城市综合交通枢纽框架隧道设计

陈 勇，袁 竹，何昌国

(中铁二院工程集团有限责任公司,四川 成都 610031)

0 引言

随着城镇化的发展,城市人口越来越多,城市道路拥堵现象越发严重[1],过境交通与到达交通以及枢纽内部交通混合在一起,交通功能紊乱,城镇交通面临巨大的压力[2-4]。新一轮的城镇化和轨道交通的发展,越来越多开始兼顾卫星城主干道作用的老国道,与多种交通系统一起形成新的交通枢纽[5-7]。为缓解枢纽区域交通压力,一般需对枢纽区域的交通进行分离,因具有噪声干扰小、对城市景观、周边地块商业价值和居住环境影响小等优点,下穿隧道在近年城市立体交通建设中逐渐增多[8-12]。对于长距离下穿综合交通枢纽区域,现状道路、轨道交通、用地红线、管网、地下水位和路网交通等组成多种因素,为隧道断面、结构参数等设计合理性提出了更高的要求[13-17]。

谭上俞等[18]基于结构荷载理论对城市下穿式矩形框架式隧道进行结构模型简化,同时利用Ansys软件进行了结构力学分析,分析结果表明矩形框架隧道在拐角处受力最不利,需在结构的设计和施工中根据结构截面强度验算进行配筋加厚处理;王智等[19]结合温州市域铁路S1线一期工程土建施工SG13标段工程,阐述了单层多跨矩形框架式隧道的施工技术,重点介绍了结构施工步序、施工方案;吴焕庆[20]采用有限元分析法对下穿立交框架涵结构的埋置深度和横截面各构件尺寸进行研究,对结构的埋置深度和横截面各构件尺寸进行参数化分析,从而得到框架涵的最适埋深以及最适埋深下受力最佳横截面尺寸,最终取得受力合理、用料节省的下穿式立交结构尺寸;李慧君等[21]运用Midas软件建立厚板单元的三维空间模型和平面刚架模型对某斜交框架桥进行了分析。上述研究主要对框架隧道结构受力状况,以及施工方法进行了探讨。

本文以成都市郫县红光大道犀浦双铁站下穿隧道为例,针对长距离下穿综合交通枢纽所面临的近接轨道交通、各等级路网、管网密集、结构空间受限、地下水位变化大等问题对总体设计思路进行了梳理,拟定“局部加高风机衬砌和加深集水井”的限界竖向延伸设计思路和主体结构分段原则,对高低水位、调头车道荷载、近接地铁段地层损失和抗浮等多种工况组合进行数值分析,制定了主体非对称配筋、上跨规划地铁段设板凳桩、底板纵筋加强等措施,其设计思路和方法可供类似工程借鉴。

1 工程概况

犀浦双铁站站前下穿隧道,设计标准为双向六车道城市主干道,设计行车速度为60 km/h,全长1 700 m(含敞开段),其中暗埋段全长1 250 m,位于成都平原老成灌路G317下方、成灌高铁和地铁2号线犀浦站北侧,从江西街以东依次下穿江西街、天府大道、浦发街、犀方路及泰山大道,在泰山大道西侧出隧道,通过分离G317过境交通,减小转向交通和直行交通的干扰,达到净化枢纽区交通的作用。路线纵坡为-4.1%,0.3%,4.8%的凹形坡,主要穿越卵石土地层。项目平面图如图1所示,项目工程效果图如图2所示。

2 限界拟定及主体结构分类

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、用地红线、管线、景观等诸多因素限制,本项目所处的犀浦综合交通枢纽控制因素尤甚,主要平面、纵断面控制因素如下:

1)对于路线平面,原老成灌路G317为双向六车道,大体东西走向,成灌高铁和地铁二号线紧贴道路南侧并行,北侧紧邻高层商业地产和住宅小区用地红线,雨污水主干网络并行,致使本项目隧道施工总宽度不足30 m。

2)对于路线纵断面,原老成灌路G317纵坡为西高东低,既有道路以下0.5 m～3.5 m范围布设着犀浦镇最密集的各类管线,多数管线需要在隧道建成后原位恢复,规划地铁6号线(计划2016年开工)两座区间隧道在穿越本项目段需要控制埋深在地下15 m以内,以便于南侧地下负二层设站对接成灌高铁和地铁2号线,研究表明,本地区卵石土地层中地铁盾构施工塑性区主要发生在洞周2.5 m范围,考虑地铁6号线设计滞后于本项目,存在一定方案调整风险,拟定本项目隧道底板与下部地铁区间隧道净距3.5 m,则该段隧道结构高度不得大于9 m(地铁埋深15 m-结构净距3.5 m-顶部管线2.5 m)。

