黃天榮

（上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院，上海　200123）

橫琴島第三通道下穿立交復(fù)雜結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計

黃天榮

（上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院，上海200123）

以橫琴島第三通道為例，闡明了越江通道下穿立交復(fù)雜結(jié)構(gòu)的節(jié)點設(shè)計。通過調(diào)整標高實現(xiàn)通道與下立交相交段合建，并將排洪箱涵設(shè)置在立交上方，解決了多個建（構(gòu)）筑物交叉的技術(shù)難題；通過保留原結(jié)構(gòu)進行人行通道改建、在下立交最低點設(shè)置雨水泵房以及對高壓燃氣管保護等節(jié)點設(shè)計，最大程度利用了原有結(jié)構(gòu)與節(jié)約投資，實現(xiàn)了因地制宜的最優(yōu)化設(shè)計；最后利用數(shù)值模擬驗證了設(shè)計的可行性。

越江通道；下穿立交；復(fù)雜節(jié)點；優(yōu)化設(shè)計

0　引言

作為一種特殊的地下建筑物，隧道在交通聯(lián)系中扮演著重要角色。隨著人工島、海島的逐步開發(fā)與利用，由于隧道具有全天候服務(wù)等突出優(yōu)點，近年來正逐漸成為連接島嶼的首選[1]。目前已有一定數(shù)量的相關(guān)研究與分析，但這些研究主要關(guān)注隧道結(jié)構(gòu)本身[2-4]，而對通道與島上交接部位的研究還鮮有涉及。隨著我國城鄉(xiāng)一體化建設(shè)的加速，深入研究相關(guān)問題，對于建設(shè)類似項目、加速島嶼開發(fā)及提升我國水運及交通能級等[5]均具有積極意義。

1　工程概況

橫琴島第三通道是繼橫琴大橋、橫琴二橋后的主要越江通道，通道沿橫琴中路布置，在環(huán)島北路南側(cè)設(shè)置部分互通立交。由于環(huán)島路北路下立交位于地下一層、橫琴第三通道的上方，工程結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜。同時工程周邊還涉及排洪渠、人行過街通道、高壓燃氣管、現(xiàn)狀共同溝及電力隧道等已建工程，周邊情況相對復(fù)雜，相關(guān)位置見圖1。

圖1反映出，橫琴島第三通道周邊建（構(gòu)）筑物眾多，環(huán)境異常復(fù)雜。由于隧道本身結(jié)構(gòu)較為特殊，因此該項目結(jié)構(gòu)設(shè)計難度較大，需要有針對地進行創(chuàng)新方能滿足項目設(shè)計要求。

圖1　項目位置及周邊環(huán)境Fig.1　Location of project and surrounding structures

2　設(shè)計原則

根據(jù)項目特征，從技術(shù)、經(jīng)濟等角度出發(fā)，提出越江通道與島上交通連接的設(shè)計原則。

1）因地制宜

項目的場地特殊，周邊建筑及管線密集，需要從實際情況出發(fā)，有針對性地進行工程方案的設(shè)計與比選，結(jié)合技術(shù)先進、經(jīng)濟合理進行分析，得出最適合于場址的設(shè)計方案。

2）地下空間集約利用

設(shè)計中需要整合原先分開考慮的各單體設(shè)計，以實現(xiàn)地下空間資源的高度集約化整合利用。這樣既解決技術(shù)難題也可降低投資，適應(yīng)建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會的要求。

3）注重周邊環(huán)境保護

項目周邊有的管線如高壓燃氣線為重大危險源，建設(shè)中稍有不慎便有可能釀成大禍。因此項目設(shè)計時，應(yīng)注重對周邊建構(gòu)筑物的保護，減少對已建工程影響，以確保項目建設(shè)安全。

3　主要節(jié)點設(shè)計

基于上述原則，對橫琴島第三通道下穿立交復(fù)雜結(jié)構(gòu)進行節(jié)點設(shè)計研究，通過方案提出、比選與論證等，最終得出各關(guān)鍵節(jié)點的設(shè)計方案。以下就主要結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計逐一進行介紹。

3.1下穿立交節(jié)點

由于通道所在的橫琴中路與環(huán)島北路近似正交，故橫琴島第三通道與下穿立交節(jié)點設(shè)計至關(guān)重要。考慮到環(huán)島北路下立交為雙跨鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，雙向六車道，單跨結(jié)構(gòu)內(nèi)凈尺寸為12.35 m×5.25 m。此處地面標高約為4.00 m，下立交底板底標高約為-6.40 m，橫琴三通道明挖段頂板底標高約為-6.70 m。通過將下立交底板底標高下降至-6.70 m與三通道頂板共用，兩者相交段采用合建的形式，在相交段兩端預(yù)留下立交接口，可以達到最大集約化利用地下空間資源的目的。工程的地下道路結(jié)構(gòu)與橫琴三通道預(yù)留結(jié)構(gòu)銜接，兩端接地處與現(xiàn)狀道路接順，詳見圖2。

