城市綜合交通樞紐框架隧道設計

陳 勇，袁 竹，何昌國

(中鐵二院工程集團有限責任公司,四川 成都 610031)

0 引言

隨著城鎮化的發展,城市人口越來越多,城市道路擁堵現象越發嚴重[1],過境交通與到達交通以及樞紐內部交通混合在一起,交通功能紊亂,城鎮交通面臨巨大的壓力[2-4]。新一輪的城鎮化和軌道交通的發展,越來越多開始兼顧衛星城主干道作用的老國道,與多種交通系統一起形成新的交通樞紐[5-7]。為緩解樞紐區域交通壓力,一般需對樞紐區域的交通進行分離,因具有噪聲干擾小、對城市景觀、周邊地塊商業價值和居住環境影響小等優點,下穿隧道在近年城市立體交通建設中逐漸增多[8-12]。對于長距離下穿綜合交通樞紐區域,現狀道路、軌道交通、用地紅線、管網、地下水位和路網交通等組成多種因素,為隧道斷面、結構參數等設計合理性提出了更高的要求[13-17]。

譚上俞等[18]基于結構荷載理論對城市下穿式矩形框架式隧道進行結構模型簡化,同時利用Ansys軟件進行了結構力學分析,分析結果表明矩形框架隧道在拐角處受力最不利,需在結構的設計和施工中根據結構截面強度驗算進行配筋加厚處理;王智等[19]結合溫州市域鐵路S1線一期工程土建施工SG13標段工程,闡述了單層多跨矩形框架式隧道的施工技術,重點介紹了結構施工步序、施工方案;吳煥慶[20]采用有限元分析法對下穿立交框架涵結構的埋置深度和橫截面各構件尺寸進行研究,對結構的埋置深度和橫截面各構件尺寸進行參數化分析,從而得到框架涵的最適埋深以及最適埋深下受力最佳橫截面尺寸,最終取得受力合理、用料節省的下穿式立交結構尺寸;李慧君等[21]運用Midas軟件建立厚板單元的三維空間模型和平面剛架模型對某斜交框架橋進行了分析。上述研究主要對框架隧道結構受力狀況,以及施工方法進行了探討。

本文以成都市郫縣紅光大道犀浦雙鐵站下穿隧道為例,針對長距離下穿綜合交通樞紐所面臨的近接軌道交通、各等級路網、管網密集、結構空間受限、地下水位變化大等問題對總體設計思路進行了梳理,擬定“局部加高風機襯砌和加深集水井”的限界豎向延伸設計思路和主體結構分段原則,對高低水位、調頭車道荷載、近接地鐵段地層損失和抗浮等多種工況組合進行數值分析,制定了主體非對稱配筋、上跨規劃地鐵段設板凳樁、底板縱筋加強等措施,其設計思路和方法可供類似工程借鑒。

1 工程概況

犀浦雙鐵站站前下穿隧道,設計標準為雙向六車道城市主干道,設計行車速度為60 km/h,全長1 700 m(含敞開段),其中暗埋段全長1 250 m,位于成都平原老成灌路G317下方、成灌高鐵和地鐵2號線犀浦站北側,從江西街以東依次下穿江西街、天府大道、浦發街、犀方路及泰山大道,在泰山大道西側出隧道,通過分離G317過境交通,減小轉向交通和直行交通的干擾,達到凈化樞紐區交通的作用。路線縱坡為-4.1%,0.3%,4.8%的凹形坡,主要穿越卵石土地層。項目平面圖如圖1所示,項目工程效果圖如圖2所示。

2 限界擬定及主體結構分類

2.1 主要控制因素

城市下穿隧道多沿既有道路改建,受既有路面、用地紅線、管線、景觀等諸多因素限制,本項目所處的犀浦綜合交通樞紐控制因素尤甚,主要平面、縱斷面控制因素如下:

1)對于路線平面,原老成灌路G317為雙向六車道,大體東西走向,成灌高鐵和地鐵二號線緊貼道路南側并行,北側緊鄰高層商業地產和住宅小區用地紅線,雨污水主干網絡并行,致使本項目隧道施工總寬度不足30 m。

2)對于路線縱斷面,原老成灌路G317縱坡為西高東低,既有道路以下0.5 m～3.5 m范圍布設著犀浦鎮最密集的各類管線,多數管線需要在隧道建成后原位恢復,規劃地鐵6號線(計劃2016年開工)兩座區間隧道在穿越本項目段需要控制埋深在地下15 m以內,以便于南側地下負二層設站對接成灌高鐵和地鐵2號線,研究表明,本地區卵石土地層中地鐵盾構施工塑性區主要發生在洞周2.5 m范圍,考慮地鐵6號線設計滯后于本項目,存在一定方案調整風險,擬定本項目隧道底板與下部地鐵區間隧道凈距3.5 m,則該段隧道結構高度不得大于9 m(地鐵埋深15 m-結構凈距3.5 m-頂部管線2.5 m)。

