市政交叉道路下穿地道的设计与分析

谭志成， 邓 璐

(湖南省公路设计有限公司，湖南 长沙 410000)

随着市政交通基础设施建设的快速发展，为了改善交通出行状况，缓解交通压力，提高城市空间利用率，大量市政道路平面交叉改造为立体交叉.市政下穿地道是一种特殊的地下空间结构，不仅可以搭建完善的交通系统，而且不占据地面以上空间，对街区景观影响较小.它的应用及发展越来越受关注.

本文以石子铺路与星沙联络线交叉改造工程为背景，详细介绍下穿地道中的结构设计、抗浮防水设计及基坑围护设计等技术问题.

1 工程概况

星沙联络线万家丽路以西主线为快速路(双六)，万家丽路以东为主辅合并的主干路(双六)，万家丽路以东段为利用既有水渡河路拓宽展线.根据交通量预测结果，万家丽路以东的目标年(2035年)交通流量可达到快速路的服务水平.

图1 目标年流量示意图(单位:pcu/h)

星沙联络线将石子铺路与西霞路之间的机电市场分割成南北两块区域.原水渡河路与石子铺路为平面交叉，既有石子铺路为城市次干道，双向两车道，全幅宽20m，车行道宽12m.

2 工程方案设计

虽然万家丽以东为城市主干道，但星沙联络线建成后，沿线开发加快、区域交通量会爆发增长，其交通需求、功能和重要性足可以达到快速路的定义.为使过往车辆连续、快速通行，星沙联络线与石子铺路最合理的交叉形式为分离式立体交叉.

选取石子铺路下穿地道和上跨立交桥两种方案进行比选.

表1 技术经济比较表

通过技术经济比较，推荐采用下穿地道方案.既能满足石子铺路南北向车辆直通的要求，又具有对主线的行车视线不产生影响，以保证其舒适性，同时对两侧既有建筑的居民不造成视线阻隔的突出优势.

3 下穿地道总体设计

地质勘察报告揭示地表为1.2～14.2m厚的素填土、粉质粘土覆盖，下伏基岩为白垩系上统廖田墟组含砾粉砂岩，含砾粉砂岩全风化带厚度大于18.6m，未曾揭露中风化层.素填土、粉质粘土的承载力基本容许值分别为110～150kPa、120kPa.场区内人工填土层内的上层滞水发育，无统一水位线，勘察时水位埋深0.5～2.2m，水量、水位动态变化大，受大气降水及场地环境变化影响大，基坑抗浮设防水位标高建议取接近地表.

该下穿地道全长330m，其中暗埋框架80.6m，U型槽249.4m，两端接路基重力式护肩墙.地道主体结构共分为16个独立块件，块件间设3cm止水型变形缝，变形缝处主体结构沿底板变形缝按30cm间距设置φ40mm转力杆.暗埋框架采用单孔箱室截面,净空为8.5m×5.6m，箱高7.1m，顶板、立墙厚70cm，底板厚80cm.U型槽采用倒“∏”型截面，全宽11.7m，净宽8.5m，底板厚0.75～1m，根据立墙整米高度H不同进行变化；立墙顶部1m竖直段厚50cm，底部厚度随墙高变化，外侧坡率12∶1.

图2 下穿地道纵向分块示意图

图3 暗埋框架剖面(单位:cm)

图4 U型槽剖面(单位:cm)

4 地道结构计算及配筋

4.1 计算图示

地道结构按钢筋混凝土构件设计，框架裂缝宽度控制值为0.15mm，U型槽裂缝宽度控制值为0.18mm.采用桥梁结构分析软件《桥梁博士V3.6》，按平面杆系进行计算时，可用简化的图形为模型代替实构.针对框架和U型槽的结构特点，在地道纵向框架取一个车道加载宽度3.1m宽、U型槽取10m标准段作为计算单位[1].顶板、立墙及底板均简化为梁单元，弹性地基用密布的弹性压杆模拟，采用温克尔基床系数等刚度原则换算压杆刚度[2].

图5 框架及U型槽计算模型

4.2 荷载分析

地道结构的受力主要包括：结构自重、汽车荷载、地基承载力、地下水压力及立墙土压力.顶板的汽车荷载按城-A级车道荷载计入，立墙和底板的汽车荷载按换算成均布土层计入；地下水压力按静止水压力考虑；立墙土压力按静止土压力考虑[3].

以上外力荷载并非同时作用于地道结构上，计算时应根据结构特性考虑荷载组合的多种可能性.

4.3 框架配筋验算

暗埋框架结构的骨架钢筋间距为125mm，钢筋直径为22mm，顶、底板除通常钢筋外设置了上、下弯起钢筋.

图6 框架的强度及裂缝验算结果图形

经最不利工况组合计算，构件承载力设计值均大于作用效应组合设计值，且截面最小富余较大，承载能力完全满足要求.在短期效应组合并考虑长期效应影响下，最大裂缝宽度为0.145mm≤0.15mm，满足钢筋混凝土构件裂缝宽度的要求.

4.4 U型槽配筋验算

U型槽结构的骨架钢筋间距为125mm，根据立墙不同整米高度配置钢筋如下表：

表2 U型槽钢筋配置表

图7 6mU型槽的强度及裂缝验算结果图形

经最不利工况组合计算，构件承载力设计值均大于作用效应组合设计值，且截面最小富余较大，承载能力完全满足要求.在短期效应组合并考虑长期效应影响下，立墙高度H为4m、6m和8m的U型槽最大裂缝宽度分别为0.108mm、0.113mm和0.177mm≤0.18mm，满足钢筋混凝土构件裂缝宽度的要求.

