深埋地下環(huán)路結(jié)構(gòu)方案對經(jīng)濟(jì)性的影響

胡瀟帆

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

隨著城市化進(jìn)程發(fā)展速度和深度地逐漸提升，出現(xiàn)了城市發(fā)展所面臨的一些普遍性問題，如人口密集集中于某一區(qū)域，使得行人有效活動空間減小；民用汽車數(shù)量激增，加劇了地面層的噪聲污染和空氣污染，這些都對城市形象帶來了負(fù)面影響[1]。為了解決上述問題，諸多城市突破了僅在地面層進(jìn)行城市空間規(guī)劃的維度，在其核心開發(fā)區(qū)域進(jìn)行大型地下空間的建設(shè)，通過地下環(huán)路將地上地下串聯(lián)起來，形成多維度的城市交通網(wǎng)絡(luò)[2]。地下環(huán)路作為城市地下空間核心區(qū)伴生的一種交通設(shè)施，實現(xiàn)了地下空間集約化利用以及將地下空間和地面層串聯(lián)，有效緩解了交通擁堵的問題，亦改善了地面層的品質(zhì)[3]。

目前，地下環(huán)路深度已經(jīng)從3 m 的淺層地下空間向10 m 以上的深層地下空間發(fā)展[4]，對結(jié)構(gòu)提出了新的要求和挑戰(zhàn)。地下環(huán)路一般采用厚板的結(jié)構(gòu)形式，而深埋地下環(huán)路由于覆土較厚，對結(jié)構(gòu)安全提出了挑戰(zhàn)。為了承擔(dān)深厚覆土帶來的荷載，目前主要的處理方式有兩種，一是在結(jié)構(gòu)上增加空腔減少荷載，可以有效減小結(jié)構(gòu)斷面，但缺點是占用了中層地下空間；二是增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，缺點是結(jié)構(gòu)效率較低。在工程中不同的方案對總投資會造成較大影響。

本文將以某市地下環(huán)路項目為例，對深埋地下環(huán)路工程的暗埋標(biāo)準(zhǔn)段是否加設(shè)空腔進(jìn)行方案對比，用Autodesk、Robot Structural Analysis、PyRobot 等多款軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力計算，結(jié)合工程經(jīng)濟(jì)性與安全性，總結(jié)兩種方案的適用范圍。

1 工程概況

某地下環(huán)路位于城市中心區(qū)位，環(huán)路整體形成“三環(huán)（遠(yuǎn)期預(yù)留一環(huán)），五進(jìn)四出（遠(yuǎn)期預(yù)留一進(jìn)口）”的布局。該地下環(huán)路工程平面布置如圖1 所示，其中1 號主環(huán)首尾相連形成閉合環(huán)路，線形為一半徑為278.75 m 的圓形，全長約1.8 km；2 號主環(huán)與1 號主環(huán)的西北區(qū)域以及北側(cè)進(jìn)口匝道部分合建，全長約2 km；3 號主環(huán)為遠(yuǎn)期工程。為方便出入主環(huán)設(shè)置多處坡道及出入口連接地塊與地面交通，主環(huán)環(huán)路標(biāo)高均在地面下15～17 m，屬于深埋地下環(huán)路。

圖1 地下環(huán)路工程平面布置

為了滿足不同建筑對地下空間的要求，主環(huán)有2車道、3 車道和4 車道三種形式，三者均采用厚板結(jié)構(gòu)，凈寬分別為8.2、11.6、17 m，其中四車道中設(shè)中隔墻，環(huán)路凈高5.9 m（含風(fēng)道）。當(dāng)不加設(shè)結(jié)構(gòu)空腔時，覆土較厚，約為7.5 m，地下水位于設(shè)計地面以下1 m。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)及控制指標(biāo)

該工程主體結(jié)構(gòu)采用C35 混凝土，HRB400 級熱軋鋼筋。根據(jù)規(guī)范要求，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為100 a；結(jié)構(gòu)安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1；地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級；地下主體結(jié)構(gòu)防水等級為二級；環(huán)路結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度7 度（0.1g）[5]，設(shè)防類別為重點設(shè)防類;設(shè)計地震分組為第二組。

主體結(jié)構(gòu)采用箱涵結(jié)構(gòu)，抗震等級為二級；結(jié)構(gòu)設(shè)計按最不利情況進(jìn)行抗浮穩(wěn)定驗算，不計摩阻力時抗浮安全系數(shù)不小于1.1。地下環(huán)路結(jié)構(gòu)分析時所受的荷載見表1。豎向基床系數(shù)可取45 000 kN/m3，水平基床系數(shù)考慮基坑開挖回填土，可取15 000 kN/m3。結(jié)構(gòu)具體受力示意圖如圖2 所示。

