U型槽结构在某下穿铁路通道的设计与应用

王亚坤

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津市 300142）

U型槽结构在某下穿铁路通道的设计与应用

王亚坤

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津市 300142）

U型槽作为一种较新的结构形式，广泛应用于城市地铁、道路、铁路、高速公路建设中，并收到了良好的经济效益和社会效益。结合实际工程实例，对U型槽结构防水抗渗、抗浮设计、边墙及底板受力进行了分析和讨论，针对工程的地质、水文条件对封闭式U型槽结构的设计方法、要点及设计中应注意的问题进行了探讨，可为此类结构的设计提供参考和借鉴。

U型槽；抗浮设计；结构设计；防水设计

0 引言

近年来，中国经济实力飞速发展，城市规模也在逐渐扩大，城市布局和规划不断优化调整，早期建成的既有铁路成为许多城市建设的影响和控制要素，为了保证城市的发展以及行车的舒适、安全，大量城市道路交叉处需要将早期的平交改为立交穿越既有铁路，这些公铁立交的兴建，不可避免地会出现一些公路以路堑下钻的方式通过既有铁路。当下挖路堑沿线地下水水位较高，道路设计线低于地下水位，且周边不能永久性降水时，通常需设封闭式路堑U型槽结构。U型槽结构具有刚度大、变形小、稳定性好、收坡支挡防水效果优良，可广泛应用于公路、铁路下挖引道工程中[1-7]。

1 工程概况

某工程位于哈尔滨市滨江上行线铁路与市区某道路交叉口处，现状道路与既有铁路平交，并且现场不具备道路上跨铁路条件，道路需要以下穿方式通过既有铁路。新建道路以U型槽加框构形式下穿滨江上行线。工点范围内地下水为上层滞水及第四系孔隙水，主要靠大气降水补给，并以地下径流及蒸发方式排泄。上层滞水埋深3.2～4.5 m，分布不均，水位季节性变化幅度为1～2 m。

钻探资料揭示该工点主要地层从上至下依次为：第四系全新统（Q4ml）人工填土，主要为路基填土，其下为第四系全新统冲积（Q4ml）粉质黏土、粉砂、细砂、中砂、粉质黏土、粗砾砂等。

2 封闭式U型槽结构设计

式中：Fs为抗浮稳定安全系数，运营阶段不小于1.0；∑Gk为结构自重，kN；∑Gpk为底板上面层自重及交通荷载，kN；Ffk为结构所受浮力（kN）,按式（2）计算；Pwy为U型槽处于承压水层时所承受的承压水层的水头压力，按式（3）计算；γw为水的重度，kN/m3；α为浮力折减系数；A为结构在地下水位以下的面积（m2）；B为承压水作用宽度。

根据以往设计工程经验，本项目U型槽左右侧边墙顶宽均取0.5 m，边墙外侧墙面坡率 1∶0.15，内侧墙面坡率1∶0。采用这种随深度增加而边墙尺寸逐渐增大的边墙形式，可以更好的适应边墙外土压力和水压力的作用。U槽底板采用矩形断面，底板厚度依据不同挖深结合水位确定。本项目采用的U型槽断面形式见图1。

2.1 抗浮检算

对于U型槽，抗浮稳定性验算是十分必要的。由于U型槽一般作为永久工程，使用周期较长，同时本项目在施工过程采用管井降水时施工阶段地下水位低于基坑挖深0.5～1.0 m，因此本项目只对U型槽运营阶段的抗浮稳定性进行验算。运营阶段设计水位采用抗浮设计水位，抗浮荷载同时计入结构自重、底板上面层自重以及交通荷载。采用的抗浮检算公式如下：

图1U型槽横断面设计图

本项目以最大挖深的K0+740断面作为典型断面，经过计算抗浮安全系数为：

故U型槽可以通过自重实现抗浮稳定性要求，同时本项目对U型槽底板进行换填处理，换填50 cm厚的碎石垫层。碎石垫层可以起到排水、消减水压力以及提高地基承载力的作用。

