高 松

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和城市的發(fā)展，交通需求的急劇增長(zhǎng)使得越來越多的城市通過修建地下道路來緩解交通壓力。城市地面土地資源的緊缺促進(jìn)了城市空間向地下發(fā)展，地下交通系統(tǒng)是城市地下空間利用的重要組成[1-2]。

城市地下道路作為城市道路的主要組成形式，對(duì)解決交通擁堵、土地集約化和美化城市環(huán)境等方面都起著極其重要的作用。

本文以某環(huán)路工程地下通道設(shè)計(jì)案例為例，對(duì)其進(jìn)行受力特性分析，結(jié)合有限元軟件對(duì)地道標(biāo)準(zhǔn)段展開總體結(jié)構(gòu)計(jì)算、抗浮等研究，提出相關(guān)設(shè)計(jì)方案及注意事項(xiàng)；在局部大垮節(jié)點(diǎn)處比選研究了兩種梁截面形式的受力性能，為同類地下環(huán)路工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況

某車站廣場(chǎng)及配套路網(wǎng)工程位于某大街東段現(xiàn)狀某火車站東側(cè)（見圖1）。工程的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：

（1）配套路網(wǎng)及送客平臺(tái)。環(huán)線道路、高架送客平臺(tái)、接送客上下匝道、廣場(chǎng)相接道路及地道等，環(huán)線道路起終點(diǎn)均位于下穿鐵路通道，道路及橋梁總長(zhǎng)2.512 km。

（2）地下車庫(kù)。占地面積約305 100m2，地下一層為停車場(chǎng)及疏散大廳。

圖1 某車站廣場(chǎng)及配套路網(wǎng)區(qū)位圖

（3）地鐵預(yù)留工程。地鐵預(yù)留車站位于地下車庫(kù)中央，為地下二、三、四層空間。

該項(xiàng)目是一項(xiàng)意義重大的綜合性市政工程，對(duì)于完善火車站交通疏解、辟通迎澤大街東延、實(shí)現(xiàn)鐵路東西兩側(cè)區(qū)域連通、促進(jìn)區(qū)域整體聯(lián)動(dòng)發(fā)展具有重要作用。

配套路網(wǎng)及送客平臺(tái)工程包括環(huán)線道路、高架送客平臺(tái)、接送客上下匝道、廣場(chǎng)相接道路及地道等，下穿鐵路通道。

其中，結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)范圍包括西地道，雙向六車道，標(biāo)準(zhǔn)段單向凈寬14.35 m，設(shè)計(jì)速度40 km/h；RK匝道，單向雙車道，標(biāo)準(zhǔn)寬度8m，設(shè)計(jì)速度20km/h；東地道，雙向六車道，標(biāo)準(zhǔn)段單向凈寬14.35 m，設(shè)計(jì)速度40 km/h；WD匝道，單向雙車道，標(biāo)準(zhǔn)寬度8.2 m，設(shè)計(jì)速度20 km/h；WS匝道，單向單車道，標(biāo)準(zhǔn)寬度7.5 m，設(shè)計(jì)速度20 km/h。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 建筑界限

地道主線標(biāo)準(zhǔn)段為雙向六車道城市次干路，設(shè)計(jì)速度40 km/h。地道內(nèi)單向設(shè)3.75 m車道兩根，3.5 m車道一根，兩側(cè)路緣帶寬0.5 m，安全帶寬0.25 m，檢修道寬0.75 m，合計(jì)橫向凈寬13 m。根據(jù)地道通行車輛，限界高度為4.5 m。由此機(jī)動(dòng)車道單孔建筑限界為13 m×4.5 m（寬×高）（見圖2）。

圖2 主線標(biāo)準(zhǔn)段建筑界限圖（單位：mm）

2.2 結(jié)構(gòu)形式

地道結(jié)構(gòu)均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共分三種截面形式：U槽段；暗埋段；暗埋工字梁段。

2.2.1 U槽段

標(biāo)準(zhǔn)U槽段采用U形槽結(jié)構(gòu)段，地道單孔凈寬13.5 m，側(cè)墻厚1.1 m，底板厚1.2 m，設(shè)置2%橫坡。橫斷面布置為1.1 m（側(cè)墻）+0.25 m（裝飾層）+0.75 m（檢修道）+12.5 m（機(jī)動(dòng)車道）+2.5 m（中央分隔帶）+12.5 m（機(jī)動(dòng)車道）+0.25 m（裝飾層）+0.75 m（檢修道）+1.1m（側(cè)墻）=31.7 m（見圖 3）。

