大慶西城工業園區鐵路封閉式U形槽結構設計

耿殿魁

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津　300142)

在地下水位較高且豐富的平坦地帶修建鐵路、公路的立體交叉，往往由于凈空要求需要下挖以路塹形式通過，這時便會涉及地下水問題。對于地下水的處理，以往多采取槽溝、滲溝等以引排地下水為目的的建筑結構。對于某些原因不允許降低地下水位或地下水滲透系數較大的含水地層，采用工程封閉地下水的措施就尤為重要。封閉式U形槽結構正是針對此種情況采取的一種擋土、擋水支擋結構形式，廣泛應用于公路、鐵路下挖的引道工程中。

1　工程概況

某工程位于大慶地區，工點全長約2.8 km，下鉆鐵路讓湖路西站內6條站線、2條機走線，預留壯讓復線、壯讓線、濱州雙線、在建哈齊客運專線及讓杜公路，最大挖深11 m。工程范圍內地下水為第四系孔隙潛水，地下水位埋深1.6～3.6 m，地下水主要受大氣降水補給，水位季節性變化幅度1～3 m。

地層主要為：粉土，黃褐色，密實，潮濕；粉質黏土，灰褐色—黃褐色，軟塑—硬塑，含少量粉細砂顆粒；粉砂，黃褐色，稍密—中密，潮濕—飽和；淤泥質粉質黏土，灰褐色，流塑，γ=18.5 kN/m3，C=8.0 kPa，φ=9.1°；黏土，灰色，軟塑—硬塑。地震動峰值加速度為0.05g，土壤最大凍結深度為214 cm。

2　封閉式U形槽結構

封閉式路塹主要由邊墻和底板兩部分組成，設計成U形槽整體結構，采用抗滲標號不低于P8的C40防水混凝土現場澆筑而成。

2.1　邊墻

U形槽結構邊墻頂部寬度較小而底部寬度較大，這種上小下大的截面形式能很好地適應土壓力和水壓力的作用。邊墻墻背坡度采用1∶0.1，邊墻內坡垂直。采用的橫斷面形式見圖1及圖2。

圖1　U形結構橫斷面形式(一)

圖2　U形結構橫斷面形式(二)

2.2　底板

底板采用矩形斷面，其兩端可不伸出邊墻外側，也可以適當伸出一定長度，此長度根據邊界寬度的限制或抗浮計算來確定。

3　封閉式U形槽結構設計

結構檢算，首先應考慮各種外力組合下的最不利條件，外力的組合一般有四種情況:①高水位時無活載；②高水位時有活載；③低水位時有活載；④低水位時無活載(一般不控制)。

3.1　抗浮

位于地下水位以下的結構不可避免地受到水的浮力作用，封閉式路塹本體自重應大于靜水壓造成的浮力，抗浮力安全系數一般采用1.05～1.1，本工程設計中抗浮安全系數采用1.1。浮力根據阿基米德原理予以考慮，抗浮力在計算時考慮U形槽自重、底板上面層自重及鐵路荷載。結構抗浮安全系數不滿足要求時可采用增加結構自重、設置錨桿將結構錨固于下臥地層、基底設置抗拔樁、采用圍護結構與邊墻相連等措施解決。

3.2　邊墻

恒載：邊墻自重、梯形邊墻截面外側三角形土體的重力、邊墻土壓力及水壓力、雨棚結構及接觸網結構對邊墻的作用力；活載：邊墻外側有輔道時其上汽車荷載。

邊墻自重根據初步擬定的結構尺寸計算；邊墻壓力計算采用水土分算的原則，土壓力采用靜止土壓力，同時考慮雨棚結構及接觸網結構對邊墻的作用力；邊墻墻頂外側輔道汽車荷載采用均布土柱來代替。

邊墻頂寬除按強度要求計算外，尚應考慮附屬設備安裝位置和布置鋼筋的要求，本次設計根據雨棚結構基礎的要求，邊墻頂寬采用0.84 m。

3.3　底板

底板荷載：底板及其上面層自重q1，浮力q2，邊墻彎矩M，邊墻土重及摩擦力QA+f，邊墻自重N，鐵路活載，如圖3所示。

圖3　U形結構底板受力

U形槽底板支撐在彈性地基上，并且板與地基完全接觸，該計算屬于彈性地基板的范疇。關于地基頂面撓度與反力之間的關系，目前主要有兩種不同的地基假設。(1)文克爾地基：地基上任一點的反力同該點的撓度成正比；(2)半空間(半無限)地基：地基頂面任一點的撓度不僅同該點的壓力有關，也同頂面其他點上的壓力有關。半空間(半無限)地基假設要比文克爾假設更符合地基的實際工作狀況，但是由于地基彈性模量的確定至今尚未得到妥善解決，所以目前大多數工程中仍采用文克爾假設。

底板計算時采用Winkler地基模型計算分析。以邊墻高8 m為例，計算底板的彎矩圖及剪力圖如圖4所示。

圖4　底板彎矩及剪力圖(以邊墻高8 m為例)

本工程設計針對不同工況對底板的內力進行計算，依據每塊板的內力進行了截面尺寸的確定和配筋，同時對鋼筋混凝土裂縫寬度以0.2 mm控制，底板厚度0.5～1.7 m。

4　基坑處理及結構防凍脹措施

4.1　基坑處理

本工程下穿濱州線及在建哈齊客專等多條鐵路，下穿處基坑深度達11 m，為避免基坑降水引起既有線及哈齊客專的沉降，于哈齊客專與既有線間、既有線外側及哈齊客專外側降水影響半徑范圍內基坑采用封水處理，兩側設置鉆孔灌注樁臨時支護，灌注樁后設置雙排攪拌樁止水帷幕。其余地段采用大口井降水。目前本工程已竣工，所采用基坑處理措施有效地保證了既有線的運營安全及哈齊客專的修建。

4.2　結構防凍脹措施

基坑底設置碎石墊層，厚度不小于0.5 m，自路肩至碎石墊層底深度不小于凍深+0.25 m。使凍深范圍均為非凍脹填料，從而防止凍脹的發生。

5　結束語

(1)U形槽結構雖然截面形式比較簡單，但包含很多細部和復雜的問題，既有結構設計，還有設防水位的選取、結構的防水處理、施工縫及沉降縫的設置等。

(2)封閉結構下穿既有線時采用的降水措施，既要保證基坑施工，又要保證既有線的運營安全。

(3)嚴寒地區采用換填非凍脹填料至凍結線以下是保證結構物不發生凍脹的有效措施。

[1]李克釧，羅書學.基礎工程[M].北京：中國鐵道出版社，2003

[2]尉希成，周美玲.支擋結構設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2004

[3]楊維加.彈性地基梁的三角級數解法[M].北京：中國水利水電出版社，2006

[4]李海光，等.新型支擋結構設計與工程實例[M].北京：人民交通出版社，2004

[5]GB50108—2008 地下工程防水技術規范[S]

[6]GB50010—2010 混凝土結構設計規范[S]

[7]GB50009—2001 建筑結構荷載規范[S]

[8]TB10025/J127—2006 鐵路路基支擋結構設計規范[S]

[9]TB10005—2010/J1167—2011 鐵路混凝土結構耐久性設計規范[S]

[10] 馬新華，包海崧，張淑清.U形槽結構在嚴寒高水位下穿立交引道的應用[J].城市道橋與防洪，2004(1)