5 地道地基承载力及抗浮验算

5.1 地基承载力

地道的局部加载计算采用城-A级车辆荷载，车辆长度18m，总轴重标准值700kN.暗埋框架及U型槽奠基于素填土或承载力低于150kPa的粉质粘土之上时，应对地基承载力进行验算.验算公式如下：

Pz

式中Pz—底板底面处的压应力(kPa)；

faz—地基顶面土的承载力基本容许值(kPa).

表3 结构基底压应力表

经计算，暗埋框架底板底面处最大压应力为144kPa，设计要求框架地基承载力不小于150kPa，基底设置30cm碎石+10cm细石混凝土垫层，局部承载力达不到设计要求的对90cm深度范围地基采用片石挤密压实[4].U型槽底板底面处最大压应力为102kPa，设计要求U型槽地基承载力不小于120kPa，基底设置30cm碎石+10cm细石混凝土垫层.

5.2 抗浮验算

当暗埋框架及U型槽结构所处位置的地下水位较高时，应对其进行抗浮稳定性验算.其抗浮稳定系数不宜小于1.05.当抗浮稳定系数小于1.05时，需采取抗浮措施，其抗浮稳定系数不宜小于2.0.抗浮稳定系数计算公式如下：

Kt=γG/KFt

式中Kt—抗浮稳定系数；

γ—荷载分项系数，一般取0.9；

G—结构及附属设施自重；

K—浮力折减系数，对于黏性土地基取0.9；

Ft—地下水对结构的浮力，地下水位标高算至地面线.

表4 结构抗浮稳定系数表

图8 抗浮压顶梁构造图(单位:cm)

经计算，暗埋框架及立墙高度H=3～5mU型槽的抗浮稳定系数均大于1.05.立墙高度H=6～8mU型槽抗浮稳定系数不满足要求，利用围护结构在悬挑底板上方设置40cm×70cm压顶梁，计入围护结构的自重及侧摩阻力共同达到抗浮目的.

6 地道防排水设计

主体结构以自防水为主，采用C40防水混凝土，抗渗等级不小于P8.框架及U型槽节段间变形缝采用中埋式止水带和可卸式止水带复合形式防水，纵向施工缝采用钢板止水带防水.凡地道砼面与土质相接触之面，均须以自粘聚合物改性沥青、PVC防水卷材外包防水.地道两侧设置纵向排水沟，在框架进出口及最低点共设置三道截水沟，雨水通过集水井集水、管道自排的方式接入主线管网.

图9 变形缝、施工缝防水构造图(单位:mm)

7 地道基坑围护

7.1 围护结构设计

石子铺路两侧建筑密集且紧靠既有道路，东侧为机电市场砖混建筑，西北侧为工程职院体育馆，西南侧为春天里小区高层框架建筑.受场地限制，为确保既有建筑物及施工安全，根据不同的基坑开挖深度采用以下两种围护结构型式.

⑴ 基坑深度H≤2.5m

采用1∶1放坡开挖,并采取临时支护措施，保证坡面稳定.支护参数：∅8@150mm×150mm挂网喷砼，面层C20喷射混凝土厚度100mm，∅20锚杆长度2m,间距1.5m×1.5m.

图10 H≤2.5m围护结构剖面图(单位:cm)

⑵基坑深度H>2.5m

采用∅800@1200mm钻孔灌注桩，桩间采用∅600mm的双重管旋喷桩止水[2]，围护桩均采用混凝土标号C30.

围护桩插入深度设计原则：当基坑开挖深度大于6m时采用插入深度为6m；当基坑深度小于6m时，插入深度等于基坑开挖深度.

图11 H>2.5m围护结构剖面图(单位:cm)

图12 围护桩大样图(单位:mm)

7.2 围护结构计算

围护结构按临时构件考虑，基坑开挖期间作为挡土构件，承受全部水土压力及地面超载，构件按强度控制设计，不进行裂缝验算.采用理正深基坑软件进行内力、变形及稳定性计算，即采用弹性支点杆系有限元法，水平抗力系数采用m法取值.

根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-2012)和基坑周围环境条件、基坑深度，确定本站基坑侧壁安全等级为B级，基坑侧壁变形控制保护等级标准为B级，地面最大沉降量≤30mm(≤0.2%H 且≤30mm)，围护结构最大水平位移≤25mm(≤0.15%H 且≤30mm).

7.3 基坑监测

为保证基坑开挖安全，施工监测范围为2h(h为基坑开挖深度)，范围内的建(构)筑物均需进行全程监测，根据本工程特点确定的监控量测内容有：①基坑顶部水平位移，②基坑底部水平位移，③坑外地表沉降，④周边管线变形，⑤地面建筑物沉降，⑥地面建筑物倾斜，⑦坑外地下水位.

8 结语

市政交叉道路的下穿地道设计是一个系统性工程，涉及多项专业内容，需注意的要点如下：

⑴ 暗埋框架及U型槽受力复杂，按弹性理论对其进行计算分析是较普遍且可行的方法.

⑵ 在素填土、软弱土或地下水发育的地段应采取地基加固和抗浮措施，以满足地道主体结构地基承载力、抗浮稳定性的要求.

⑶ 对于净宽不宽的地道而言，利用围护结构自重及侧摩阻力的抗浮压顶梁，相较于常规设计的抗浮桩具有突出优势，既简化设计、节省造价，又方便施工确保质量.

⑷ 地道的防排水是主体结构耐久性的有效保障，施工时应予以高度重视，须克服基坑施工环境的局限，确保工艺质量以避免主体结构后期渗水.

随着暗埋框架及U型槽结构的应用逐渐增多，工程实践经验不断积累，其主体结构设计在技术上将有待进一步研究、完善和提高.