工程在實施時，三通道與下立交合建段圍護結(jié)構(gòu)采用1.0 m厚地墻。在三通道中隔墻、結(jié)構(gòu)側(cè)墻與下立交中隔墻、側(cè)墻相交處設(shè)置暗柱，增加結(jié)構(gòu)強度。同時三通道位于下立交車行道范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)側(cè)墻不需澆筑，而設(shè)計成頂板梁與暗柱形成框架結(jié)構(gòu)，并預(yù)留下立交接口措施。施工兩端下立交時，鑿除預(yù)留接口處地墻并與合建下立交相接。

3.2排洪箱涵改造

在橫琴島第三通道下穿立交的西側(cè)原有一排洪渠，其結(jié)構(gòu)形式采用3.5 m×2.3 m現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱涵。由于建設(shè)的需要，在處理好通道與下穿立交的節(jié)點后，也需要對該箱涵進行改造，以保證該區(qū)段防洪排水等。經(jīng)分析研究，提出分建、合建兩方案如圖3所示。

為得出更適合現(xiàn)場的設(shè)計方案，經(jīng)多渠道搜集資料與計算，形成比選方案見表1。

圖2　下立交與三通道合建段結(jié)構(gòu)Fig.2　Cross-section of interchange of underpass and Third Passage

圖3　排洪箱涵建設(shè)方案示意圖Fig.3　Schematic diagram of designsfor box-culvert flood drainage system

表1　排洪渠改造方案比選表Table 1　Comparison of proposals for reconstruction of flood drainage canal

由表1可見，無論是從技術(shù)合理還是經(jīng)濟節(jié)約等角度，合建的方案具有明顯的優(yōu)越性，更符合因地制宜的設(shè)計原則，也能更好地集約利用空間。因此項目最終采用排洪渠與下立交結(jié)構(gòu)一體化合建方案，即下立交頂板與排洪渠底板共板一體化實施。

3.3人行通道改造

由于立交上方需要設(shè)置輔道等，原有的人行通道寬度變大，需要進行相應(yīng)的改造，方能滿足新的使用功能要求。遵循綠色理念，按照因地制宜、集約利用地下空間的原則，保持環(huán)島北路原有人行地道主體結(jié)構(gòu)不變，進行4個出入口的改建，最大程度利用了原有地下結(jié)構(gòu)，并能滿足工程建設(shè)新要求，參見圖4。

圖4　人行通道改造平面圖Fig.4　Plan layout of reconstruction of pedestrian passage

由圖4可見，原人行通道呈南北走向下穿環(huán)島北路，通道凈寬6 m，長約45 m，總建筑面積570 m2，現(xiàn)將原來通道主體位于新建環(huán)島北路下立交部分保留?？紤]到現(xiàn)狀綜合管廊（北側(cè)）、燃氣管（南側(cè)）的避讓，廢除原有的通道出入口，并在兩側(cè)各新建3 m凈寬的出入口。地面出入口寬度取3 m，設(shè)置雙向出入口，一側(cè)設(shè)置人行樓梯結(jié)合自行車推行，而坡道另一側(cè)設(shè)置人行樓梯。

豎向設(shè)計方面，通道北側(cè)需考慮避讓綜合管廊（北側(cè)），通道南側(cè)下穿燃氣管（南側(cè)）并設(shè)置7級樓梯踏步，通道采用雙向坡，坡向地道中間最低點，橫截溝設(shè)置在出入口與通道主體結(jié)合處，保留原集水井，設(shè)置在通道中心處，通道南側(cè)最低處新設(shè)置一集水井考慮排水。地下過街通道綜合考慮市政管線及過街作用，通道地坪至地面提升高度在5 m左右，出入口需設(shè)置一組樓梯及一組自行車推行坡道，如圖5所示。

圖5　人行通道縱剖面圖Fig.5　Vertical cross section of pedestrian passage

4　附屬節(jié)點設(shè)計

由于工程周邊管線密集，節(jié)點眾多，除了下立交、排洪渠及人行通道主要節(jié)點以外，實際上還有許多附屬節(jié)點需要進行專門設(shè)計。鑒于已有文獻對項目的共同溝及電力隧道節(jié)點進行說明[6]，下面將對雨水泵房、高壓燃氣管及變電所等節(jié)點設(shè)計進行專項闡述。

