李琬荻

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300143)

0 引言

近幾年，隨著國(guó)家對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入的逐漸加大，城市軌道交通和高速鐵路飛速發(fā)展，U型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在鐵路干線和地鐵中應(yīng)用廣泛。例如鐵路、公路下鉆式立交地段，地鐵區(qū)間從地下盾構(gòu)隧道爬升至地面高架時(shí)的過渡段以及地鐵出入段線，等等。當(dāng)線路以路塹形式通過地下水位較高、地層滲透系數(shù)較大、地下水排水困難區(qū)域時(shí)，U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的剛度大、穩(wěn)定性高、防水性能好的優(yōu)勢(shì)得以體現(xiàn)，同時(shí)該結(jié)構(gòu)具有收坡支護(hù)的功能： 丁兆鋒等[1]對(duì)U型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的理論計(jì)算模型、內(nèi)力計(jì)算以及結(jié)構(gòu)施工圖等問題進(jìn)行過探討； 孟美麗等[2]主要研究了U型結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型及原理； 崔俊杰等[3]對(duì)邊墻水土壓力問題進(jìn)行了討論； 吳劍鋒等[4]闡述了路堤段U型結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

本工程位于天津某地鐵出入段線，沿城區(qū)由西向東敷設(shè)。線路兩側(cè)有魚塘及溝渠，地下水位較高。為保持同地下區(qū)間整體道床的順接，故采用U型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文在借鑒國(guó)內(nèi)其他工程實(shí)例的基礎(chǔ)上，結(jié)合該工程特點(diǎn)對(duì)U型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行介紹，為相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 地層巖性

本工程范圍內(nèi)第四系自上而下主要為：

(1)全新統(tǒng)人工填土層Qml。

巖性主要為填土、淤泥質(zhì)土、黏性土、粉土及砂土。工程地質(zhì)剖面如圖1所示。

1.2 特殊土

特殊土主要為人工填土和軟土。場(chǎng)地范圍內(nèi)表層普遍分布有人工填土，以雜填土及素填土為主(路面為混凝土或?yàn)r青路面)。雜填土厚度0.6～4.2 m，素填土厚度0.5～4.9 m，變化較大，填筑時(shí)間一般較短，成分復(fù)雜，分布不均勻。填土土質(zhì)不均，易造成不均勻沉降，工程性質(zhì)差，不適宜做天然地基，對(duì)基坑開挖及支護(hù)有較大影響。場(chǎng)地坑塘底部分布有新近沉積層淤泥，根據(jù)勘探揭示厚度0.2～1.8 m，第Ⅰ海相層普遍分布有淤泥質(zhì)土，分布厚度差異大，其中淤泥質(zhì)黏土厚0.9～18.4 m、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土厚0.8～11.8 m。軟土具高含水量(w=31.1%～55.0%)、高靈敏度、高壓縮性、低強(qiáng)度和觸變性及欠固結(jié)等特點(diǎn)，極易發(fā)生蠕動(dòng)和擾動(dòng)，工程性質(zhì)差[5]。

1.3 場(chǎng)地地下水類型及特征

場(chǎng)地淺層地下水為第四系孔隙潛水。賦存于第Ⅱ、第Ⅲ陸相層中的粉土、砂土層中的地下水具微承壓性，為淺層承壓水。第Ⅴ陸相層以下的粉土、砂土層中的地下水與淺層地下水沒有直接聯(lián)系或聯(lián)系很小，為深層承壓水[6]。

上部潛水埋藏較淺，勘察期間地下水埋深1.0～2.5 m，主要賦存于人工填土層、第Ⅰ陸相層粉土與黏土以及第Ⅰ海相層中的粉土、粉砂、黏土與淤泥質(zhì)土層中。

下部微承壓水主要以第Ⅱ陸相層及以下的黏土為相對(duì)隔水頂板，主要賦存于第Ⅱ陸相層、第Ⅲ陸相層及以下的粉土、砂類土中。根據(jù)勘探揭示第一層微承壓水基本與上部潛水連通； 第二層微承壓水，以第Ⅱ海相層黏土及第Ⅳ陸相層粉質(zhì)黏土、黏土為相對(duì)隔水頂板，頂板埋深30.4～35.1 m，微承壓水主要賦存于第Ⅳ陸相層黏質(zhì)粉土、粉砂中，相對(duì)含水層基本呈層狀分布，大部分含水層未揭穿，含水層厚度大于1.8 m。