2.2 限界拟定

行车隧道建筑限界不仅应满足汽车行驶的空间,还应满足汽车行驶的安全、快捷、舒适和防灾等要求。为有效缓解隧道内对向行车对驾乘人员造成的“侧墙效应”,采取双孔布置方式,结合以上控制因素,本隧道建筑限界拟定为单孔12 m×5 m(宽×高),具体如下:

基本宽度12 m=0.75 m(检修道)+0.5 m(路缘带)+3.25 m×2(小客车专用车道)+3.5 m(大型车或混行车道)+0.5 m(路缘带)+0.25 m(安全带)。

基本净高:根据《城市道路工程设计规范》机动车道最小净高为4.5 m,但本枢纽周边各等级路网密集交叉,故按《公路隧道设计规范》之一级公路标准采用5.0 m。

结合照明、供电等运营管理设施安装空间要求,拟定的内轮廓净宽12.2 m,净高(路面以上)5.65 m(见图3)。

为保证运营期间的卫生和防灾功能,根据本隧道长度和设计交通量,采用全射流纵向通风方案;为满足排水要求,需要在最低点设置集水抽排设施。因横向宽度通长受限、竖向高度局部受限,拟定“局部加高风机断面和加深集水井”的限界竖向延伸设计思路,避开管线影响段设置6处局部加高的结构,以满足隧道顶部风机安装、运营要求;于隧道东端最低点选择合理标高设置1处局部加深的集水井,并通过排水管与外部泵站相连,将排水控制功能区分离出去,方便运营维护。

2.3 主体结构分类

根据前2.1节控制因素拟定路线纵坡,以埋深为主要依据,将主体结构主要分为K型,K2型,风机框架3类衬砌,详见表1。

表1 主体结构分类表 m

其中K1型框架纵向分布于隧道暗埋段进出口各86 m,包含洞口掉头车道段;洞身段除6处28 m风机框架外,均为K2型框架,包含局部加上集水井段和上跨规划地铁6号线段。

3 主体数值计算及配筋

以局部变形理论为基础,采用荷载-结构模型,隧道边墙按弹性墙考虑,底板按弹性地基梁考虑,利用有限元软件Ansys10.0,对不同工况荷载组合中隧道受力状态进行数值模拟、分析,按《混凝土结构设计规范》(以下统称《混规》)承载能力极限状态对构件截面强度进行验算,按正常使用极限状态验算构件裂缝宽度,合理控制配筋。

3.1 材料参数

根据地质勘察报告,围岩材料参数如表2所示,框架主体采用C35钢筋混凝土,其材料参数满足《混规》要求。

表2 岩土力学参数

3.2 荷载拟定

通过调查分析本隧下穿犀浦综合交通枢纽段的埋深、岩土、水位、路网构成及规划等因素,确定本项目结构主要控制荷载如表3所示。

表3 主要控制荷载

对于本枢纽区域的高、低地下水位、汽车荷载考虑如下:

1)水位。据《成都平原水文地质图》(1/10万)资料:测区范围内地下水水位埋深:枯水期为3.10 m,洪水期为1.56 m。隧道洞身主要穿越第四系松散堆积孔隙潜水含水层,渗透系数20 m/d～40 m/d,受地表补给、周边大面积降水影响,水位变化较大。本项目地处交通枢纽和规划经济密集区,未来地铁和周边大型建筑施工期间等地下水位会长期处于低位,故取最不利低水位为结构底板以下;研究表明,长段地下建筑物建成后会对地下水产生阻隔,造成地下水位壅高,故取最不利高水位(即抗浮设计水位)为地面下1 m。

2)抗浮。通过最不利高水位进行抗浮检算,当框架结构埋深小于2.5 m时,抗浮稳定系数小于1.2,需采取辅助抗浮措施。即K1型框架和风机框架段需设置2排～3排抗拔桩,单桩桩径1 200 mm,桩长5 m,纵向间距4 m,框架数值计算考虑抗拔桩的约束作用。

3)车辆荷载。一般情况下,地面汽车荷载简化为均布荷载。通过公式q=NQ/BL(N为横向分布的车辆数,Q取公路-Ⅰ级车辆荷载550 kN,B为折减后的横向分布车辆宽度,L=12.8 m为汽车前后轴总距),计算得出公路-Ⅰ级车辆荷载折算均布荷载分别为:1辆车时24 kPa,2辆车时18 kPa,4辆车时16 kPa,取最大值24 kPa,并直接取代施工荷载工况。

