張明，王國保

（1．南京市市政設(shè)計研究院有限責(zé)任公司合肥分公司，安徽 合肥 230601；2．安徽四建市政設(shè)計有限公司，安徽 合肥 230088）

1 引言

地下通道作為埋置于地面以下的結(jié)構(gòu)物，不僅受到通道頂板以上覆土重力、側(cè)墻外土側(cè)壓力和水側(cè)壓力、底板下水浮力等永久作用，還受到人行荷載、汽車荷載及其引起的沖擊力側(cè)壓力和溫度變化等可變作用。

地下通道結(jié)構(gòu)受力極其復(fù)雜，尤其是位于透水性巖土地層且地下水豐富的地段，地下水對通道的水側(cè)壓力、水浮力作用明顯，需準(zhǔn)確計算、分析，確保結(jié)構(gòu)安全、可靠，從而達(dá)到防滲目標(biāo)。

2 地道滲水定性分析

2.1 施工原因

2．1．1 混凝土澆筑欠密實(shí)

滲水以局部點(diǎn)的形式出現(xiàn)，伴隨混凝土表面密集不規(guī)則裂紋或蜂窩、麻面。

施工時，混凝土澆筑振搗欠密實(shí)，內(nèi)部存在連通孔隙，形成滲水通道，在外部較高的承壓地下水作用下，出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。

2．1．2 施工縫處理不當(dāng)

施工中斷時間超過混凝土初凝時間，繼續(xù)澆筑混凝土?xí)r，施工縫銜接面混凝土未鑿毛處理或鑿毛后未用水沖洗干凈，并且未鋪水泥砂漿墊層，直接澆筑混凝土，導(dǎo)致新、舊混凝土施工縫開裂，在外部承壓地下水作用下，出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。

2．1．3 混凝土干縮、溫縮

混凝土的膠凝材料水泥在水化過程中產(chǎn)生大量的熱量，在混凝土構(gòu)件內(nèi)部與表面因散熱不均（同時，由于施工階段約束控制不當(dāng)，構(gòu)件自由變形受到限值）而產(chǎn)生溫度梯度應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時，構(gòu)件會開裂、滲水。

大體積混凝土澆筑時，由于養(yǎng)護(hù)不到位，導(dǎo)致混凝土干縮，造成構(gòu)件出現(xiàn)密集、網(wǎng)狀裂縫問題，在承壓地下水作用下，出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。

2.2 設(shè)計原因

地道滲水的設(shè)計原因主要有結(jié)構(gòu)型式設(shè)置不合理，地下水作用考慮不充分導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、安全度不足以及構(gòu)造措施設(shè)計不當(dāng)?shù)取?/p>

3 地道滲水定量分析

筆者從事地下通道設(shè)計工作，通過工程實(shí)例，從分析地下水作用在結(jié)構(gòu)效應(yīng)組合中的占比、影響程度，在結(jié)構(gòu)理論受力計算基礎(chǔ)上剖析通道開裂、滲水的成因，指導(dǎo)設(shè)計，從而規(guī)避因工程設(shè)計產(chǎn)生的病害影響。

工程為江南某城市地下通道，采用普通鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高、整體性好，適應(yīng)于軟土地基。根據(jù)通行需要，箱體尺寸采用凈跨、凈高為2 孔5．0 m×3．5 m 的形式，箱體頂、底板厚度40 cm，立墻厚度采用40 cm（見圖1）。

圖1 地道斷面

箱體采用C40 混凝土，鋼筋采用HRB400 級鋼筋，直徑25、22、16、12。支架現(xiàn)澆施工，明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)。

3.1 結(jié)構(gòu)作用組合效應(yīng)、地下水作用的占比

3．1．1 設(shè)計依據(jù)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》（CJJ 11-2011）（2019 版）、《公路涵洞設(shè)計規(guī)范》（JTG/T 3365-02-2020）、《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）和《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362-2018）。

結(jié)構(gòu)型式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計時速為40 km/h，設(shè)計荷載為城—A級、公路—I級復(fù)核。

3．1．2 計算作用

3．1．2 ．1 永久作用（1．0 m 寬框架箱體單元）

結(jié)構(gòu)自重、混凝土收縮、徐變由計算程序自動按規(guī)范計算。頂板以上填土自重（二恒）按最大填土h=1．8m 計算，其均布荷載按照40 kN/m計算。