2.2 限界擬定

行車隧道建筑限界不僅應滿足汽車行駛的空間,還應滿足汽車行駛的安全、快捷、舒適和防災等要求。為有效緩解隧道內對向行車對駕乘人員造成的“側墻效應”,采取雙孔布置方式,結合以上控制因素,本隧道建筑限界擬定為單孔12 m×5 m(寬×高),具體如下:

基本寬度12 m=0.75 m(檢修道)+0.5 m(路緣帶)+3.25 m×2(小客車專用車道)+3.5 m(大型車或混行車道)+0.5 m(路緣帶)+0.25 m(安全帶)。

基本凈高:根據《城市道路工程設計規范》機動車道最小凈高為4.5 m,但本樞紐周邊各等級路網密集交叉,故按《公路隧道設計規范》之一級公路標準采用5.0 m。

結合照明、供電等運營管理設施安裝空間要求,擬定的內輪廓凈寬12.2 m,凈高(路面以上)5.65 m(見圖3)。

為保證運營期間的衛生和防災功能,根據本隧道長度和設計交通量,采用全射流縱向通風方案;為滿足排水要求,需要在最低點設置集水抽排設施。因橫向寬度通長受限、豎向高度局部受限,擬定“局部加高風機斷面和加深集水井”的限界豎向延伸設計思路,避開管線影響段設置6處局部加高的結構,以滿足隧道頂部風機安裝、運營要求;于隧道東端最低點選擇合理標高設置1處局部加深的集水井,并通過排水管與外部泵站相連,將排水控制功能區分離出去,方便運營維護。

2.3 主體結構分類

根據前2.1節控制因素擬定路線縱坡,以埋深為主要依據,將主體結構主要分為K型,K2型,風機框架3類襯砌,詳見表1。

表1 主體結構分類表 m

其中K1型框架縱向分布于隧道暗埋段進出口各86 m,包含洞口掉頭車道段;洞身段除6處28 m風機框架外,均為K2型框架,包含局部加上集水井段和上跨規劃地鐵6號線段。

3 主體數值計算及配筋

以局部變形理論為基礎,采用荷載-結構模型,隧道邊墻按彈性墻考慮,底板按彈性地基梁考慮,利用有限元軟件Ansys10.0,對不同工況荷載組合中隧道受力狀態進行數值模擬、分析,按《混凝土結構設計規范》(以下統稱《混規》)承載能力極限狀態對構件截面強度進行驗算,按正常使用極限狀態驗算構件裂縫寬度,合理控制配筋。

3.1 材料參數

根據地質勘察報告,圍巖材料參數如表2所示,框架主體采用C35鋼筋混凝土,其材料參數滿足《混規》要求。

表2 巖土力學參數

3.2 荷載擬定

通過調查分析本隧下穿犀浦綜合交通樞紐段的埋深、巖土、水位、路網構成及規劃等因素,確定本項目結構主要控制荷載如表3所示。

表3 主要控制荷載

對于本樞紐區域的高、低地下水位、汽車荷載考慮如下:

1)水位。據《成都平原水文地質圖》(1/10萬)資料:測區范圍內地下水水位埋深:枯水期為3.10 m,洪水期為1.56 m。隧道洞身主要穿越第四系松散堆積孔隙潛水含水層,滲透系數20 m/d～40 m/d,受地表補給、周邊大面積降水影響,水位變化較大。本項目地處交通樞紐和規劃經濟密集區,未來地鐵和周邊大型建筑施工期間等地下水位會長期處于低位,故取最不利低水位為結構底板以下;研究表明,長段地下建筑物建成后會對地下水產生阻隔,造成地下水位壅高,故取最不利高水位(即抗浮設計水位)為地面下1 m。

2)抗浮。通過最不利高水位進行抗浮檢算,當框架結構埋深小于2.5 m時,抗浮穩定系數小于1.2,需采取輔助抗浮措施。即K1型框架和風機框架段需設置2排～3排抗拔樁,單樁樁徑1 200 mm,樁長5 m,縱向間距4 m,框架數值計算考慮抗拔樁的約束作用。

3)車輛荷載。一般情況下,地面汽車荷載簡化為均布荷載。通過公式q=NQ/BL(N為橫向分布的車輛數,Q取公路-Ⅰ級車輛荷載550 kN,B為折減后的橫向分布車輛寬度,L=12.8 m為汽車前后軸總距),計算得出公路-Ⅰ級車輛荷載折算均布荷載分別為:1輛車時24 kPa,2輛車時18 kPa,4輛車時16 kPa,取最大值24 kPa,并直接取代施工荷載工況。

