城市綜合交通樞紐框架隧道設(shè)計(jì)

陳 勇，袁 竹，何昌國

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川 成都 610031)

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展,城市人口越來越多,城市道路擁堵現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重[1],過境交通與到達(dá)交通以及樞紐內(nèi)部交通混合在一起,交通功能紊亂,城鎮(zhèn)交通面臨巨大的壓力[2-4]。新一輪的城鎮(zhèn)化和軌道交通的發(fā)展,越來越多開始兼顧衛(wèi)星城主干道作用的老國道,與多種交通系統(tǒng)一起形成新的交通樞紐[5-7]。為緩解樞紐區(qū)域交通壓力,一般需對(duì)樞紐區(qū)域的交通進(jìn)行分離,因具有噪聲干擾小、對(duì)城市景觀、周邊地塊商業(yè)價(jià)值和居住環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn),下穿隧道在近年城市立體交通建設(shè)中逐漸增多[8-12]。對(duì)于長距離下穿綜合交通樞紐區(qū)域,現(xiàn)狀道路、軌道交通、用地紅線、管網(wǎng)、地下水位和路網(wǎng)交通等組成多種因素,為隧道斷面、結(jié)構(gòu)參數(shù)等設(shè)計(jì)合理性提出了更高的要求[13-17]。

譚上俞等[18]基于結(jié)構(gòu)荷載理論對(duì)城市下穿式矩形框架式隧道進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型簡化,同時(shí)利用Ansys軟件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)力學(xué)分析,分析結(jié)果表明矩形框架隧道在拐角處受力最不利,需在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工中根據(jù)結(jié)構(gòu)截面強(qiáng)度驗(yàn)算進(jìn)行配筋加厚處理;王智等[19]結(jié)合溫州市域鐵路S1線一期工程土建施工SG13標(biāo)段工程,闡述了單層多跨矩形框架式隧道的施工技術(shù),重點(diǎn)介紹了結(jié)構(gòu)施工步序、施工方案;吳煥慶[20]采用有限元分析法對(duì)下穿立交框架涵結(jié)構(gòu)的埋置深度和橫截面各構(gòu)件尺寸進(jìn)行研究,對(duì)結(jié)構(gòu)的埋置深度和橫截面各構(gòu)件尺寸進(jìn)行參數(shù)化分析,從而得到框架涵的最適埋深以及最適埋深下受力最佳橫截面尺寸,最終取得受力合理、用料節(jié)省的下穿式立交結(jié)構(gòu)尺寸;李慧君等[21]運(yùn)用Midas軟件建立厚板單元的三維空間模型和平面剛架模型對(duì)某斜交框架橋進(jìn)行了分析。上述研究主要對(duì)框架隧道結(jié)構(gòu)受力狀況,以及施工方法進(jìn)行了探討。

本文以成都市郫縣紅光大道犀浦雙鐵站下穿隧道為例,針對(duì)長距離下穿綜合交通樞紐所面臨的近接軌道交通、各等級(jí)路網(wǎng)、管網(wǎng)密集、結(jié)構(gòu)空間受限、地下水位變化大等問題對(duì)總體設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了梳理,擬定“局部加高風(fēng)機(jī)襯砌和加深集水井”的限界豎向延伸設(shè)計(jì)思路和主體結(jié)構(gòu)分段原則,對(duì)高低水位、調(diào)頭車道荷載、近接地鐵段地層損失和抗浮等多種工況組合進(jìn)行數(shù)值分析,制定了主體非對(duì)稱配筋、上跨規(guī)劃地鐵段設(shè)板凳樁、底板縱筋加強(qiáng)等措施,其設(shè)計(jì)思路和方法可供類似工程借鑒。

1 工程概況

犀浦雙鐵站站前下穿隧道,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙向六車道城市主干道,設(shè)計(jì)行車速度為60 km/h,全長1 700 m(含敞開段),其中暗埋段全長1 250 m,位于成都平原老成灌路G317下方、成灌高鐵和地鐵2號(hào)線犀浦站北側(cè),從江西街以東依次下穿江西街、天府大道、浦發(fā)街、犀方路及泰山大道,在泰山大道西側(cè)出隧道,通過分離G317過境交通,減小轉(zhuǎn)向交通和直行交通的干擾,達(dá)到凈化樞紐區(qū)交通的作用。路線縱坡為-4.1%,0.3%,4.8%的凹形坡,主要穿越卵石土地層。項(xiàng)目平面圖如圖1所示,項(xiàng)目工程效果圖如圖2所示。