表1 結(jié)構(gòu)荷載

圖2 環(huán)路結(jié)構(gòu)暗埋段受力示意圖

地下環(huán)路結(jié)構(gòu)在荷載準(zhǔn)永久組合下，地下環(huán)路底板、側(cè)墻迎土（水）面、頂板上表面以及室外露天構(gòu)件最大裂縫寬度不應(yīng)超過0.2 mm，在構(gòu)件背土面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大裂縫寬度不應(yīng)超過0.3 mm。

在計算主體結(jié)構(gòu)配筋時限制一些力學(xué)參量來選取板厚，以保證結(jié)構(gòu)受力的合理性：抗剪箍筋承擔(dān)總剪力一般不超過30%；板配筋率控制在0.6%～0.8%，局部較大處不超過1.2%

3 暗埋標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)分析

地下環(huán)路暗埋段覆土達(dá)8 m，深厚的覆土產(chǎn)生很大荷載，為了保證結(jié)構(gòu)安全性，目前有“增加構(gòu)件承載力”和“減少荷載”兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案（見圖3、圖5、圖7）：

圖3 主環(huán)三車道區(qū)段比選方案結(jié)構(gòu)布置圖（單位：mm）

（1）不設(shè)置空腔，增加構(gòu)件承載力，其結(jié)構(gòu)斷面為“口”字形。該方案下覆土較大，需要增加結(jié)構(gòu)截面尺寸及配筋，以提升結(jié)構(gòu)承載力。其優(yōu)點是僅僅占用一層地下空間，方便后續(xù)地下空間資源利用。其缺點是此時結(jié)構(gòu)板厚通常超過1.5 m，底板加厚導(dǎo)致基坑深度增加，同時，板鋼筋有2～3 排，施工難度也較大。

（2）在環(huán)路上方設(shè)置一層空腔，減少荷載，其結(jié)構(gòu)斷面為“日”字形。一般而言在埋深4 m 以下的地下空間增設(shè)空降不會影響路面管線敷設(shè)，所以以4 m為結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高加設(shè)一層空腔。其優(yōu)點是可以有效減少減小覆土荷載，從而構(gòu)件截面、配筋相對較小。其缺點是空腔占用了中層的地下空間，本身并沒有建筑功能，形成了一定的浪費(fèi)。

以深埋地下環(huán)路二車道、三車道、四車道三種典型斷面為對象，比較加設(shè)空腔與不加設(shè)空腔兩種方案，通過Robot 軟件計算受力，根據(jù)板受剪、受彎所規(guī)定的力學(xué)參量合理選取板厚，計算其工程量并討論方案的適用范圍。

3.1 主環(huán)三車道區(qū)段結(jié)構(gòu)分析

當(dāng)不加設(shè)結(jié)構(gòu)空腔時，暗埋標(biāo)準(zhǔn)段選取的板厚如下：頂板1 300 mm、外側(cè)墻1 300 mm、底板1 500 mm，當(dāng)加設(shè)結(jié)構(gòu)空腔時，選取的板厚如下：頂板1 100 mm、外側(cè)墻1 100 mm、底板1 200 mm。具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖3 所示。

計算結(jié)果如圖4 所示。主環(huán)三車道標(biāo)準(zhǔn)段（不加設(shè)空腔）的板厚主要控制因素為頂板和底板的支座剪力，此時抗剪箍筋承擔(dān)總剪力的份額約為30%，對應(yīng)的板配筋率約為0.6%～0.8%，相對較小。外側(cè)墻的剪力相比于頂板較小，且其彎矩均在外側(cè)，內(nèi)側(cè)無彎矩，說明外側(cè)墻在荷載組合下未充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)受力的作用。經(jīng)過統(tǒng)計，主環(huán)三車道標(biāo)準(zhǔn)段（不加設(shè)空腔）每延米的混凝土量為59.42 m3。

圖4 主環(huán)三車道區(qū)段底板彎矩、剪力包絡(luò)圖

當(dāng)加設(shè)結(jié)構(gòu)空腔時，板厚主要控制因素為底板和側(cè)墻的支座剪力，此時抗剪箍筋承擔(dān)總剪力的份額分別為33%和21%，板配筋率約為0.6%～1.0%。從圖4 中可以看出，相比于不加設(shè)空腔的情況，外側(cè)墻的抗剪和抗彎能力得到了適當(dāng)?shù)睦茫Y(jié)構(gòu)頂板、底板和側(cè)墻的彎矩、剪力分布更加合理。經(jīng)統(tǒng)計，主環(huán)三車道標(biāo)準(zhǔn)段（加設(shè)空腔）每延米的混凝土量為56.51 m3。與不加設(shè)空腔時相比，每延米的混凝土量下降了2.91 m3，更加經(jīng)濟(jì)。

3.2 主環(huán)兩車道區(qū)段結(jié)構(gòu)分析

當(dāng)不加設(shè)結(jié)構(gòu)空腔時，暗埋標(biāo)準(zhǔn)段選取的板厚如下：頂板800 mm、外側(cè)墻800 mm、底板1 000 mm；當(dāng)加設(shè)結(jié)構(gòu)空腔時，選取的板厚如下：頂板700 mm、外側(cè)墻700 mm、底板800 mm，此時的覆土厚度從7.7 m 減小到了5 m。具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖5 所示。