2 結(jié)構(gòu)形式

U型槽結(jié)構(gòu)橫斷面具有多樣性。邊墻截面形式一般為矩形、階梯形、梯形截面。一般而言，如果矩形截面上下寬度較大，易導(dǎo)致材料浪費(fèi)，故截面形式多用于墻高較低結(jié)構(gòu)[2]； 而階梯形截面寬度變化處易產(chǎn)生應(yīng)力集中的問題。因此，本工程邊墻橫截面采用梯形形式，該橫斷面上窄下寬，能很好地適應(yīng)土壓力和水壓力的應(yīng)力分布。胸坡直立，背坡坡率為1∶0.15，根據(jù)邊墻高度和地下水位的高低，邊墻頂部寬度為0.3 m。底板采用矩形截面，考慮邊界寬度的限制，同時(shí)根據(jù)抗浮計(jì)算確定本工程底板兩端伸出邊墻外側(cè)0.5 m[7]。U型結(jié)構(gòu)采用C50防水鋼筋混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑，箍筋采用HPB300鋼筋，其余鋼筋采用HRB400鋼筋。本工程U型槽結(jié)構(gòu)的橫斷面如圖2所示(L為U型槽凈寬(路面寬度)；L′為底板寬度；H為邊墻高度；h為底板厚度；h′為邊墻頂高程；b為邊墻頂寬；B為邊墻底寬)。

圖2 U型結(jié)構(gòu)橫斷面圖(單位： m)

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 邊墻設(shè)計(jì)計(jì)算

U型槽結(jié)構(gòu)邊墻視作固定在底板的懸臂梁,主要受力包括邊墻自重、墻背土壓力及水壓力、罩棚作用力、結(jié)構(gòu)外地面的車輛及人群荷載等活載。

邊墻自重應(yīng)根據(jù)初步擬定的斷面尺寸和材料容重計(jì)算，同時(shí)應(yīng)考慮梯形邊墻上部三角形土體重力[8]。

墻背土壓力及水壓力，邊墻土壓力和水壓力是進(jìn)行邊墻、底板斷面尺寸設(shè)計(jì)以及驗(yàn)算其穩(wěn)定性和強(qiáng)度的重要依據(jù)。對(duì)于滲透性較強(qiáng)的土，例如砂性土和粉土，一般采用水、土分算。也就是，分別計(jì)算作用在邊墻上的水壓力和土壓力，然后相加； 對(duì)于滲透性較弱的土，如黏土，可以采用水土合算的方法[9]。在實(shí)際工程計(jì)算中，如果嚴(yán)格按照砂性土和黏性土困難較大，本工程統(tǒng)一采用水土分算原則[10]。由于結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土，邊墻和底板視為剛性連接，邊墻不發(fā)生側(cè)向位移、偏轉(zhuǎn)和彎曲變形，作用在其上的土壓力即為靜止土壓力[3]，地下水壓力按靜止水壓力計(jì)算。

地下水位以上及以下邊墻土壓力的計(jì)算式分別為[11]

(1)

(2)

靜止水壓力的計(jì)算式為

(3)

式1—3中：E1為地下水位以上邊墻土壓力；E2為地下水位以下邊墻土壓力；H為邊墻高度,m；H0為地下水位距墻頂距離,m；K0為靜止土壓力系數(shù)；γ′為土的天然重度,kN/m3；γ′為土的浮重度,kN/m3，γ′=γsat-γw，其中，γsat為土的飽和重度，kN/m3，γw為水的重度，kN/m3。