2 限界擬定及主體結(jié)構(gòu)分類

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、用地紅線、管線、景觀等諸多因素限制,本項(xiàng)目所處的犀浦綜合交通樞紐控制因素尤甚,主要平面、縱斷面控制因素如下:

1)對(duì)于路線平面,原老成灌路G317為雙向六車道,大體東西走向,成灌高鐵和地鐵二號(hào)線緊貼道路南側(cè)并行,北側(cè)緊鄰高層商業(yè)地產(chǎn)和住宅小區(qū)用地紅線,雨污水主干網(wǎng)絡(luò)并行,致使本項(xiàng)目隧道施工總寬度不足30 m。

2)對(duì)于路線縱斷面,原老成灌路G317縱坡為西高東低,既有道路以下0.5 m～3.5 m范圍布設(shè)著犀浦鎮(zhèn)最密集的各類管線,多數(shù)管線需要在隧道建成后原位恢復(fù),規(guī)劃地鐵6號(hào)線(計(jì)劃2016年開工)兩座區(qū)間隧道在穿越本項(xiàng)目段需要控制埋深在地下15 m以內(nèi),以便于南側(cè)地下負(fù)二層設(shè)站對(duì)接成灌高鐵和地鐵2號(hào)線,研究表明,本地區(qū)卵石土地層中地鐵盾構(gòu)施工塑性區(qū)主要發(fā)生在洞周2.5 m范圍,考慮地鐵6號(hào)線設(shè)計(jì)滯后于本項(xiàng)目,存在一定方案調(diào)整風(fēng)險(xiǎn),擬定本項(xiàng)目隧道底板與下部地鐵區(qū)間隧道凈距3.5 m,則該段隧道結(jié)構(gòu)高度不得大于9 m(地鐵埋深15 m-結(jié)構(gòu)凈距3.5 m-頂部管線2.5 m)。

2.2 限界擬定

行車隧道建筑限界不僅應(yīng)滿足汽車行駛的空間,還應(yīng)滿足汽車行駛的安全、快捷、舒適和防災(zāi)等要求。為有效緩解隧道內(nèi)對(duì)向行車對(duì)駕乘人員造成的“側(cè)墻效應(yīng)”,采取雙孔布置方式,結(jié)合以上控制因素,本隧道建筑限界擬定為單孔12 m×5 m(寬×高),具體如下:

基本寬度12 m=0.75 m(檢修道)+0.5 m(路緣帶)+3.25 m×2(小客車專用車道)+3.5 m(大型車或混行車道)+0.5 m(路緣帶)+0.25 m(安全帶)。

基本凈高:根據(jù)《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》機(jī)動(dòng)車道最小凈高為4.5 m,但本樞紐周邊各等級(jí)路網(wǎng)密集交叉,故按《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》之一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)采用5.0 m。

結(jié)合照明、供電等運(yùn)營管理設(shè)施安裝空間要求,擬定的內(nèi)輪廓凈寬12.2 m,凈高(路面以上)5.65 m(見圖3)。

為保證運(yùn)營期間的衛(wèi)生和防災(zāi)功能,根據(jù)本隧道長度和設(shè)計(jì)交通量,采用全射流縱向通風(fēng)方案;為滿足排水要求,需要在最低點(diǎn)設(shè)置集水抽排設(shè)施。因橫向?qū)挾韧ㄩL受限、豎向高度局部受限,擬定“局部加高風(fēng)機(jī)斷面和加深集水井”的限界豎向延伸設(shè)計(jì)思路,避開管線影響段設(shè)置6處局部加高的結(jié)構(gòu),以滿足隧道頂部風(fēng)機(jī)安裝、運(yùn)營要求;于隧道東端最低點(diǎn)選擇合理標(biāo)高設(shè)置1處局部加深的集水井,并通過排水管與外部泵站相連,將排水控制功能區(qū)分離出去,方便運(yùn)營維護(hù)。

2.3 主體結(jié)構(gòu)分類

根據(jù)前2.1節(jié)控制因素?cái)M定路線縱坡,以埋深為主要依據(jù),將主體結(jié)構(gòu)主要分為K型,K2型,風(fēng)機(jī)框架3類襯砌,詳見表1。

表1 主體結(jié)構(gòu)分類表 m

其中K1型框架縱向分布于隧道暗埋段進(jìn)出口各86 m,包含洞口掉頭車道段;洞身段除6處28 m風(fēng)機(jī)框架外,均為K2型框架,包含局部加上集水井段和上跨規(guī)劃地鐵6號(hào)線段。