圖3 U槽標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面圖（單位：mm）

2.2.2 暗埋段

標(biāo)準(zhǔn)暗埋段采用單箱雙室斷面，底板及頂板厚1.1 m，側(cè)墻厚1.0 m，隔墻厚1.0 m，結(jié)構(gòu)外部尺寸為31.5 m×7.7 m，設(shè)置2%橫坡。橫斷面布置為1 m（側(cè)墻）+0.25 m（裝飾層）+0.75 m（檢修道）+12.5 m（機(jī)動(dòng)車道）+0.6 m（裝飾層）+0.8 m（隔墻）+0.6 m（裝飾層）+12.5 m（機(jī)動(dòng)車道）+0.75 m（檢修道）+0.25 m（裝飾層）+1.2 m（側(cè)墻）=31.9 m（見圖 4）。

2.2.3 暗埋工字梁段

圖4 暗埋標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面圖（單位：mm）

地道結(jié)構(gòu)單孔凈寬大于18 m時(shí)，地道暗埋段采用工字形頂板結(jié)構(gòu)，即將頂板分為上下兩層，中部架空設(shè)置橫向隔板，在減輕結(jié)構(gòu)自重的同時(shí)保證頂板的抗彎剛度。上層頂板厚度為0.5 m，下層頂板厚度為0.4 m，中部架空層高度為1.5 m，頂板沿縱向每3 m設(shè)置一道0.8 m厚的橫隔板（見圖5）。

圖5 暗埋工字梁段橫斷面圖（單位：mm）

3 標(biāo)準(zhǔn)段總體計(jì)算

3.1 計(jì)算內(nèi)容

（1）強(qiáng)度驗(yàn)算。不考慮軸力影響，按純彎構(gòu)件進(jìn)行配筋和強(qiáng)度驗(yàn)算，大跨度構(gòu)件考慮豎向地震作用。

（2）裂縫驗(yàn)算。按0.2 mm最大裂縫寬度的控制要求進(jìn)行驗(yàn)算。

（3）抗剪驗(yàn)算。驗(yàn)算抗剪最小截面及抗剪強(qiáng)度，按計(jì)算結(jié)果設(shè)置抗剪箍筋。

（4）抗浮計(jì)算。按最不利狀態(tài)計(jì)算結(jié)構(gòu)抗浮，抗浮力穩(wěn)定系數(shù)取1.05（不考慮摩擦力）。

（5）基底承載力驗(yàn)算。不計(jì)浮力，計(jì)算全部恒、活載在基底產(chǎn)生的應(yīng)力，與地基容許承載力進(jìn)行比較，如不滿足，則需采取地基加固措施或提高地基承載力。

3.2 計(jì)算荷載

（1）暗埋段頂板覆土荷載按地面輔道設(shè)計(jì)標(biāo)高計(jì)算。

（2）汽車荷載（含沖擊）和地面超載統(tǒng)一按20 kN/m2考慮；道路綠化荷載按5.0 kN/m2。

（3）箱內(nèi)外溫度梯度按±5℃考慮。

（4）考慮頂（底）板最后澆筑時(shí)，頂（底）板的混凝土收縮按降溫10℃考慮。

（5）抗震基本設(shè)防烈度為7度，0.10g，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，地震分組為第二組，特征周期為0.55 s。

（6）抗浮安全系數(shù)為1.05。

（7）地基承載力安全系數(shù)為1.1。（8）荷載計(jì)算一般公式如下：

就生產(chǎn)過程而言，上海新星陸續(xù)投資了1000多萬元進(jìn)行設(shè)備改造，包括對(duì)于甲苯回收裝置的革新，將以燒煤提供能源的方式全部改為燒天然氣，以及對(duì)于污水排放的把關(guān)，等等。而去年年底，公司以壓延工藝代替涂布工藝，使橡皮布的生產(chǎn)過程中甲苯零排放，最終生產(chǎn)的橡皮布甲苯零含量。可以說，壓延技術(shù)的推出是橡皮布生產(chǎn)領(lǐng)域的一次新的革命。中國(guó)科技院對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)的評(píng)價(jià)是“國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，國(guó)際先進(jìn)”，此外，公司在江蘇泰州設(shè)立新廠區(qū)也不啻為一種手段，新廠區(qū)的安全、環(huán)保性能完全按照國(guó)家規(guī)定進(jìn)行建設(shè)和驗(yàn)收，且生產(chǎn)的產(chǎn)品以環(huán)保的壓延技術(shù)為主。

