高水位下穿式立交引道方案選型及設計要點探討

王 康

（新鄉市市政設計研究院，河南新鄉 453000）

0 引言

目前，在我國鐵路與公路交叉處還存在著大量的平交道口，為保障交通運輸安全，提高運輸速度，這些平交道口需要改建成公鐵立交橋。目前，我國的公鐵立交橋主要有上跨式和下穿式兩類，下穿式立交橋具有工期短、造價低、占地少、拆遷費用低、無污染等優點，在實際工程中被廣泛采用[1]。

本文以河南省長垣縣工業大道下穿新菏鐵路立交引道工程為例，結合相關資料，對不同地質資料及地下水條件的地區進行不同的方案比較，并對一些技術設計要點進行歸納，從而對其他類似工程設計提供一定的借鑒。

1 工程概況及地質情況

該工程為河南省長垣縣工業大道下穿新菏鐵路立交引道工程，位于長垣縣西北部。該工程引道長度約500 m，總寬30 m，埋深約8 m。該工程持力層主要為第四層和第五層。第四層地基承載力容許值為120 kPa，壓縮模量為4.6 MPa；第五層地基承載力容許值為150 kPa，壓縮模量為10.5 MPa。地下水位標高，勘察期為56.10～58.50 m(絕對標高)，最高水位為61.00 m（絕對標高）。

2 技術分析與方案選型

2.1 對地質資料的分析

（1）該工程地下水位較高，道路設計高程61.30 m（絕對標高），而地下水最高水位為61.00 m（絕對標高），幾乎持平，雖然勘察期水位有所下降，但考慮年變幅等因素，仍需按照最高水位設計。

（2）該工程所在持力層地基承載力能夠滿足要求，但第四、五層壓縮模量差別較大，設計計算過程中，在兩層交接處的結構需認真比較考慮。

2.2 方案的比較與選型

下穿立交引道主要有兩種設計方案：一是在下穿引道下面設置完善的地下排水系統，排除地下水以保證路基的干燥和強度；二是采用U型鋼筋混凝土整體槽式結構，并利用橡膠止水帶完全封閉地下水[1]。下面將從這兩種思路入手，分別設計3種方案進行比較。

方案一：立交引道不封閉地下水，機非路面用擋墻隔開，利用地下盲溝排水。優點：一次性投資較少。缺點：（1）地下盲溝和滲管的設置比較復雜，排水材料必須具備良好的過濾、排水和防淤堵性能才能達到設計要求，且24 h不能停泵，維修頻率較高，設備更換頻率較高；（2）用電費用高；（3）路基長期浸泡在地下水中，影響道路使用壽命。

方案二：采用U型鋼筋混凝土整體槽式結構（下簡稱U型槽）。與傳統U型槽不同，由于該工程地下水位較高，必須將機動車道與非機動車道同時封閉，若采用整體U型槽需要設計抗拔樁才能滿足抗浮設計。優點：（1）能從根本上解決立交引道抗浮問題；（2）后期維護費用少，只需汛期下大雨期間開泵，節省電力。缺點：（1）一次性投資高；（2）施工工藝復雜，工程量大，工期較長。

方案三：該工程地處城市主干路與鐵路交叉口，交通位置重要，應盡量在設計中減少后期維修次數，避免影響使用，所以通過與業主溝通，我們采用了U型槽設計方案，考慮造價及施工周期等因素，我們對方案二進行了優化改進，采用分體式（結構圖見圖1）與局部整體式相結合的方案。

3 抗浮設計

圖1 分體式引道結構圖（單位：mm）

前文提到該工程地下水位較高，道路設計高程61.30 m（絕對標高），而地下水最高水位為61.00 m（絕對標高），幾乎持平，雖然勘察期水位有所下降，但考慮年變幅等因素，仍需按照最高水位設計。通過前期方案設計計算，如果按照整體U型槽（機動車道與非機動車道不分離）抗浮驗算，機動車道局部抗浮不滿足，由于跨度很大，造成上部鋼筋配筋量過大，整體造價通過估算非常巨大，采用抗拔樁可完全解決抗浮問題，但仍然存在施工及造價問題。

通過反復比對計算，最終確定采用機動車道與非機動車道分離，分別進行抗浮驗算的方案。由計算結果可以得出，雖然機動車道需要增加一定量配重，但結構板厚度有效減小，配筋量大幅下降。同時由于不需要平衡機動車道的整體抗浮，非機動車道的施工開挖量減小，配筋及結構構件也顯著優化。但由于靠近鐵路處開挖深度受限，在靠近鐵路附近仍采用整體U型槽。