2.2 边墙设计

U型槽边墙视为固定在底板的悬臂梁，主要受到边墙自重及边墙墙背水、土压力。本项目中U型槽边墙外回填碎石以减弱冻胀对边墙主体结构的影响，故对边墙水土压力采用分算法，同时考虑边墙上护栏对边墙的作用力，如果边墙墙顶外存在辅道，则将辅道汽车荷载用均布土柱来代替。

按照以上荷载作用组合计算后得到边墙各部分的最大剪力和弯矩，以此根据承载力极限状态法按正截面受弯构件进行设计边墙配筋，同时由斜截面受剪承载力计算配置受剪钢筋。另外钢筋设计还要满足正常使用极限状态下裂缝宽度验算及相关构造配筋要求。同时为了施工方便受力钢筋间距必须满足最小间距要求。经过计算典型断面处边墙所受的最大剪力为251 kN,最大弯矩为493 kN/m2。边墙纵横向主筋采用20 mmHRB335钢筋。

2.3 底板设计

U型槽底板可视为支撑于地基上的地基梁，按弹性地基梁进行计算，作用在弹性梁上的荷载除了结构自重、边墙背侧配重、地基反力、浮力外，还包括边墙传至底板的弯矩、剪力和竖向力以及行车荷载等，为了便于计算，将行车荷载按换算土柱考虑。结构自重和边墙背侧配重根据U型槽结构的断面尺寸及材料容重计算，边墙底部与底板相连接处视为刚性连接，边墙底部截面的弯矩施加在边墙与底板连接处，作为底板的集中弯矩考虑。本项目U型槽底板下换填碎石，板与地基完全接触，因此底板的计算可采用弹性地基梁中梁与地基共同作用。关于梁与地基共同作用中共有文克尔地基模型和郭氏表法，其中文克尔法适用于文克尔地基上的梁，可考虑不同的支撑条件：固定、铰支和自由；可考虑集中力和分布力的共同作用；可计算不同支撑条件、不同荷载组合情况下的单跨和多跨地基梁；郭氏表法可计算单跨梁上的各种荷载，包括边荷载，但查表有一定的限制范围。因此本项目中底板计算采用文克尔法地基模型进行计算分析，以K0+740断面为例 ,计算底板的受力和弯矩见图2。

图2 弹性地基梁计算简图

根据荷载组合求得的底板最大弯矩为319.5kN/m2，最大剪力为119.79 kN。底板纵横向主筋采用φ18 mmHRB335钢筋。为了保证U型槽结构的正常使用和耐久性，除了按照计算的弯矩、剪力以及裂缝控制来设计主筋外，还需要在结构中配置构造钢筋和分布钢筋。根据本项目U型槽断面形式及结构设计结果，边墙和底板整体配筋见图3。

图3 U型槽钢筋设计图

3 U型槽防水设计

U型槽在运营期间长期处于地下水位以下，为了保证主体结构本身的耐久性和坚固性，必须进行防水设计。结构防水设计遵循"以防为主、刚柔结合、多道防线、因地制宜、综合治理"的原则。本项目所在地区地下水位较高、补给来源丰富、地层渗透系数较大，本工程采用如下防水方案：封闭式路堑U型槽主体结构采用防水混凝土现浇，结构迎水面设附加防水层全包防水，同时针对伸缩缝（沉降缝）、变形缝等部位进行专项防水设计，并在结构迎水侧的缝外增设柔性加强层防水。

3.1 主体结构防水设计

本工程中U型槽主体结构防渗等级为二级，U型槽结构底板和边墙均采用C40防水钢筋混凝土现场浇筑，防水混凝土抗渗等级为P8，采用的水泥强度等级不低于P.O 42.5级。迎水面以及背水面钢筋混凝土保护层净厚度不小于一定厚度，以减少混凝土裂缝。背水面钢筋混凝土保护层净厚度不小于50 mm。为了增强主体结构的防水性能，U型槽主体结构迎水面（包括底板及边墙外侧）均设附加防水层（全包防水层）。附加防水层采用自粘式高聚物改性沥青防水卷材柔性防水层，单层卷材厚度不小于4 mm。采用的卷材应符合国家标准、地方标准及材料招标技术文件的有关技术标准。