罩棚采用輕鋼結(jié)構(gòu)，柱底采用鉸接柱腳，柱腳底板采用500 mm×500 mm，沿線路方向每6 m設(shè)一個(gè)柱腳。本設(shè)計(jì)荷載僅為鋼罩棚荷載，不包括各種管線及管線需要的支架荷載。每個(gè)柱腳軸力為85 kN，每個(gè)柱腳水平剪力為22 kN。

結(jié)構(gòu)外地面的車輛及人群荷載等活載，采用等效均布荷載代替，并將其換算成等效土壓力。

邊墻最大設(shè)計(jì)高度為8.5 m，根據(jù)承載能力極限狀態(tài)法，按正截面受彎構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)力及截面配筋計(jì)算[12]，荷載分項(xiàng)系數(shù)采用1.65。邊墻配筋形式見圖3(邊墻主筋N1-2、分布筋N3-1、負(fù)筋N3-2為HRB400鋼筋，箍筋N2-2為HPB300鋼筋)。

圖3 鋼筋布置斷面圖

3.2 底板設(shè)計(jì)計(jì)算

U型槽結(jié)構(gòu)底板視作支撐于地基上的地基梁。主要受力包括底板自重、地基反力、地下水浮力、板上荷載(車輛荷載、軌道荷載、道床荷載等)、邊墻對(duì)底板作用力。其中，邊墻對(duì)底板壓力為邊墻結(jié)構(gòu)自重，固端彎矩由水壓力和土壓力在邊墻底部產(chǎn)生，是作為集中彎矩施加在底板與邊墻連接處[13]。

沿線路縱向取1 m寬底板作為計(jì)算單元，按照彈性地基梁理論計(jì)算底板內(nèi)力彎矩、剪力、軸力及撓度等[11]，取其最大值按極限狀態(tài)法進(jìn)行截面配筋計(jì)算，并且底板地基應(yīng)力應(yīng)小于容許承載力。以墻高8.5 m為例，表1給出了最大和最小擾度、剪力、彎矩值及所在位置和對(duì)應(yīng)工況。

表1 所有工況計(jì)算結(jié)果

表2及圖4給出了計(jì)算所得彎矩最大時(shí)的工況地基梁所承受的荷載及其分布情況。地基梁剛度為1.41×107kN/m2，地基的基床系數(shù)取2.0×104kN/m3。

表2 地基梁梁段所承受的集中荷載及均布荷載

圖4地基梁梁段所受集中荷載及均布荷載

Fig.4Concentratedloadanduniformloadoffoundationbeam

最大彎矩時(shí)的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 最大彎矩內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

底板配筋形式見圖3，底板下部主筋N1-1、上部主筋N1-3、分布筋N3-1為HRB400鋼筋，箍筋N2-1為HPB300鋼筋。

4 裂縫寬度及抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算

4.1 裂縫寬度驗(yàn)算

由于長(zhǎng)期的荷載作用致使混凝土收縮，導(dǎo)致裂縫寬度逐漸增大； 受拉區(qū)混凝土應(yīng)力松弛及滑移徐變影響，裂縫間受拉鋼筋的平均應(yīng)變將不斷增大，從而使裂縫寬度不斷增大。根據(jù)本工程環(huán)境類別，確定鋼筋混凝土構(gòu)件的裂縫控制要求計(jì)算限值不大于0.2 mm，經(jīng)計(jì)算均滿足要求。

最大裂縫寬度計(jì)算公式[12]為

(4)

式中：αcr為構(gòu)件受力特征系數(shù)，本工程中邊墻及底板按受彎構(gòu)件計(jì)算取1.9；Ψ為裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)；σs為按荷載準(zhǔn)永久組合計(jì)算的鋼筋混凝土構(gòu)件縱向受拉普通鋼筋應(yīng)力；Es為鋼筋的彈性模量；cs為最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)底邊的距離，mm；ρte為按有效受拉混凝土截面面積計(jì)算的縱向受拉鋼筋配筋率；deq為受拉區(qū)縱向鋼筋的等效直徑，mm。