4)车道荷载。针对枢纽地面各路网密集交叉,需在临近洞口的K1型衬砌顶部设置掉头车道,本项目选取覆土0.5 m处的调头车道模拟最不利车道荷载,按公路-Ⅰ级车道荷载均布荷载标准值取qk=10.5 kPa,集中荷载Pk按单孔净跨13.5 m计算得220 kN,作用于双孔跨中最大影响线峰值处。

3.3 荷载组合

为确定主要控制荷载的最不利组合,采用图4—图6组合进行数值模拟。

3.4 计算结果

经模拟分析,各工况组合得出的框架结构弯矩、轴力、剪力图形态类似,如图7—图9所示,控制性断面弯矩值如下:顶板与中隔墙交角正弯矩1 570 kN·m～3 570 kN·m,底板与中隔墙交角正弯矩449 kN·m～2 710 kN·m,顶板跨中负弯矩569 kN·m～1 240 kN·m,底板跨中负弯矩297 kN·m～1 540 kN·m。

3.5 非对称配筋

对比各工况控制位置之计算配筋,得出各控制部位最不利配筋,K1型、K2型和风机型框架结构配筋结果详见表4—表6。通过分析各工况计算配筋结果和配筋面积包络图(如图10—图12所示)可知,对于埋深较小的K1型和风机型框架之顶板配筋主要受高水位控制、底板配筋主要受低水位控制,其中考虑掉头车道荷载的工况对顶板配筋最不利;对于埋深较大的K2型框架,除底板与边墙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。结构各部位的最不利配筋量差别较大,为兼顾结构的安全和经济,按非对称配筋原则,对控制性位置进行局部加强配筋。

表4 结构配筋结果-K1型框架

表5 结构配筋结果-K2型框架

表6 结构配筋结果-风机型框架

4 上跨规划地铁段措施

据前文结论,将隧道底板与下部地铁区间隧道净距定为3.5 m。近年来针对成都地铁的研究表明[22],本地区卵石土地层具有地下水位高、卵漂石含量高和卵石强度高等“三高”特点,且离散性强,空隙多填充砂土,导致盾构开挖过程中掌子面易失稳,形成局部坍塌空洞。

4.1 板凳桩措施

为降低未来地铁施工对本隧道运营及结构安全造成的影响,重点需解决地铁开挖造成的土体卸载和地下水浮力作用问题,采取设置板凳桩跨越地铁区间的措施,兼顾支撑与抗拔作用,即框架底板下设置3排φ1 200 mm钢筋混凝土桩,上端与底板固接,下端锚固至地铁设计结构底以下9 m,跨越地铁段纵断面详见图13。

4.2 数值分析及配筋

在主体数值计算的基础上,模拟两种最不利工况:(工况一)地铁施工造成地层大量损失,即框架底板至地铁底板间土体全无土体,底板抗力损失,摩擦桩承担底板上方所有荷载;(工况二)地铁区间上浮,底板承受上浮力,桩体起抗拔作用。两工况结构变形云图如图14,图15所示。

底板结构按双向板进行检算配筋,沿地铁盾构隧道线路方向为x方向,沿红光大道线路方向为y方向,两工况检算结果及配筋见表7,表8。分析可知,工况一、二分别控制底板上、下部最不利配筋,最大配筋部位为底板与中隔墙交角(x方向)和底板与桩交接处(y方向),故需要对上跨规划地铁段的K2型框架进行加强,即加强底板结构纵筋至10φ32。

表7 底板配筋结果-x方向

表8 底板配筋结果-y方向

5 结论及建议

1)为解决长距离下穿综合交通枢纽所面临的结构横向宽度通长受限、竖向高度局部受限问题,设计采用“局部加高风机衬砌和加深集水井”的限界竖向延伸设计思路和主体结构分段原则。

2)为得出各控制部位最不利配筋,需对比多种荷载组合工况得到其配筋面积包络图;结构各部位的最不利配筋量差别较大,为兼顾结构的安全和经济,按非对称配筋原则,对控制性位置进行局部加强配筋。

3)框架隧道上跨规划地铁段时需考虑地铁开挖造成的土体卸载和地下水浮力作用问题,采取设置板凳桩跨越地铁区间同时加强底板纵向配筋的措施,土体卸载和地下水浮力分别控制底板上、下部最不利配筋。

4)由于实际施工状况,场地环境等均会对结构受力造成影响,本文的结构设计及计算均从理论角度进行分析,具有一定局限性。在框架隧道实际施工中,可根据信息化手段对结构进行优化。