4)車道荷載。針對樞紐地面各路網密集交叉,需在臨近洞口的K1型襯砌頂部設置掉頭車道,本項目選取覆土0.5 m處的調頭車道模擬最不利車道荷載,按公路-Ⅰ級車道荷載均布荷載標準值取qk=10.5 kPa,集中荷載Pk按單孔凈跨13.5 m計算得220 kN,作用于雙孔跨中最大影響線峰值處。

3.3 荷載組合

為確定主要控制荷載的最不利組合,采用圖4—圖6組合進行數值模擬。

3.4 計算結果

經模擬分析,各工況組合得出的框架結構彎矩、軸力、剪力圖形態類似,如圖7—圖9所示,控制性斷面彎矩值如下:頂板與中隔墻交角正彎矩1 570 kN·m～3 570 kN·m,底板與中隔墻交角正彎矩449 kN·m～2 710 kN·m,頂板跨中負彎矩569 kN·m～1 240 kN·m,底板跨中負彎矩297 kN·m～1 540 kN·m。

3.5 非對稱配筋

對比各工況控制位置之計算配筋,得出各控制部位最不利配筋,K1型、K2型和風機型框架結構配筋結果詳見表4—表6。通過分析各工況計算配筋結果和配筋面積包絡圖(如圖10—圖12所示)可知,對于埋深較小的K1型和風機型框架之頂板配筋主要受高水位控制、底板配筋主要受低水位控制,其中考慮掉頭車道荷載的工況對頂板配筋最不利;對于埋深較大的K2型框架,除底板與邊墻交角配筋受高水位控制外,其余部位配筋主要受低水位控制。結構各部位的最不利配筋量差別較大,為兼顧結構的安全和經濟,按非對稱配筋原則,對控制性位置進行局部加強配筋。

表4 結構配筋結果-K1型框架

表5 結構配筋結果-K2型框架

表6 結構配筋結果-風機型框架

4 上跨規劃地鐵段措施

據前文結論,將隧道底板與下部地鐵區間隧道凈距定為3.5 m。近年來針對成都地鐵的研究表明[22],本地區卵石土地層具有地下水位高、卵漂石含量高和卵石強度高等“三高”特點,且離散性強,空隙多填充砂土,導致盾構開挖過程中掌子面易失穩,形成局部坍塌空洞。

4.1 板凳樁措施

為降低未來地鐵施工對本隧道運營及結構安全造成的影響,重點需解決地鐵開挖造成的土體卸載和地下水浮力作用問題,采取設置板凳樁跨越地鐵區間的措施,兼顧支撐與抗拔作用,即框架底板下設置3排φ1 200 mm鋼筋混凝土樁,上端與底板固接,下端錨固至地鐵設計結構底以下9 m,跨越地鐵段縱斷面詳見圖13。

4.2 數值分析及配筋

在主體數值計算的基礎上,模擬兩種最不利工況:(工況一)地鐵施工造成地層大量損失,即框架底板至地鐵底板間土體全無土體,底板抗力損失,摩擦樁承擔底板上方所有荷載;(工況二)地鐵區間上浮,底板承受上浮力,樁體起抗拔作用。兩工況結構變形云圖如圖14,圖15所示。

底板結構按雙向板進行檢算配筋,沿地鐵盾構隧道線路方向為x方向,沿紅光大道線路方向為y方向,兩工況檢算結果及配筋見表7,表8。分析可知,工況一、二分別控制底板上、下部最不利配筋,最大配筋部位為底板與中隔墻交角(x方向)和底板與樁交接處(y方向),故需要對上跨規劃地鐵段的K2型框架進行加強,即加強底板結構縱筋至10φ32。

表7 底板配筋結果-x方向

表8 底板配筋結果-y方向

5 結論及建議

1)為解決長距離下穿綜合交通樞紐所面臨的結構橫向寬度通長受限、豎向高度局部受限問題,設計采用“局部加高風機襯砌和加深集水井”的限界豎向延伸設計思路和主體結構分段原則。

2)為得出各控制部位最不利配筋,需對比多種荷載組合工況得到其配筋面積包絡圖;結構各部位的最不利配筋量差別較大,為兼顧結構的安全和經濟,按非對稱配筋原則,對控制性位置進行局部加強配筋。

3)框架隧道上跨規劃地鐵段時需考慮地鐵開挖造成的土體卸載和地下水浮力作用問題,采取設置板凳樁跨越地鐵區間同時加強底板縱向配筋的措施,土體卸載和地下水浮力分別控制底板上、下部最不利配筋。

4)由于實際施工狀況,場地環境等均會對結構受力造成影響,本文的結構設計及計算均從理論角度進行分析,具有一定局限性。在框架隧道實際施工中,可根據信息化手段對結構進行優化。