4.2 抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算

場(chǎng)地地下水水位較高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮抗浮穩(wěn)定性問題，按最不利情況進(jìn)行抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算[14]。根據(jù)本場(chǎng)地地下潛水水位、天津地區(qū)經(jīng)驗(yàn)及工程性質(zhì)，抗浮設(shè)計(jì)水位可按大沽高程2.50 m考慮。在進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，各荷載分項(xiàng)系數(shù)均取1.0。在不考慮側(cè)壁摩阻力時(shí)，其抗浮安全系數(shù)不得小于1.05； 當(dāng)計(jì)及側(cè)壁摩阻力時(shí)，其抗浮安全系數(shù)不得小于1.10～1.15。

抗浮穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式[9]為

Kw=γ∑Gk/KNw,f,

(5)

式中：Kw為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)；Gk為U型結(jié)構(gòu)和附屬設(shè)施自重及壓重之和；Nw，f為地下水壓對(duì)U型結(jié)構(gòu)的浮力；γ為荷載分項(xiàng)系數(shù)，取1.0；K為浮力折減系數(shù)，取1.05。

經(jīng)驗(yàn)算，不同墻高段抗浮穩(wěn)定系數(shù)均大于1.05，滿足設(shè)計(jì)要求，故無需采用增加壓重和設(shè)置抗拔樁(錨)等措施[15]。

5 基坑圍護(hù)及地下水控制

由于場(chǎng)地地下水位較高，在水平、垂直水平方向具有明顯差異，U型結(jié)構(gòu)埋深較大，明挖基坑工程開挖過程中在水壓力作用下易產(chǎn)生潛蝕、突水及管涌現(xiàn)象，設(shè)計(jì)時(shí)必須采取支護(hù)及止水、降水措施。

5.1 基坑圍護(hù)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用C30鋼筋混凝土鉆孔樁?；娱_挖可能造成坑底土體回彈隆起，會(huì)導(dǎo)致土體的強(qiáng)度降低，嚴(yán)重時(shí)造成周圍土體的流失，危及基坑及附近構(gòu)筑物的安全，導(dǎo)致基坑失穩(wěn)等工程事故。故在冠梁處設(shè)置帶活絡(luò)接頭的圓鋼管支撐。

5.2 地下水控制

場(chǎng)地基坑開挖深度及影響范圍內(nèi)分布有粉土、粉砂，基坑開挖時(shí)，若不采取降水措施，土在水頭差的作用下，易產(chǎn)生流砂或涌泥現(xiàn)象，且鄰近有溝渠和道路，故采用基坑內(nèi)管井降水結(jié)合截水措施，管井設(shè)置為沿線路按每10～20 m一個(gè)，位于結(jié)構(gòu)中心位置。場(chǎng)地基坑開挖范圍內(nèi)有厚層潛水含水層的粉土和粉砂層，含水量大，故在基坑開挖前，預(yù)先沿基坑埋設(shè)濾水井，抽水使地下水降至坑底下一定深度，同時(shí)在基坑開挖和地下主體結(jié)構(gòu)施工過程中仍不斷抽水。該降水方法排水量大、效果好且所用的設(shè)備簡(jiǎn)單[16]。

線路沿線兩側(cè)分布的河流和大型魚塘，對(duì)基坑的開挖和支護(hù)有很大影響，因此設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)考慮其對(duì)地鐵基坑開挖及支護(hù)的影響，應(yīng)做好截水措施，防止魚塘及河流水對(duì)基坑降水的補(bǔ)給而導(dǎo)致地表變形破壞。采用的截水方案是在圍護(hù)樁外側(cè)設(shè)雙排水泥土攪拌樁(樁長(zhǎng)6～16 m，樁徑均為0.6 m)作為止水帷幕。當(dāng)需要嚴(yán)格控制鄰近道路或建筑物的附加沉降時(shí)，必須加強(qiáng)地下水控制方案，可采用水帷幕+攪拌樁封底措施，這樣在基坑內(nèi)降水的同時(shí)，可保證基坑外的地下水位不變。

