耿殿魁

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(shí)便會(huì)涉及地下水問題。對(duì)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(jié)構(gòu)。對(duì)于某些原因不允許降低地下水位或地下水滲透系數(shù)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(jié)構(gòu)正是針對(duì)此種情況采取的一種擋土、擋水支擋結(jié)構(gòu)形式，廣泛應(yīng)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(qū)，工點(diǎn)全長約2.8 km，下鉆鐵路讓湖路西站內(nèi)6條站線、2條機(jī)走線，預(yù)留壯讓復(fù)線、壯讓線、濱州雙線、在建哈齊客運(yùn)專線及讓杜公路，最大挖深11 m。工程范圍內(nèi)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(bǔ)給，水位季節(jié)性變化幅度1～3 m。

地層主要為：粉土，黃褐色，密實(shí)，潮濕；粉質(zhì)黏土，灰褐色—黃褐色，軟塑—硬塑，含少量粉細(xì)砂顆粒；粉砂，黃褐色，稍密—中密，潮濕—飽和；淤泥質(zhì)粉質(zhì)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(dòng)峰值加速度為0.05g，土壤最大凍結(jié)深度為214 cm。

2　封閉式U形槽結(jié)構(gòu)

封閉式路塹主要由邊墻和底板兩部分組成，設(shè)計(jì)成U形槽整體結(jié)構(gòu)，采用抗?jié)B標(biāo)號(hào)不低于P8的C40防水混凝土現(xiàn)場澆筑而成。

2.1　邊墻

U形槽結(jié)構(gòu)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(yīng)土壓力和水壓力的作用。邊墻墻背坡度采用1∶0.1，邊墻內(nèi)坡垂直。采用的橫斷面形式見圖1及圖2。

圖1　U形結(jié)構(gòu)橫斷面形式(一)

圖2　U形結(jié)構(gòu)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(cè)，也可以適當(dāng)伸出一定長度，此長度根據(jù)邊界寬度的限制或抗浮計(jì)算來確定。

3　封閉式U形槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)檢算，首先應(yīng)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(shí)無活載；②高水位時(shí)有活載；③低水位時(shí)有活載；④低水位時(shí)無活載(一般不控制)。

3.1　抗浮

位于地下水位以下的結(jié)構(gòu)不可避免地受到水的浮力作用，封閉式路塹本體自重應(yīng)大于靜水壓造成的浮力，抗浮力安全系數(shù)一般采用1.05～1.1，本工程設(shè)計(jì)中抗浮安全系數(shù)采用1.1。浮力根據(jù)阿基米德原理予以考慮，抗浮力在計(jì)算時(shí)考慮U形槽自重、底板上面層自重及鐵路荷載。結(jié)構(gòu)抗浮安全系數(shù)不滿足要求時(shí)可采用增加結(jié)構(gòu)自重、設(shè)置錨桿將結(jié)構(gòu)錨固于下臥地層、基底設(shè)置抗拔樁、采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(cè)三角形土體的重力、邊墻土壓力及水壓力、雨棚結(jié)構(gòu)及接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)邊墻的作用力；活載：邊墻外側(cè)有輔道時(shí)其上汽車荷載。

邊墻自重根據(jù)初步擬定的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算；邊墻壓力計(jì)算采用水土分算的原則，土壓力采用靜止土壓力，同時(shí)考慮雨棚結(jié)構(gòu)及接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)邊墻的作用力；邊墻墻頂外側(cè)輔道汽車荷載采用均布土柱來代替。

邊墻頂寬除按強(qiáng)度要求計(jì)算外，尚應(yīng)考慮附屬設(shè)備安裝位置和布置鋼筋的要求，本次設(shè)計(jì)根據(jù)雨棚結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)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(jì)算屬于彈性地基板的范疇。關(guān)于地基頂面撓度與反力之間的關(guān)系，目前主要有兩種不同的地基假設(shè)。(1)文克爾地基：地基上任一點(diǎn)的反力同該點(diǎn)的撓度成正比；(2)半空間(半無限)地基：地基頂面任一點(diǎn)的撓度不僅同該點(diǎn)的壓力有關(guān)，也同頂面其他點(diǎn)上的壓力有關(guān)。半空間(半無限)地基假設(shè)要比文克爾假設(shè)更符合地基的實(shí)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(shù)工程中仍采用文克爾假設(shè)。

底板計(jì)算時(shí)采用Winkler地基模型計(jì)算分析。以邊墻高8 m為例，計(jì)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(shè)計(jì)針對(duì)不同工況對(duì)底板的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)每塊板的內(nèi)力進(jìn)行了截面尺寸的確定和配筋，同時(shí)對(duì)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(jié)構(gòu)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(dá)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(cè)及哈齊客專外側(cè)降水影響半徑范圍內(nèi)基坑采用封水處理，兩側(cè)設(shè)置鉆孔灌注樁臨時(shí)支護(hù)，灌注樁后設(shè)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(yùn)營安全及哈齊客專的修建。

4.2　結(jié)構(gòu)防凍脹措施

基坑底設(shè)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(fā)生。

5　結(jié)束語

(1)U形槽結(jié)構(gòu)雖然截面形式比較簡單，但包含很多細(xì)部和復(fù)雜的問題，既有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還有設(shè)防水位的選取、結(jié)構(gòu)的防水處理、施工縫及沉降縫的設(shè)置等。

(2)封閉結(jié)構(gòu)下穿既有線時(shí)采用的降水措施，既要保證基坑施工，又要保證既有線的運(yùn)營安全。

(3)嚴(yán)寒地區(qū)采用換填非凍脹填料至凍結(jié)線以下是保證結(jié)構(gòu)物不發(fā)生凍脹的有效措施。

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