①地下水壓力

框架通道采用明挖法施工，側(cè)墻背及基底均采用透水性良好的片碎石或砂礫石回填，空隙中存在自由的重力水，故采用水土分算原則分別計算土壓力和水壓力（偏安全考慮）。

其中，地下水壓力按靜水壓力計算，q水=10h水（依據(jù)地勘報告，地下水位距原地面以下0．5～1．0m，h水取地下水位至墻背各計算點(diǎn)、底板底緣計算點(diǎn)的高差），方向垂直作用于墻體。

②墻背土壓力

墻背土壓力按靜止土壓力計算，q土=（1-sinφ）γh，箱體墻背回填土采用碎石（或砂礫石），內(nèi)摩擦角φ=35o，重度γ=20kN/m3（地下水位以下采用浮重度10 kN/m3），h 為路面至墻背任一計算點(diǎn)的高差，方向垂直作用于墻體。其中，車輛荷載引起墻背附加土壓力按等代均布土層厚度h0=q/γ=16/20=0．8m 計 算。最終墻背土壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值qH=0．43γ（0．8+h）。

3．1．2 ．2可變作用

汽車荷載：城—A 級（公路-I 級復(fù)核），選取1 m 長度的框架箱體單元計算，承受一個車輛荷載共計550 kN 的系列軸載作用，可變荷載作用分項系數(shù)1．8，橫向分布系數(shù)1．0（偏安全）。通道填土厚度大于0．5 m，不考慮汽車沖擊力。

鑒于框架箱體頂板以上填土高度1．8 m，故不考慮非線性溫度梯度效應(yīng)，只考慮整體升溫、降溫10 ℃效應(yīng)（地下常年恒溫、溫差?。?/p>

3．1．3 作用組合

標(biāo)準(zhǔn)值組合。進(jìn)行構(gòu)件的持久狀況應(yīng)力計算時，作用（或荷載）取其標(biāo)準(zhǔn)值，汽車荷載應(yīng)考慮沖擊系數(shù)；進(jìn)行短暫狀況應(yīng)力計算時，施工荷載除有特別規(guī)定之外均采用標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮組合系數(shù)。

頻遇組合。永久作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)與可變作用頻遇值效應(yīng)相組合，見《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）中的公式4．1．6-1。

基本組合。永久作用的設(shè)計值效應(yīng)與可變作用設(shè)計值效應(yīng)相組合，考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)及各作用效應(yīng)的分項系數(shù)，見《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）中的公式4．1．5-1。

3．1．4 施工工況模擬

主體箱式框架結(jié)構(gòu)采用明挖基坑、支架現(xiàn)場澆筑施工，底板、立墻、頂板分次澆筑而成?？紤]分段澆筑工況，底板、側(cè)墻及頂板分期澆筑，間隔15～30 天考慮混凝土收縮的影響。

3．1．5 計算模型

截取1．0 m 寬的單元箱體建立模型，結(jié)構(gòu)計算采用橋梁博士V4．3 程序軟件。參考設(shè)計提供的施工工況，結(jié)構(gòu)計算模型如圖2所示。

圖2 地道結(jié)構(gòu)計算模型

3．1．5 ．1結(jié)構(gòu)離散圖

框架箱體底板位于地基土持力層，故箱體結(jié)構(gòu)邊界約束模擬成地基土彈性支撐，在填土壓力、地下水側(cè)壓力、浮力和土側(cè)壓力作用下計算模型離散圖，如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)離散圖

3．1．5 ．2計算工況

框架箱體結(jié)構(gòu)的最不利承載工況為箱體內(nèi)無通行荷載，箱體外四周承受土、水壓力及其它恒、活載。

地基持力層最不利受力工況為箱體內(nèi)滿布行人、頂板滿布行人或車輛荷載，驗(yàn)算地基承載力。

3．1．6 結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)

根據(jù)《公路涵洞設(shè)計規(guī)范》（JTG/T 3365-02-2020）第9．3．4 條規(guī)定，“框架箱型結(jié)構(gòu)物頂、底板按鋼筋混凝土受彎構(gòu)件受力模式計算”，永久、可變等各項作用標(biāo)準(zhǔn)組合下箱體四壁各點(diǎn)截面計算效應(yīng)如圖4、圖5所示。

