謝璞（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東廣州510635）

有軌電車跨越城市下穿隧道的設(shè)計(jì)方案研究

謝璞（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東廣州510635）

某有軌電車于道路交叉口斜交跨越城市下穿隧道，為保證隧道的結(jié)構(gòu)安全和有軌電車的行車舒適，本文分別對(duì)路基方案、設(shè)支座橋梁方案和分離式橋梁方案進(jìn)行了計(jì)算和分析，并對(duì)總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工便利性和總投資等方面進(jìn)行了方案對(duì)比論述，可供類似工程參考。

有軌電車；城市下穿隧道；跨越方案；方案比選

1 工程概述

某有軌電車工程寬度約8m，軌道結(jié)構(gòu)厚50cm，需從城市下穿隧道（新建）封閉段（暗埋段）上方斜交穿越，該隧道暗埋段為雙孔箱型結(jié)構(gòu)，單孔凈寬9.625m，結(jié)構(gòu)總寬21.7m。電車所跨越的隧道節(jié)段為埋深最大的節(jié)段，覆土約為1.8m。平面位置關(guān)系圖如圖1所示。

圖1 平面位置關(guān)系圖（單位：m）

2 擬選方案

為保證隧道結(jié)構(gòu)安全、滿足有軌電車的行車舒適性、且工程經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)，提出路基方案、設(shè)支座橋梁方案和分離式橋梁方案進(jìn)行比選，詳細(xì)如下：

2.1 路基方案（方案一）

有軌電車軌道結(jié)構(gòu)與隧道頂板之間采用素混凝土層填充，如圖2所示。

圖2 路基方案

2.2 設(shè)支座橋梁方案（方案二）

軌道結(jié)構(gòu)下設(shè)置板肋橋（跨徑布置：2×14m），板肋橋設(shè)支座支撐于隧道側(cè)墻，橋后設(shè)置搭板與路基過渡，如圖3所示。

2.3 分離式橋梁方案（方案三）

軌道結(jié)構(gòu)下設(shè)置板肋橋（跨徑布置：2×14m），中墩穿過隧道中墻位置（墩柱截面寬度小于中墻，可被包裹其中但不與中墻直接接觸），并在隧道底板下方設(shè)置樁基、承臺(tái)。該有軌電車橋梁結(jié)構(gòu)自成體系，梁底與隧道頂板頂留有空隙，荷載不傳給隧道，且墩柱不影響隧道建筑界限，橋后設(shè)置搭板與路基過渡，如圖4所示。

3 方案比選

3.1 結(jié)構(gòu)受力分析

圖3 設(shè)支座橋梁方案（有軌電車路線前進(jìn)方向）

圖4 分離式橋梁方案（有軌電車路線前進(jìn)方向）

首先從隧道結(jié)構(gòu)受力角度分析擬選方案的合理性。采用有限元軟件midas建立空間分析模型，隧道結(jié)構(gòu)采用板單元，有軌電車的行車軌跡線采用無質(zhì)量和剛度的虛擬梁單元模型，隧道底板按地質(zhì)資料取土彈簧基床系數(shù)，分析恒載和有軌電車活載作用下的結(jié)構(gòu)受力，計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)受力分析計(jì)算模型

具體計(jì)算結(jié)果詳見表1。計(jì)算表明：

（1）方案二與方案一對(duì)比，由于隧道底地質(zhì)存在差異，橋梁支座反力作用于側(cè)墻頂將產(chǎn)生不均勻沉降，從而隧道結(jié)構(gòu)存在較大的活載彎矩。

（2）方案三與方案一對(duì)比，隧道底設(shè)置承臺(tái)，承臺(tái)位置的豎向支撐剛度遠(yuǎn)大于周邊土體，從而承臺(tái)位置的地基反力明顯集中，隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不利的“頂腰現(xiàn)象”，結(jié)構(gòu)彎矩增加明顯。

（3）對(duì)于方案一，恒載和有軌電車活載引起的工后沉降較小，詳見本文第4節(jié)“路基方案地基變形計(jì)算”，細(xì)化過渡段設(shè)計(jì)后，對(duì)有軌電車的舒適性影響可以忽略。

綜上考慮，從隧道結(jié)構(gòu)受力角度而言，推薦采用路基方案。

對(duì)于路基方案，分別將公路車輛荷載、城-A級(jí)車輛荷載、有軌電車荷載作用于下穿隧道結(jié)構(gòu)，隧道頂板彎矩效應(yīng)的對(duì)比表如表2所示。

由表2得，有軌電車采用路基方案通過不需要增加下穿隧道的結(jié)構(gòu)尺寸和配筋。

表1 各擬選方案恒載和活載計(jì)算結(jié)果

表2 不同車輛荷載作用下的隧道頂板彎矩效應(yīng)

3.2 方案比選

分別從總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工便利性和總投資對(duì)擬選方案進(jìn)行對(duì)比，分別論述如下：

3.2.1 總體設(shè)計(jì)

方案一和方案二在總體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意將有軌電車的軌道位于下穿隧道的同一個(gè)節(jié)段，以避免節(jié)段間的不均勻沉降對(duì)有軌電車行車舒適性的影響。

方案三，注意將隧道泵房避開有軌電車橋梁的邊墩，在隧道基坑施工時(shí)需預(yù)留有軌電車橋梁邊墩的施工空間。

3.2.2 結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)

方案一細(xì)部設(shè)計(jì)時(shí)需注意：①詳細(xì)考慮有軌電車路隧過渡段；②通行有軌電車的隧道節(jié)段較長，需適當(dāng)加強(qiáng)隧道縱向配筋。