4 引道結構設計

該工程引道結構由邊墻和底板組成。側墻根據不同工況分別進行土壓力計算，同時滿足抗彎和抗剪要求；底板采用彈性地基梁方法進行驗算[3]，得到底板內力M、Q、P，按承載能力極限狀態進行截面配筋，并驗算其抗裂度及斜截面抗剪強度。

4.1 側墻設計

考慮到施工過程及使用階段墻體受力不同，我們對不同工況下墻體分別進行荷載整理和受力分析，對于最外側擋墻分為“外側填土完成內部無配重”及“正常使用狀態”（簡圖見圖2）；機動車道和非機動車道之間擋墻分為“機動車道無配重”及“正常使用狀態”。分別計算完成后，將計算結果進行包絡，得出最終配筋結果。

4.2 底板設計

底板采用彈性地基梁方法進行驗算，設計過程中主要對地基土變形模量和荷載計算工況兩個方面進行了研究和探討，其他過程在本文不再涉及。

4.2.1 地基土變形模量的探討

圖2 外側擋墻計算簡圖（單位：m）

以樁號K240處底板為例：根據地質報告，基底高程54.85基本為第5單元層土，該層土的壓縮模量為E|hs|i=10.5 MPa，而彈性地基梁計算中梁的柔度系數t值與地基土的變形模量E有關，為此需計算本層土的變形模量，依陳希哲《土力學地基基礎》第二版[4]第49、50頁數據及公式知，粉土的泊松比 u=0.25。E=βE s，其中 β=1-[2u2/（1-u）]算出β=0.83，則變形模量 E=0.83×10.5=8.72 MPa。該工程地基受力承受大面積的均布荷載，且基礎外側有較厚填土或相臨U型槽底板對本塊底板地基產生一定約束隆起變形作用，根據文獻[4]第44頁，該地基似乎更接近有側限壓縮變形情況（與一般帶地梁的條形基礎不同），故其變形模量直接代入勘察報告給出的壓縮模量似更合適。其實壓縮模量與變形模量相差不太大，并且彈性地基梁公式本身也是經驗公式認為無論用壓縮模量還是變形模量作為公式中的“變形模量”，計算應該都在工程實踐可接受范圍之內。

4.2.2 荷載工況的選擇

（1）靠近箱涵處整體式底板，分為如下7種工況。

工況1：使用期，無地下水，路面有車，彈性地基梁算基礎底板。工況2：使用期，無地下水，路面無車。工況3：完建期，無水無車無配重無路面，無回填土，底板及墻體均建成。工況4：完建期，無水無車無配重無路面，有回填土，底板及墻體均建成。工況5：使用期，地下水高程61.0 m，機動車道路面無車，非機動車道有車。彈性地基梁算基礎底板。工況6：使用期，地下水高程61.0 m，機、非車道路面均無車。工況7：使用期，地下水高程61.0 m，機、非車道路面均有車。

采用彈性地基梁方法對計算結果進行包絡分析，得出工況1（計算簡圖見圖3）底板下部彎矩最大，工況6底板上部彎矩最大。

（2）分體式底板。分別對機動車道和非機動車道進行如下兩種工況的驗算。

工況1：使用期，無地下水，路面有車。工況2：使用期，無地下水，路面無車。

計算過程同4.2.2-1類似，只是荷載類型不同。由于板厚隨埋深漸變，配筋結果改變幅度不大。

5 結論與建議

圖3 整體式引道工況1計算簡圖（單位：mm）

通過方案比較，該工程采用U型鋼筋混凝土整體槽式結構完全封閉地下水的方案，比在地下另設排水系統的方案，除了更能從根本上解決高地下水位的問題，也一并解決了后期使用階段高維護成本的問題。通過計算分析，采用機動車道與非機動車道分離的思路，則更加優化了整個工程的設計。

對于常規的引道設計過程，本文不做詳細表述，只對該工程設計過程中遇到的特殊設計要點及問題進行了探討，為以后類似工程設計提供借鑒參考。

[1]蔡忠河，馮啟軍.公鐵立交下穿引道及排水系統的設計與應用[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[2]天津市政局.城市地道設計與施工[M].天津：天津市政局，2000.

[3]沈世杰.給水排水工程設計手冊（第二版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[4]陳希哲.土力學地基基礎（第二版）[M].北京：清華大學出版社，1990.