3.2 细部构造防水设计

U型槽伸缩缝、变形缝等迎水面一侧的缝外应加强防水。加强层防水材料与外层全包防水层（即附加防水层）材料一致。加强层铺设于伸缩缝（沉降缝）、变形缝等各缝的外侧，全包防水层（即附加防水层）的内侧，并连续通铺。其中点与相应各缝的中点对齐。

U型槽防水混凝土应连续浇筑，宜少留施工缝，水平施工缝不应留在底板与边墙的交接处，应留在高出底板表面不小于300 mm的墙体上。垂直施工缝宜与变形缝设置在同一断面。用于U型槽伸缩的变形缝应满足密封防水、适应变形、施工方便等要求。每条变形缝位于边墙和底板的位置应连续、平顺、不得有错位和偏移，结构尺寸准确。变形缝采用止水带+防水材料+防水加强层。

U型槽后浇带应设在受力和变形较小的部位，其间距和位置按结构设计的要求确定。施工时后浇带部位和外贴式止水带应予以保护，严防落入杂物和损伤外贴式止水带；同时后浇带混凝土应该保证足够的养护时间。

4 结语

目前全国各地平改立项目开展很多，U型槽结构在下穿工程中应用比较广泛。本文通过哈尔滨市某下穿铁路通道项目对U型槽的结构、抗浮、防水设计等进行了论述，并且提出了在U型槽设计过程中应注意的问题。

（1）U型槽的抗浮设计决定着U型槽主体结构的尺寸，在抗浮设计中应合理考虑各种荷载的综合作用，另外在进行浮力计算时，抗浮设计水位的确定至关重要，抗浮设计水位应该根据地质勘测资料确定。

（2）U型槽设计中的难点是计算模型的简化，目前将边墙视为悬臂结构，将底板视为地基梁，按照弹性理论对结构主体进行分析。

（3）在U型槽配筋过程中，对于结构中容易出现应力集中的截面如边墙底部、底板固结段根部截面以及跨中截面等应加强配筋；另外U槽主体结构除了应该满足受力配筋外，还应配置必要的构造钢筋和分布钢筋。

（4）U型槽防水设计应以结构自防水为根本，伸缩缝（沉降缝）、变形缝等接缝防水为重点，辅以附加防水层加强防水，并应根据水文地质情况、施工方法、结构型式、防水标准和使用要求、技术经济指标综合确定有效、可靠、操作方便的防水方案，确保混凝土、钢筋混凝土结构的抗渗性、抗裂性和耐久性。

[1]李海光.新型支挡结构设计与工程实例[M].北京:人民交通出版社及,2011.

[2]孙爱斌,吴连海.天津某封闭式路堑U型槽结构的设计与计算[J].铁道工程学报,2006(7):49-53.

[3]有令超,孙爱斌.阜阳某U形槽结构的受力计算与抗浮设计[J].中外公路,2013(12):185-188.

[4]马新华,包海崧,张淑清.U型槽结构在严寒高水位下穿立交引道的应用[J].城市道路与防洪,2004(1):

[5]张劲松,吴连海.公路下穿式立交引道U型封闭式路堑结构的设计[J].铁道标准设计,2005(1):41-42:.

[6]马涛,邓帅.封闭式路堑U型槽结构设计分析[J].铁道勘察,2013(1): 36-38.

[7]丁兆锋,吴沛沛.U型槽结构设计与分析[J].铁道工程学报,2009(4): 13-16.

U443.5

B

1009-7716（2017）03-0124-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.034

2016-12-12

王亚坤（1988-），男，河南商丘人，工程师，从事道路勘察设计工作。