方案二細(xì)部設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮方案一上述兩個(gè)注意事項(xiàng)，另外需注意：由于隧道底地質(zhì)差異，電車橋梁的支座反力引起下穿隧道較大的不均勻沉降，需增加隧道結(jié)構(gòu)的配筋。

方案三細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需注意：①下臥承臺(tái)造成隧道底的豎向支撐剛度突變，出現(xiàn)“頂腰現(xiàn)象”，需增加結(jié)構(gòu)配筋。②應(yīng)考慮隧道與電車橋梁在電車制動(dòng)力、地震作用等水平作用下的相互作用影響，需做隔震措施。③隧道中墻需局部加厚。

3.2.3 施工便利性

方案一施工無交叉，施工便利、迅速。

方案二施工交叉較少，需注意設(shè)置電車橋垂直向的擋土塊及過渡段。

方案三，施工交叉較多，施工不便，主要體現(xiàn)在：①電車板肋橋的中墩樁基、承臺(tái)和墩柱應(yīng)與隧道結(jié)構(gòu)同步施工。②電車板肋橋的邊墩樁基需待隧道結(jié)構(gòu)施工完成并回填壓實(shí)至路面頂標(biāo)高后再行施工。③考慮電車板肋橋中墩承臺(tái)位置的局部開挖深度較大，需加強(qiáng)承臺(tái)開挖坑附近的隧道基坑支護(hù)措施。④電車板肋橋邊墩附近的隧道基坑支護(hù)鉆孔樁適當(dāng)外移，為板肋橋的邊墩樁基施工騰出空間。

3.2.4 總投資

經(jīng)初步核對(duì)，方案一的總投資最少，方案二較少，方案三最多。

4 路基方案的地基變形計(jì)算

4.1 計(jì)算假定

有軌電車跨越下穿隧道節(jié)段處存在礫質(zhì)粘性土，該土層大于2mm的顆粒含量達(dá)31%，可認(rèn)為該土層的滲透性較大，地基在恒載施加完畢時(shí)，其固結(jié)變形基本已經(jīng)完成，可不考慮恒載引起的工后沉降。

恒載引起的附加應(yīng)力等于恒載應(yīng)力減去現(xiàn)狀自重應(yīng)力（地下水位以下取現(xiàn)地面以下2m），本項(xiàng)目等于13.9kPa，偏安全不考慮應(yīng)力擴(kuò)散，由恒載引起的隧道底板底面沉降：

參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）第5.3.3條及條文說明，對(duì)于中壓縮性土（壓縮性的判斷據(jù)該規(guī)范第4.2.6條），考慮工后沉降為總沉降的50%，即工后沉降為11.4mm。

綜上所述，認(rèn)為恒載引起的工后沉降可忽略。

本次計(jì)算僅考慮有軌電車及平交口汽車通過隧道節(jié)段時(shí)，活載引起的地基變形。

4.2 計(jì)算模型

采用有限元軟件midas建立空間分析模型，隧道結(jié)構(gòu)采用板單元，有軌電車及汽車車輛荷載的行車軌跡線采用無質(zhì)量和剛度的虛擬梁單元模型，隧道底板按地質(zhì)資料取土彈簧基床系數(shù)，分析活載作用下的地基變形。

模型中的計(jì)算荷載包括通過平交口隧道節(jié)段的兩組有軌電車車列和八組“城-A級(jí)”車列，對(duì)于“城-A級(jí)”車列考慮橫向車道折減系數(shù)ξ=0.5。

模型中的邊界條件按如下方式處理：隧道底板底面的豎向基床系數(shù)：對(duì)于薄壓縮層（壓縮層厚度H＜B/2，B為結(jié)構(gòu)寬度），取基床系數(shù)k=ES/H，其中ES為地基壓縮模量，按詳勘取礫質(zhì)粘性土的ES=4.9MPa，壓縮層厚度H按隧道節(jié)段底最大壓縮層厚度取H=8m?；蚕禂?shù)k=ES/H=4900kPa/8m=612.5kN/m3。

4.3 計(jì)算結(jié)論

計(jì)算結(jié)果顯示，隧道底板的活載位移效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值包絡(luò)如圖6所示，最大豎向位移為15.7mm。因此，有軌電車上跨城市下穿隧道采用路基方案滿足有軌電車的行車舒適性的要求。

圖6

5 結(jié)論

綜上所述，對(duì)于本工程，有軌電車上跨城市下穿隧道采用路基方案對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的受力影響最小，對(duì)有軌電車的舒適性影響可以忽略，施工便利且總體投資最少，最終施工實(shí)施方案采用了路基方案。

［1］中華人民共和國交通運(yùn)輸部.《公路鋼筋混凝上及預(yù)應(yīng)力混凝上橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD62-2004）［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］中華人民共和國交通運(yùn)輸部.《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60 -2015）［S］.北京：人民交通出版社，2015.

［3］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ11-2011）［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［4］土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)［J］.北京：人民交通出版社，1998.

［5］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007-2011）［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

所獲榮譽(yù)及獎(jiǎng)勵(lì)：2014～2015年度廣東省優(yōu)秀工程咨詢成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

U455.4

A

2095-2066（2016）30-0168-02

2016-10-10

謝璞（1985-），男，江西萍鄉(xiāng)人，工程師、一級(jí)注冊結(jié)構(gòu)工程師、注冊土木工程師（巖土），工學(xué)碩士，主要從事橋梁與隧道工程設(shè)計(jì)工作。