3 主體數(shù)值計(jì)算及配筋

以局部變形理論為基礎(chǔ),采用荷載-結(jié)構(gòu)模型,隧道邊墻按彈性墻考慮,底板按彈性地基梁考慮,利用有限元軟件Ansys10.0,對(duì)不同工況荷載組合中隧道受力狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬、分析,按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下統(tǒng)稱《混規(guī)》)承載能力極限狀態(tài)對(duì)構(gòu)件截面強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算,按正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算構(gòu)件裂縫寬度,合理控制配筋。

3.1 材料參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,圍巖材料參數(shù)如表2所示,框架主體采用C35鋼筋混凝土,其材料參數(shù)滿足《混規(guī)》要求。

表2 巖土力學(xué)參數(shù)

3.2 荷載擬定

通過調(diào)查分析本隧下穿犀浦綜合交通樞紐段的埋深、巖土、水位、路網(wǎng)構(gòu)成及規(guī)劃等因素,確定本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)主要控制荷載如表3所示。

表3 主要控制荷載

對(duì)于本樞紐區(qū)域的高、低地下水位、汽車荷載考慮如下:

1)水位。據(jù)《成都平原水文地質(zhì)圖》(1/10萬)資料:測區(qū)范圍內(nèi)地下水水位埋深:枯水期為3.10 m,洪水期為1.56 m。隧道洞身主要穿越第四系松散堆積孔隙潛水含水層,滲透系數(shù)20 m/d～40 m/d,受地表補(bǔ)給、周邊大面積降水影響,水位變化較大。本項(xiàng)目地處交通樞紐和規(guī)劃經(jīng)濟(jì)密集區(qū),未來地鐵和周邊大型建筑施工期間等地下水位會(huì)長期處于低位,故取最不利低水位為結(jié)構(gòu)底板以下;研究表明,長段地下建筑物建成后會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生阻隔,造成地下水位壅高,故取最不利高水位(即抗浮設(shè)計(jì)水位)為地面下1 m。

2)抗浮。通過最不利高水位進(jìn)行抗浮檢算,當(dāng)框架結(jié)構(gòu)埋深小于2.5 m時(shí),抗浮穩(wěn)定系數(shù)小于1.2,需采取輔助抗浮措施。即K1型框架和風(fēng)機(jī)框架段需設(shè)置2排～3排抗拔樁,單樁樁徑1 200 mm,樁長5 m,縱向間距4 m,框架數(shù)值計(jì)算考慮抗拔樁的約束作用。

3)車輛荷載。一般情況下,地面汽車荷載簡化為均布荷載。通過公式q=NQ/BL(N為橫向分布的車輛數(shù),Q取公路-Ⅰ級(jí)車輛荷載550 kN,B為折減后的橫向分布車輛寬度,L=12.8 m為汽車前后軸總距),計(jì)算得出公路-Ⅰ級(jí)車輛荷載折算均布荷載分別為:1輛車時(shí)24 kPa,2輛車時(shí)18 kPa,4輛車時(shí)16 kPa,取最大值24 kPa,并直接取代施工荷載工況。

4)車道荷載。針對(duì)樞紐地面各路網(wǎng)密集交叉,需在臨近洞口的K1型襯砌頂部設(shè)置掉頭車道,本項(xiàng)目選取覆土0.5 m處的調(diào)頭車道模擬最不利車道荷載,按公路-Ⅰ級(jí)車道荷載均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值取qk=10.5 kPa,集中荷載Pk按單孔凈跨13.5 m計(jì)算得220 kN,作用于雙孔跨中最大影響線峰值處。

3.3 荷載組合

為確定主要控制荷載的最不利組合,采用圖4—圖6組合進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.4 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)模擬分析,各工況組合得出的框架結(jié)構(gòu)彎矩、軸力、剪力圖形態(tài)類似,如圖7—圖9所示,控制性斷面彎矩值如下:頂板與中隔墻交角正彎矩1 570 kN·m～3 570 kN·m,底板與中隔墻交角正彎矩449 kN·m～2 710 kN·m,頂板跨中負(fù)彎矩569 kN·m～1 240 kN·m,底板跨中負(fù)彎矩297 kN·m～1 540 kN·m。

