的交通系統，而且不占據地面以上空間，對街區景觀影響較小.它的應用及發展越來越受關注.

本文以石子鋪路與星沙聯絡線交叉改造工程為背景，詳細介紹下穿地道中的結構設計、抗浮防水設計及基坑圍護設計等技術問題.

1 工程概況

星沙聯絡線萬家麗路以西主線為快速路(雙六)，萬家麗路以東為主輔合并的主干路(雙六)，萬家麗路以東段為利用既有水渡河路拓寬展線.根據交通量預測結果，萬家麗路以東的目標年(2035年)交通流量可達到快速路的服務水平.

圖1 目標年流量示意圖(單位:pcu/h)

星沙聯絡線將石子鋪路與西霞路之間的機電市場分割成南北兩塊區域.原水渡河路與石子鋪路為平面交叉，既有石子鋪路為城市次干道，雙向兩車道，全幅寬20m，車行道寬12m.

2 工程方案設計

雖然萬家麗以東為城市主干道，但星沙聯絡線建成后，沿線開發加快、區域交通量會爆發增長，其交通需求、功能和重要性足可以達到快速路的定義.為使過往車輛連續、快速通行，星沙聯絡線與石子鋪路最合理的交叉形式為分離式立體交叉.

選取石子鋪路下穿地道和上跨立交橋兩種方案進行比選.

表1 技術經濟比較表

通過技術經濟比較，推薦采用下穿地道方案.既能滿足石子鋪路南北向車輛直通的要求，又具有對主線的行車視線不產生影響，以保證其舒適性，同時對兩側既有建筑的居民不造成視線阻隔的突出優勢.

3 下穿地道總體設計

地質勘察報告揭示地表為1.2～14.2m厚的素填土、粉質粘土覆蓋，下伏基巖為白堊系上統廖田墟組含礫粉砂巖，含礫粉砂巖全風化帶厚度大于18.6m，未曾揭露中風化層.素填土、粉質粘土的承載力基本容許值分別為110～150kPa、120kPa.場區內人工填土層內的上層滯水發育，無統一水位線，勘察時水位埋深0.5～2.2m，水量、水位動態變化大，受大氣降水及場地環境變化影響大，基坑抗浮設防水位標高建議取接近地表.

該下穿地道全長330m，其中暗埋框架80.6m，U型槽249.4m，兩端接路基重力式護肩墻.地道主體結構共分為16個獨立塊件，塊件間設3cm止水型變形縫，變形縫處主體結構沿底板變形縫按30cm間距設置φ40mm轉力桿.暗埋框架采用單孔箱室截面,凈空為8.5m×5.6m，箱高7.1m，頂板、立墻厚70cm，底板厚80cm.U型槽采用倒“∏”型截面，全寬11.7m，凈寬8.5m，底板厚0.75～1m，根據立墻整米高度H不同進行變化；立墻頂部1m豎直段厚50cm，底部厚度隨墻高變化，外側坡率12∶1.

圖2 下穿地道縱向分塊示意圖

圖3 暗埋框架剖面(單位:cm)

圖4 U型槽剖面(單位:cm)

4 地道結構計算及配筋

4.1 計算圖示

地道結構按鋼筋混凝土構件設計，框架裂縫寬度控制值為0.15mm，U型槽裂縫寬度控制值為0.18mm.采用橋梁結構分析軟件《橋梁博士V3.6》，按平面桿系進行計算時，可用簡化的圖形為模型代替實構.針對框架和U型槽的結構特點，在地道縱向框架取一個車道加載寬度3.1m寬、U型槽取10m標準段作為計算單位[1].頂板、立墻及底板均簡化為梁單元，彈性地基用密布的彈性壓桿模擬，采用溫克爾基床系數等剛度原則換算壓桿剛度[2].

圖5 框架及U型槽計算模型

4.2 荷載分析

地道結構的受力主要包括：結構自重、汽車荷載、地基承載力、地下水壓力及立墻土壓力.頂板的汽車荷載按城-A級車道荷載計入，立墻和底板的汽車荷載按換算成均布土層計入；地下水壓力按靜止水壓力考慮；立墻土壓力按靜止土壓力考慮[3].

以上外力荷載并非同時作用于地道結構上，計算時應根據結構特性考慮荷載組合的多種可能性.

4.3 框架配筋驗算

暗埋框架結構的骨架鋼筋間距為125mm，鋼筋直徑為22mm，頂、底板除通常鋼筋外設置了上、下彎起鋼筋.

圖6 框架的強度及裂縫驗算結果圖形

經最不利工況組合計算，構件承載力設計值均大于作用效應組合設計值，且截面最小富余較大，承載能力完全滿足要求.在短期效應組合并考慮長期效應影響下，最大裂縫寬度為0.145mm≤0.15mm，滿足鋼筋混凝土構件裂縫寬度的要求.

4.4 U型槽配筋驗算

U型槽結構的骨架鋼筋間距為125mm，根據立墻不同整米高度配置鋼筋如下表：

表2 U型槽鋼筋配置表

圖7 6mU型槽的強度及裂縫驗算結果圖形

經最不利工況組合計算，構件承載力設計值均大于作用效應組合設計值，且截面最小富余較大，承載能力完全滿足要求.在短期效應組合并考慮長期效應影響下，立墻高度H為4m、6m和8m的U型槽最大裂縫寬度分別為0.108mm、0.113mm和0.177mm≤0.18mm，滿足鋼筋混凝土構件裂縫寬度的要求.