4.1雨水泵房布置

在下立交最低點西北側(cè)設(shè)置雨水泵房，敞開段雨水通過邊溝、管道和最低點橫截溝收集，進入雨水泵房集水池，經(jīng)水泵提升至下立交外壓力窨井后，再排入室外雨水管網(wǎng)。雨水泵房的規(guī)模為1.7 m×4.5 m。下部設(shè)置集水坑，總凈高約為7.6 m，對于高于最低點的地方，需要在地道最低處鋪設(shè)2個橫截溝坡向隧道外側(cè)，并在底部設(shè)置集水豎井，結(jié)構(gòu)底板預(yù)埋套管坡度1%接入雨水泵房的集水坑內(nèi)。路面橫向單坡為1.5%。

通過這一合理化設(shè)計，達到了最大程度自動排水的目的，避免了積水對下立交及通道等造成影響，在節(jié)約投資的同時具有良好的工作性能，更能適應(yīng)構(gòu)建海綿城市的要求。

4.2高壓燃氣管保護

橫琴島第三通道附近分布有DN400高壓燃氣管，是專門向澳門提供燃氣的管道。由于道路平面線位發(fā)生變化，部分燃氣管位于車行道下，需要增加上蓋混凝土保護結(jié)構(gòu)或進行搬遷，比選方案詳見表2。

表2　高壓燃氣管保護方案比選Table 2　Comparison of proposals for protection of high pressure fuel gas pipeline

根據(jù)因地制宜與節(jié)約的原則，經(jīng)綜合考慮后采用保護方案。相應(yīng)的保護截面見圖6。

4.3變電所設(shè)計

由于三通道與下立交今后由同一家單位養(yǎng)護管理，為節(jié)省投資，下立交變配電所設(shè)在隧道WK1+790—WK1+810設(shè)備段地下一層空腔內(nèi)（距下立交結(jié)構(gòu)外邊線約30 m），變電所只為下立交工程范圍內(nèi)的用電設(shè)備供電，且變電所進出線方式為下進下出。

圖6　高壓燃氣管保護方案橫斷面圖Fig.6　Cross section of high pressure fuel gas protection

5　有限元復(fù)核

由上述分析可見，排洪渠與下立交合建結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且排洪渠內(nèi)有水通過存在滲漏風(fēng)險，因此該結(jié)構(gòu)的重要性最高。為論證方案可行性，利用ANSYS建立相應(yīng)有限元三維計算模型進行校核。通過對施工期、使用期各種狀態(tài)的模擬發(fā)現(xiàn)，箱涵結(jié)構(gòu)邊緣處出現(xiàn)負彎矩，跨中出現(xiàn)了正彎矩，但由于空間效應(yīng)，相應(yīng)內(nèi)力均不大，可以滿足結(jié)構(gòu)合建設(shè)計要求[7]。

6　結(jié)語

通過標高調(diào)整、方案比選及數(shù)值模擬等手段，從因地制宜、集約利用地下空間及注重周邊保護的設(shè)計原則出發(fā)，成功實現(xiàn)了橫琴島第三通道下穿立交復(fù)雜結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計。該實踐表明，對于過江隧道與島上交通連接段的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可以靈活采取多種方式實現(xiàn)其最優(yōu)化設(shè)計。隨著我國跨江、跨海隧道的不斷增多，相關(guān)交通連接部位的節(jié)點設(shè)計需要有更多方法靈活處理，有待做進一步的研究與探討。

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Design of structural nodes between the third interchange and upper underpass on Hengqin Island

HUANG Tian-rong
（Shanghai Urban Construction Design Research Institute,Shanghai 200123,China）

The design of nodes of complex underpass structures in a crossing-river passage was introduced based on the Third Interchange on Hengqin Island.Through elevation adjustment to achieve the unifying construction of the interchange and the underpass and setting the drainage box culvert over the underpass,the difficulty of several structures encountered was solved. And the passage was reformed with the main structure unchanged,and the pumping house was built at the lowest point of the underpass and the high pressure fuel gas pipeline was protected.These measures made use the existing structures and cut down the investment to the utmost,as well as optimized the designs.The feasibility of these designs was finally verified with the numerical simulation.

crossing-river passage;underpass;complex node;optimization design

U652；U452.2

A

2095-7874（2016）05-0049-05

10.7640/zggwjs201605012

2016-02-04

2016-03-08

住建部科學(xué)技術(shù)項目計劃（2014-S1A-003）；上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院科研工程項目（13829S）

黃天榮（1982— ），男，上海市人，博士，注冊一級建造師，工程師，主要從事地下結(jié)構(gòu)設(shè)計及研究。E-mail：tinyo_huang@126.com