預(yù)應(yīng)力在城市下穿隧道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

傅家鯤，鄧雪峰，李 敏

（1.成都市市政工程設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610023；2.成都建工第七建筑工程有限公司，四川 成都 610051）

0 引言

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，居民私家車保有量不斷增長，城市交通擁堵狀況日益嚴(yán)重。原有道路網(wǎng)絡(luò)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足居民交通出行的需求，城市交通設(shè)施面臨巨大的壓力[1]。為緩解交通壓力，改善交通狀況，各地均對現(xiàn)有城市道路進(jìn)行擴(kuò)能改造。而道路交叉口是既有道路網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)，也是交通擁堵的重要瓶頸。

為了解決路口節(jié)點(diǎn)交通的擁堵問題，同時(shí)盡量避免對城市景觀產(chǎn)生影響，城市下穿隧道建設(shè)的數(shù)量越來越多[2]。因此合理擬定下穿隧道的結(jié)構(gòu)形式，已成為工程方案設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

本文以成都市日月大道(成溫路)快速路改造工程——文家路下穿隧道工程為例，介紹了預(yù)應(yīng)力在大斷面城市下穿隧道工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 工程概況

日月大道（成溫路）為成都市規(guī)劃的“三環(huán)十六射”快速路網(wǎng)中的重要射線道路之一，是中心城區(qū)至溫江衛(wèi)星城交通廊道的重要組成部分，定位為具有快速通行能力的城市主干道。文家路下穿隧道位于日月大道與文家路交叉口節(jié)點(diǎn)，沿日月大道方向下穿文家路、蘇坡支渠河，呈西北-東南走向。下穿隧道按雙向8車道設(shè)計(jì)，其中最內(nèi)側(cè)2個(gè)車道為公交專用道。

2 下穿隧道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級：城市主干道。

（2）設(shè)計(jì)荷載：城 -A。

（3）交通等級：重型交通。

（4）設(shè)計(jì)車速：60 km/h。

（5）隧道凈空：不小于5.0 m。

（6）地震加速度值為0.10g，抗震設(shè)防烈度為7度，特征周期0.45 s，設(shè)計(jì)地震分組為第3組。

2.2 平面設(shè)計(jì)

下穿隧道沿日月大道方向呈“S”形曲線，由圓曲線與緩和曲線組成[3]。下穿隧道全長574.361 m，其中暗埋框架段長215 m，兩側(cè)U型槽段共長255 m，兩側(cè)擋墻段共長104.361 m。

2.3 縱斷面設(shè)計(jì)

縱斷面設(shè)計(jì)中主要考慮滿足路口處暗埋段長度、過路管線空間、車道凈空和盡量減小隧道坡長等因素，工程采用了最大允許值5%[4]。由于需要穿越蘇坡支渠河，暗埋框架段最大覆土厚度為5.1 m。

2.4 橫斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)交通規(guī)劃，隧道為雙向8車道，暗埋段采用單箱雙室框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)頂板、底板和側(cè)墻厚度均為120 cm，中墻厚度為60 cm，如圖1所示。

3 結(jié)構(gòu)處理方式

下穿隧道單孔跨徑大，最大埋深處頂板覆土較厚。為了減小頂板結(jié)構(gòu)的厚度，改善結(jié)構(gòu)受力，頂板采用了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。其余部分為了便于施工，均采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

圖1 框架斷面（單位：cm）

3.1 框架頂板預(yù)應(yīng)力布置

頂板結(jié)構(gòu)按預(yù)應(yīng)力A類現(xiàn)澆構(gòu)件設(shè)計(jì)，預(yù)應(yīng)力鋼束采用1860級高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa。為了使結(jié)構(gòu)應(yīng)力在施工階段和營運(yùn)階段都滿足規(guī)范[5]要求，每個(gè)橫斷面布置了3束11?s15.2鋼絞線，沿隧道縱向每隔50 cm布置1組，如圖2所示。

圖2 頂板預(yù)應(yīng)力鋼束布置斷面圖（單位：cm）

3.2 框架頂板預(yù)應(yīng)力錨固端處理

框架結(jié)構(gòu)位于地底下，易受到地下水和土的腐蝕，因此封錨端的防腐蝕處理尤為重要。

為防止錨固端腐蝕，將錨固端混凝土保護(hù)層適當(dāng)加厚，并在封錨前采用液態(tài)阻銹劑涂刷錨頭，封錨后混凝土表面做防水加強(qiáng)處理。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 計(jì)算模型

選取框架最大覆土厚度5.1 m處進(jìn)行計(jì)算，活載作用等效為1 m覆土的重量。基坑底部位于地面以下13.35 m，基底位于中密卵石層上。地下水位在地面下2 m，整個(gè)框架結(jié)構(gòu)都受到水壓力的作用。預(yù)應(yīng)力在混凝土強(qiáng)度達(dá)到90%時(shí)進(jìn)行張拉，張拉順序?yàn)镹1→N2→N3。

計(jì)算模型采用梁單元模擬（見圖3），縱向取隧道1 m長度，橫向?qū)⒖蚣芙Y(jié)構(gòu)進(jìn)行離散。

圖3 Midas/Civil模型

4.2 頂板計(jì)算結(jié)果

頂板為預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，應(yīng)進(jìn)行短暫狀況和持久狀況的應(yīng)力驗(yàn)算。