3.5 非對(duì)稱配筋

對(duì)比各工況控制位置之計(jì)算配筋,得出各控制部位最不利配筋,K1型、K2型和風(fēng)機(jī)型框架結(jié)構(gòu)配筋結(jié)果詳見表4—表6。通過分析各工況計(jì)算配筋結(jié)果和配筋面積包絡(luò)圖(如圖10—圖12所示)可知,對(duì)于埋深較小的K1型和風(fēng)機(jī)型框架之頂板配筋主要受高水位控制、底板配筋主要受低水位控制,其中考慮掉頭車道荷載的工況對(duì)頂板配筋最不利;對(duì)于埋深較大的K2型框架,除底板與邊墻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。結(jié)構(gòu)各部位的最不利配筋量差別較大,為兼顧結(jié)構(gòu)的安全和經(jīng)濟(jì),按非對(duì)稱配筋原則,對(duì)控制性位置進(jìn)行局部加強(qiáng)配筋。

表4 結(jié)構(gòu)配筋結(jié)果-K1型框架

表5 結(jié)構(gòu)配筋結(jié)果-K2型框架

表6 結(jié)構(gòu)配筋結(jié)果-風(fēng)機(jī)型框架

4 上跨規(guī)劃地鐵段措施

據(jù)前文結(jié)論,將隧道底板與下部地鐵區(qū)間隧道凈距定為3.5 m。近年來針對(duì)成都地鐵的研究表明[22],本地區(qū)卵石土地層具有地下水位高、卵漂石含量高和卵石強(qiáng)度高等“三高”特點(diǎn),且離散性強(qiáng),空隙多填充砂土,導(dǎo)致盾構(gòu)開挖過程中掌子面易失穩(wěn),形成局部坍塌空洞。

4.1 板凳樁措施

為降低未來地鐵施工對(duì)本隧道運(yùn)營及結(jié)構(gòu)安全造成的影響,重點(diǎn)需解決地鐵開挖造成的土體卸載和地下水浮力作用問題,采取設(shè)置板凳樁跨越地鐵區(qū)間的措施,兼顧支撐與抗拔作用,即框架底板下設(shè)置3排φ1 200 mm鋼筋混凝土樁,上端與底板固接,下端錨固至地鐵設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)底以下9 m,跨越地鐵段縱斷面詳見圖13。

4.2 數(shù)值分析及配筋

在主體數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上,模擬兩種最不利工況:(工況一)地鐵施工造成地層大量損失,即框架底板至地鐵底板間土體全無土體,底板抗力損失,摩擦樁承擔(dān)底板上方所有荷載;(工況二)地鐵區(qū)間上浮,底板承受上浮力,樁體起抗拔作用。兩工況結(jié)構(gòu)變形云圖如圖14,圖15所示。

底板結(jié)構(gòu)按雙向板進(jìn)行檢算配筋,沿地鐵盾構(gòu)隧道線路方向?yàn)閤方向,沿紅光大道線路方向?yàn)閥方向,兩工況檢算結(jié)果及配筋見表7,表8。分析可知,工況一、二分別控制底板上、下部最不利配筋,最大配筋部位為底板與中隔墻交角(x方向)和底板與樁交接處(y方向),故需要對(duì)上跨規(guī)劃地鐵段的K2型框架進(jìn)行加強(qiáng),即加強(qiáng)底板結(jié)構(gòu)縱筋至10φ32。

表7 底板配筋結(jié)果-x方向

表8 底板配筋結(jié)果-y方向

5 結(jié)論及建議

1)為解決長距離下穿綜合交通樞紐所面臨的結(jié)構(gòu)橫向?qū)挾韧ㄩL受限、豎向高度局部受限問題,設(shè)計(jì)采用“局部加高風(fēng)機(jī)襯砌和加深集水井”的限界豎向延伸設(shè)計(jì)思路和主體結(jié)構(gòu)分段原則。

2)為得出各控制部位最不利配筋,需對(duì)比多種荷載組合工況得到其配筋面積包絡(luò)圖;結(jié)構(gòu)各部位的最不利配筋量差別較大,為兼顧結(jié)構(gòu)的安全和經(jīng)濟(jì),按非對(duì)稱配筋原則,對(duì)控制性位置進(jìn)行局部加強(qiáng)配筋。

3)框架隧道上跨規(guī)劃地鐵段時(shí)需考慮地鐵開挖造成的土體卸載和地下水浮力作用問題,采取設(shè)置板凳樁跨越地鐵區(qū)間同時(shí)加強(qiáng)底板縱向配筋的措施,土體卸載和地下水浮力分別控制底板上、下部最不利配筋。

4)由于實(shí)際施工狀況,場地環(huán)境等均會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)受力造成影響,本文的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算均從理論角度進(jìn)行分析,具有一定局限性。在框架隧道實(shí)際施工中,可根據(jù)信息化手段對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。