頂板水土壓力 =γwh+γ0h

底板水壓力=γwh

水土側(cè)壓力 =γwh+k0γ0h

汽車土側(cè)壓力=20k0

3.3 模型計(jì)算

采用midas Civil軟件，建立標(biāo)準(zhǔn)暗埋段、敞開段的分析模型。模型板件尺寸、厚度等參數(shù)均嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖模擬。計(jì)算示意簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 計(jì)算示意簡(jiǎn)圖

主線六車道等寬暗埋段單孔凈距為14.35 m，覆土最大深度為2.2 m，該斷面頂板厚1.1 m，底板厚1.2 m，側(cè)墻厚1.2 m，中墻厚0.8 m。按頂板恒載44 kN/m2、活載 20 kN/m2、覆土 2.2 m 計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 彎矩包絡(luò)圖

圖8 剪力包絡(luò)圖

對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算分析，給出內(nèi)力較大的單元（見表1）。

表1 截面強(qiáng)度驗(yàn)算表

表2 截面裂縫驗(yàn)算表

由表1、表2可知承載力及裂縫滿足設(shè)計(jì)要求。

抗浮驗(yàn)算：基底恒載反力/水浮力=3 805/2 907=1.30，滿足規(guī)范要求，可以不設(shè)置上拔樁。

基底承載力驗(yàn)算如圖9所示。經(jīng)修正后，地基承載力容許值[fa] =360 kPa＞133 kPa,原始地基承載力能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 基礎(chǔ)反力包絡(luò)圖（單位：kN）

4 大垮節(jié)點(diǎn)方案比選

地道主線標(biāo)在覆土及跨度較大處一般采用加中隔板或工字隔板的空腔結(jié)構(gòu)形式，有效減少了覆土荷載和提高了頂板的剛度，使箱涵結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟(jì)、合理[3-4]。

在此項(xiàng)目中，某大垮變寬暗埋段斷面凈跨極大，為27.3 m，平面布置如圖10所示。覆土最大深度為1.6 m，荷載按頂板恒載32 N/m2、活載20 kN/m2考慮?，F(xiàn)按工字形截面和T形截面兩種方案進(jìn)行比較，確定優(yōu)選方案。

圖10 大垮變寬暗埋段平面示意圖（單位：m）

采用工字梁形式，工字梁高度為2.2 m，上翼緣板厚度為0.5 m，下翼緣板厚度為0.2 m，中間每隔3 m設(shè)置一道0.8 m厚的腹板，底板厚1.5 m，側(cè)墻厚1.4 m，中墻厚0.8 m；采用T形梁時(shí)，梁上翼緣板厚度為0.5 m，梁間距為3 m，梁高2.5 m，底板厚1.5 m，側(cè)墻厚1.4 m，中墻厚0.8 m。比較結(jié)果見表3、表 4。

表3 工字形頂板截面強(qiáng)度驗(yàn)算表

表4 T形頂板截面裂縫驗(yàn)算表

工字梁計(jì)算內(nèi)力圖如圖11、圖12所示。

圖11 大垮變寬段工字梁彎矩示意圖

圖12 大垮變寬段工字梁剪力示意圖

通過表5的計(jì)算結(jié)果可知：T形截面在梁高加高到2.5 m時(shí)，跨中底板配筋還需要34根?32鋼筋，鋼筋需要至少4排；2.2 m高的工字形截面經(jīng)過底板厚度減少到200 mm優(yōu)化后，跨中底板配筋只需41根?32鋼筋，底板只需配置2排即可。另外，該處頂板高度受道路設(shè)計(jì)限制，梁高2.5 m已是極限，根據(jù)工程實(shí)際情況考慮，該節(jié)點(diǎn)采用工字形梁截面。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以某地下環(huán)路箱涵結(jié)構(gòu)為背景，通過內(nèi)力計(jì)算及分析，比選后得出以下結(jié)論：

（1）地下結(jié)構(gòu)抗浮需要考慮整體和局部抗浮，跨度較大時(shí)設(shè)置抗拔樁能有效減少跨中彎矩，減少截面配筋。

（2）標(biāo)準(zhǔn)暗埋段在覆土及跨度較大處采用加中隔板或工字隔板的形式使結(jié)構(gòu)做成空腔能有效減少覆土荷載和提高頂板剛度，使箱涵結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟(jì)、合理。

表5 工字形頂板截面強(qiáng)度驗(yàn)算表