圖5 主環(huán)兩車道區(qū)段比選方案結(jié)構(gòu)布置圖（單位：mm）

計算結(jié)果如圖6 所示。當(dāng)加設(shè)結(jié)構(gòu)空腔時，板厚主要控制因素為底板支座處的剪力，此時抗剪箍筋承擔(dān)總剪力的份額為31%，對應(yīng)的板配筋率約為0.7%～1.0%。經(jīng)過統(tǒng)計，主環(huán)兩車道區(qū)段（加設(shè)空腔）每延米的混凝土量為32.22 m3。從板配筋率和抗剪箍筋承擔(dān)總剪力份額的結(jié)果統(tǒng)計可以看出，對于主環(huán)兩車道區(qū)段，是否加設(shè)空腔對于主體結(jié)構(gòu)受力特征影響并不大，結(jié)構(gòu)板厚的主要控制因素均包括底板的支座剪力。與不加設(shè)空腔時相比，每延米的混凝土量增加了2.22 m3，且考慮到地下空間的利用率，主環(huán)兩車道區(qū)段若僅為單建環(huán)路，不加設(shè)空腔較為合理。

圖6 主環(huán)兩車道區(qū)段底板彎矩、剪力包絡(luò)圖

3.3 主環(huán)四車道區(qū)段結(jié)構(gòu)分析

當(dāng)不加設(shè)結(jié)構(gòu)空腔時，暗埋標(biāo)準(zhǔn)段選取的板厚如下：頂板1 000 mm、外側(cè)墻1 000 mm、底板1 100 mm；當(dāng)加設(shè)結(jié)構(gòu)空腔時，選取的板厚如下：頂板800 mm、外側(cè)墻800 mm、底板900 mm，此時的覆土厚度從7.5 m 減小到了5 m。具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖7 所示。

圖7 主環(huán)四車道區(qū)段比選方案結(jié)構(gòu)布置圖（單位：mm）

計算結(jié)果如圖8 所示，主環(huán)四車道相鄰區(qū)段（不加設(shè)空腔）的板厚主要控制因素為頂板中隔墻支座的彎矩，此時頂板在該支座處配筋率達(dá)到1.2%，其余板的配筋率約為6%～8%，抗剪箍筋承擔(dān)總剪力的份額約為24%～26%。經(jīng)過統(tǒng)計，主環(huán)四車道相鄰區(qū)段（不加設(shè)空腔）每延米的混凝土量為62.95 m3。

圖8 主環(huán)四車道區(qū)段底板彎矩、剪力包絡(luò)圖

當(dāng)加設(shè)結(jié)構(gòu)空腔時，板厚主要控制因素為頂板中隔墻支座和外側(cè)墻底部支座的彎矩，此時頂板和側(cè)墻在對應(yīng)支座處的配筋率達(dá)到1.18%，其余板的配筋率約為6%～9%，抗剪箍筋承擔(dān)總剪力的份額約為21%～23%。經(jīng)統(tǒng)計，主環(huán)四車道標(biāo)準(zhǔn)段（加設(shè)空腔）每延米的混凝土量為63.63 m3。從板配筋率和抗剪箍筋承擔(dān)總剪力份額的結(jié)果統(tǒng)計可以看出，對于主環(huán)四車道區(qū)段，是否加設(shè)空腔對于主體結(jié)構(gòu)受力特征影響并不大，結(jié)構(gòu)板厚的主要控制因素均為頂板在中隔墻支座的彎矩。與不加設(shè)空腔時相比，每延米的混凝土量增加了0.68 m3，且考慮到地下空間的利用率和施工難度，四車道區(qū)段若僅為單建環(huán)路，不加設(shè)空腔較為合理。

4 結(jié)語

該文以深埋地下環(huán)路為研究對象，對不同的跨度及埋深的地下環(huán)路進(jìn)行計算，研究了經(jīng)濟(jì)性，得出以下結(jié)論：

（1）針對覆土大于7 m 的三車道地下環(huán)路，在保證淺層地下空間不被侵占的前提下，加設(shè)空腔能有效減少結(jié)構(gòu)工程量。

（2）針對覆土大于7 m 的兩車道地下環(huán)路，加設(shè)空腔減少工程量不顯著，經(jīng)濟(jì)性不明顯，考慮到較小的截面導(dǎo)致鋼筋配置的增加，且占用了中層的地下空間，建議不加設(shè)空腔為宜。

（3）針對多跨地下環(huán)路，情況與單跨類似，由于加設(shè)空腔會導(dǎo)致節(jié)點設(shè)計更為復(fù)雜，需要工程師結(jié)合工程實例進(jìn)行判斷。

（4）需要注意到空腔本身還可以提供管廊、機(jī)房等的布置空間，在地下環(huán)路綜合性愈強(qiáng)的背景下，需要從各專業(yè)角度對經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合考量。