4.2.1 短暫狀況應(yīng)力驗(yàn)算

在頂板結(jié)構(gòu)施工過程中截面邊緣混凝土法向應(yīng)力如表1所示，表中應(yīng)力正值代表拉應(yīng)力，應(yīng)力負(fù)值代表壓應(yīng)力。

表1 截面邊緣混凝土法向應(yīng)力驗(yàn)算表

由表1可見,在整個(gè)施工過程中，混凝土截面最大壓應(yīng)力為16.86 MPa，無拉應(yīng)力出現(xiàn)，滿足規(guī)范[5]要求。

4.2.2 持久狀況使用階段的應(yīng)力驗(yàn)算

按標(biāo)準(zhǔn)值組合，使用階段持久狀況正截面混凝土上、下緣的法向壓應(yīng)力包絡(luò)圖如圖4、圖5所示，計(jì)算結(jié)果如表2所示。表中應(yīng)力正值代表拉應(yīng)力，應(yīng)力負(fù)值代表壓應(yīng)力。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)組合正截面混凝土上緣法向應(yīng)力

圖5 標(biāo)準(zhǔn)組合正截面混凝土下緣法向應(yīng)力

表2 標(biāo)準(zhǔn)組合正截面混凝土法向應(yīng)力驗(yàn)算表

由表2可見，混凝土正截面最大壓應(yīng)力為15.30 MPa，小于規(guī)范[5]規(guī)定的 16.20 MPa，滿足要求。

標(biāo)準(zhǔn)組合斜截面混凝土主壓應(yīng)力見圖6。

由圖6可知，斜截面混凝土最大主壓應(yīng)力為15.30 MPa，小于規(guī)范[5]規(guī)定的 19.44 MPa，滿足要求。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)組合斜截面混凝土主壓應(yīng)力

4.2.3 持久狀況正常使用極限狀態(tài)正截面和斜截面抗裂驗(yàn)算

按頻遇組合，使用階段持久狀況正截面混凝土上、下緣的法向拉應(yīng)力包絡(luò)圖如圖7、圖8所示，計(jì)算結(jié)果如表3所示。表中應(yīng)力正值代表拉應(yīng)力，應(yīng)力負(fù)值代表壓應(yīng)力。

圖7 頻遇組合正截面混凝土上緣法向應(yīng)力

圖8 頻遇組合正截面混凝土下緣法向應(yīng)力

表3 頻遇組合正截面混凝土法向應(yīng)力驗(yàn)算表

由表3可見，混凝土正截面上下緣均受壓，無拉應(yīng)力出現(xiàn)，滿足規(guī)范[5]要求。

頻遇組合斜截面混凝土主拉應(yīng)力見圖9。

圖9 頻遇組合斜截面混凝土主拉應(yīng)力

由圖9可知，斜截面混凝土最大主拉應(yīng)力為0.35 MPa，小于規(guī)范[5]規(guī)定的 1.325 MPa，滿足要求。

4.3 底板和側(cè)墻計(jì)算結(jié)果

底板和側(cè)墻均為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)的裂縫寬度驗(yàn)算。按頻遇組合并考慮長期效應(yīng)的影響，結(jié)構(gòu)彎矩、軸力如圖10、圖11所示，計(jì)算結(jié)果如表4所示。表4中同時(shí)列出了結(jié)構(gòu)裂縫驗(yàn)算值。

圖10 頻遇組合混凝土彎矩圖

圖11 頻遇組合混凝土軸力圖

表4 混凝土裂縫驗(yàn)算表

由表4可見，結(jié)構(gòu)裂縫寬度均小于0.2 mm，滿足規(guī)范[5]要求。其中受力較大處均配置了雙排鋼筋，鋼筋凈距按最小值30 mm且不小于鋼筋直徑進(jìn)行控制，以保證混凝土的澆筑質(zhì)量。

4.4 與普通鋼筋混凝土框架受力對比分析

在結(jié)構(gòu)尺寸、受力狀況相同的條件下，將框架頂板改為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，并與框架頂板為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)時(shí)的內(nèi)力進(jìn)行比較。彎矩、軸力變化如表5、表6所示。

表5 彎矩變化對比表

表6 軸力變化對比表

由表5、表6可見，當(dāng)頂板采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)后，整個(gè)框架結(jié)構(gòu)受力狀況得到了明顯改善。其中彎矩僅在底板和側(cè)墻的相交處增大，其余部位均為減小。軸力在頂板和底板處均大幅增加，側(cè)墻處軸力變化較小，軸力的增大對減小結(jié)構(gòu)裂縫有利。

5 結(jié)語

隨著城市交通流量的日益增大，城市道路的寬度越來越大。為不影響城市景觀，道路交叉口利用下穿隧道的情況越來越多，對大斷面城市下穿隧道的需求量日益增大。本文重點(diǎn)研究了大斷面城市下穿隧道的設(shè)計(jì)技巧和計(jì)算分析思路，并論證了預(yù)應(yīng)力在大斷面下穿隧道中使用的可行性和對結(jié)構(gòu)受力的影響。