6 結(jié)論

(1)U型結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，計(jì)算中的重點(diǎn)和難點(diǎn)是計(jì)算模型的選取，目前邊墻按懸臂梁，底板按彈性地基梁理論對(duì)U型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析是較為普遍且可行的做法。

(2)對(duì)U型結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)自重、邊墻土壓力、地下水壓力及列車活載等荷載。其中邊墻土壓力和水壓力采用水土分算原則，土壓力按靜止土壓力考慮。在求解結(jié)構(gòu)內(nèi)力時(shí)，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的特性，考慮多種荷載同時(shí)作用的組合情況，按最不利荷載組合進(jìn)行配筋計(jì)算。

(3)U型結(jié)構(gòu)宜按單筋矩形截面受彎構(gòu)件正截面受彎承載力進(jìn)行設(shè)計(jì)，除按計(jì)算結(jié)果配置受力鋼筋外，還應(yīng)合理地配置箍筋和分布鋼筋，對(duì)容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的控制截面還需布置必要的加強(qiáng)鋼筋。其控制截面為邊墻底部截面、底板固結(jié)段根部截面及跨中截面。

(4)U型結(jié)構(gòu)的抗浮設(shè)計(jì)決定著U型結(jié)構(gòu)的尺寸，在抗浮設(shè)計(jì)中應(yīng)合理考慮各種荷載的綜合作用。此外，在計(jì)算浮力時(shí)，抗浮設(shè)計(jì)水位的確定尤為重要，應(yīng)該根據(jù)地質(zhì)勘察資料確定。

(5)防止地下水滲入引起邊坡塌方、承載力下降等問題，同時(shí)減少降水對(duì)周圍環(huán)境與建筑物的影響，為有效地控制基坑地下水位，應(yīng)同時(shí)采用管井降水和止水帷幕措施。

[1] 丁兆鋒,吳沛沛.U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2009,26(4):13-16.

[2] 孟美麗,高海彬.封閉式路塹U形槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算[J].鐵道建筑,2011(8):81-83.

[3] 崔俊杰,宋緒國(guó).封閉式路塹設(shè)計(jì)及有關(guān)問題的探討[J].鐵道建筑技術(shù),2001(6):20-23.

[4] 吳劍鋒,李季宏.U型結(jié)構(gòu)在鐵路路堤地段的應(yīng)用研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2013(9):44-46.

[5] 毛曉長(zhǎng),吳中海,李貴書,等.泛亞鐵路大理至瑞麗沿線地質(zhì)構(gòu)造綜合研究主要進(jìn)展和成果[J].中國(guó)地質(zhì)調(diào)查,2015,2(4):13-23.

[6] 關(guān)鳳琚.天津地鐵某地下站深基坑巖土工程勘察分析及評(píng)價(jià)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2008(5):97-100.

[7] 譚紅.龍廈線封閉式路塹U型槽設(shè)計(jì)研究[J].鐵道建筑技術(shù),2010(4):19-22.

[8] 孫愛斌,吳連海.天津某封閉式路塹U型槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2006,23(7):49-53.

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

[10] 馬濤,鄧帥.封閉式路塹U形槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[J].鐵道勘察,2013,39(1):36-38.

[11] 劉松玉.土力學(xué)[M].4版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2016.

[12] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院.GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011.

[13] 費(fèi)文燕.下穿立交引道中U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].路基工程,2015(5):149-152.

[14] 王金艷.北京軌道交通大興線U形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2011(11):34-39.

[15] 有令超,孫愛斌.阜陽某U形槽結(jié)構(gòu)的受力計(jì)算與抗浮設(shè)計(jì)[J].中外公路,2013,33(6):185-188.

[16] 喬玉榮.某U形槽基坑工程地下水控制措施研究[J].鐵道勘察,2015,41(1):71-72,80.