5 地道地基承載力及抗浮驗算

5.1 地基承載力

地道的局部加載計算采用城-A級車輛荷載，車輛長度18m，總軸重標準值700kN.暗埋框架及U型槽奠基于素填土或承載力低于150kPa的粉質粘土之上時，應對地基承載力進行驗算.驗算公式如下：

Pz

式中Pz—底板底面處的壓應力(kPa)；

faz—地基頂面土的承載力基本容許值(kPa).

表3 結構基底壓應力表

經計算，暗埋框架底板底面處最大壓應力為144kPa，設計要求框架地基承載力不小于150kPa，基底設置30cm碎石+10cm細石混凝土墊層，局部承載力達不到設計要求的對90cm深度范圍地基采用片石擠密壓實[4].U型槽底板底面處最大壓應力為102kPa，設計要求U型槽地基承載力不小于120kPa，基底設置30cm碎石+10cm細石混凝土墊層.

5.2 抗浮驗算

當暗埋框架及U型槽結構所處位置的地下水位較高時，應對其進行抗浮穩定性驗算.其抗浮穩定系數不宜小于1.05.當抗浮穩定系數小于1.05時，需采取抗浮措施，其抗浮穩定系數不宜小于2.0.抗浮穩定系數計算公式如下：

Kt=γG/KFt

式中Kt—抗浮穩定系數；

γ—荷載分項系數，一般取0.9；

G—結構及附屬設施自重；

K—浮力折減系數，對于黏性土地基取0.9；

Ft—地下水對結構的浮力，地下水位標高算至地面線.

表4 結構抗浮穩定系數表

圖8 抗浮壓頂梁構造圖(單位:cm)

經計算，暗埋框架及立墻高度H=3～5mU型槽的抗浮穩定系數均大于1.05.立墻高度H=6～8mU型槽抗浮穩定系數不滿足要求，利用圍護結構在懸挑底板上方設置40cm×70cm壓頂梁，計入圍護結構的自重及側摩阻力共同達到抗浮目的.

6 地道防排水設計

主體結構以自防水為主，采用C40防水混凝土，抗滲等級不小于P8.框架及U型槽節段間變形縫采用中埋式止水帶和可卸式止水帶復合形式防水，縱向施工縫采用鋼板止水帶防水.凡地道砼面與土質相接觸之面，均須以自粘聚合物改性瀝青、PVC防水卷材外包防水.地道兩側設置縱向排水溝，在框架進出口及最低點共設置三道截水溝，雨水通過集水井集水、管道自排的方式接入主線管網.

圖9 變形縫、施工縫防水構造圖(單位:mm)

7 地道基坑圍護

7.1 圍護結構設計

石子鋪路兩側建筑密集且緊靠既有道路，東側為機電市場磚混建筑，西北側為工程職院體育館，西南側為春天里小區高層框架建筑.受場地限制，為確保既有建筑物及施工安全，根據不同的基坑開挖深度采用以下兩種圍護結構型式.

⑴ 基坑深度H≤2.5m

采用1∶1放坡開挖,并采取臨時支護措施，保證坡面穩定.支護參數：?8@150mm×150mm掛網噴砼，面層C20噴射混凝土厚度100mm，?20錨桿長度2m,間距1.5m×1.5m.

圖10 H≤2.5m圍護結構剖面圖(單位:cm)

⑵基坑深度H>2.5m

采用?800@1200mm鉆孔灌注樁，樁間采用?600mm的雙重管旋噴樁止水[2]，圍護樁均采用混凝土標號C30.

圍護樁插入深度設計原則：當基坑開挖深度大于6m時采用插入深度為6m；當基坑深度小于6m時，插入深度等于基坑開挖深度.

圖11 H>2.5m圍護結構剖面圖(單位:cm)

圖12 圍護樁大樣圖(單位:mm)

7.2 圍護結構計算

圍護結構按臨時構件考慮，基坑開挖期間作為擋土構件，承受全部水土壓力及地面超載，構件按強度控制設計，不進行裂縫驗算.采用理正深基坑軟件進行內力、變形及穩定性計算，即采用彈性支點桿系有限元法，水平抗力系數采用m法取值.

根據《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120-2012)和基坑周圍環境條件、基坑深度，確定本站基坑側壁安全等級為B級，基坑側壁變形控制保護等級標準為B級，地面最大沉降量≤30mm(≤0.2%H 且≤30mm)，圍護結構最大水平位移≤25mm(≤0.15%H 且≤30mm).

7.3 基坑監測

為保證基坑開挖安全，施工監測范圍為2h(h為基坑開挖深度)，范圍內的建(構)筑物均需進行全程監測，根據本工程特點確定的監控量測內容有：①基坑頂部水平位移，②基坑底部水平位移，③坑外地表沉降，④周邊管線變形，⑤地面建筑物沉降，⑥地面建筑物傾斜，⑦坑外地下水位.

8 結語

市政交叉道路的下穿地道設計是一個系統性工程，涉及多項專業內容，需注意的要點如下：

⑴ 暗埋框架及U型槽受力復雜，按彈性理論對其進行計算分析是較普遍且可行的方法.

⑵ 在素填土、軟弱土或地下水發育的地段應采取地基加固和抗浮措施，以滿足地道主體結構地基承載力、抗浮穩定性的要求.

⑶ 對于凈寬不寬的地道而言，利用圍護結構自重及側摩阻力的抗浮壓頂梁，相較于常規設計的抗浮樁具有突出優勢，既簡化設計、節省造價，又方便施工確保質量.

⑷ 地道的防排水是主體結構耐久性的有效保障，施工時應予以高度重視，須克服基坑施工環境的局限，確保工藝質量以避免主體結構后期滲水.

隨著暗埋框架及U型槽結構的應用逐漸增多，工程實踐經驗不斷積累，其主體結構設計在技術上將有待進一步研究、完善和提高.