圖4 彎矩包絡(luò)圖（組合作用，單位：kN·m）

圖5 剪力包絡(luò)圖（組合作用，單位：kN）

地下水作用引起的效應(yīng)如圖6、圖7所示。

圖6 彎矩內(nèi)力圖（地下水作用，單位：kN·m）

圖7 剪力內(nèi)力圖（地下水作用，單位：kN）

3．1．7 地下水作用的占比及影響

通過數(shù)值計算、分析，地下水壓力引起作用效應(yīng)因不同內(nèi)力、不同部位，對應(yīng)的占比也各不相同。其中，頂板彎矩效應(yīng)占比很小，可忽略不計；底板拐角區(qū)彎矩效應(yīng)占比56．1/161=34．8%，超過1/3；外墻腳區(qū)的彎矩占比36．6/111=33．0%，約占1/3。底板拐角區(qū)剪力效應(yīng)占比47．4/288=16．5%；外墻腳區(qū)的剪力占比80．1/132=60．6%，約占3/5。

地道覆土厚度1．8 m、埋置深度6．1 m，屬于淺埋地道，但因地下水豐富、水位處于較高地段、其對結(jié)構(gòu)物某些部位的作用效應(yīng)占比1/3 及以上，成為主要作用。

隨著埋深的增加，地下水作用效應(yīng)占比進(jìn)一步增大，成為地道結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制作用，大于重力恒載、汽車活載等作用。

故查明地下水分布、水位高度、巖土層透水性等情況，準(zhǔn)確計算地下水作用，才能提高結(jié)構(gòu)物設(shè)計的安全性、可靠性。

3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、裂縫寬度及限值

3．2．1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362-2018）第5．1．2條的規(guī)定，橋梁構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)計算應(yīng)滿足要求。

同時，結(jié)合《公路涵洞設(shè)計規(guī)范》(JTG/T 3365-02—2020)要求，框架涵箱體頂、底板按鋼筋混凝土受彎構(gòu)件受力，其作用效應(yīng)（內(nèi)力）不大于正截面抗彎承載力（抗力），即γ0S ≤R，滿足規(guī)范要求。詳見圖8、圖9（藍(lán)色線為彎矩內(nèi)力圖，灰色線為抗力圖）。

圖8 截面最大彎矩、抗力圖

圖9 截面最小彎矩、抗力圖

3．2．2 結(jié)構(gòu)抗裂驗(yàn)算

按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362-2018）第6．4．1 條規(guī)定，“鋼筋混凝土構(gòu)件和B類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，在正常使用極限狀態(tài)下的裂縫寬度應(yīng)按作用頻遇組合并考慮長期效應(yīng)影響進(jìn)行計算，并且鋼筋混凝土構(gòu)件的裂縫寬度在I、II 類環(huán)境不大于0．2 mm?！?/p>

圖10 為作用效應(yīng)組合下地道箱體四壁混凝土截面內(nèi)、外側(cè)裂縫寬度圖，從圖中可見，頂板上緣（外側(cè)）最大裂縫寬度0．17 mm，下緣（內(nèi)側(cè)）跨中處最大縫寬0．12 mm；墻壁外側(cè)最大縫寬0．10 mm；底板下緣（外側(cè)）最大縫寬0．12 mm，上緣（內(nèi)側(cè)）最大縫寬0．07 mm，均滿足裂縫寬度限值0．20 mm要求。

圖10 箱體四壁內(nèi)、外側(cè)裂縫寬度圖（單位：mm）

3．2．3 結(jié)構(gòu)裂縫寬度的限值

由于混凝土抗拉強(qiáng)度低，規(guī)范規(guī)定普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在荷載作用下允許開裂，小于裂縫限值即可。

按照常規(guī)設(shè)計，上述地道強(qiáng)度、裂縫寬度指標(biāo)滿足結(jié)構(gòu)安全、耐久設(shè)計原則。2 孔5．0 m×3．5 m 凈空設(shè)置滿足適用原則；截面尺寸選擇、鋼筋配置等滿足規(guī)范構(gòu)造要求，且指標(biāo)經(jīng)濟(jì)、合理。

綜上所述，設(shè)計滿足要求，可以交付實(shí)施。

但通過對大量既有地道調(diào)查，尤其是埋置深、地下水豐富的地道，因高承壓地下水作用效應(yīng)明顯，筆者發(fā)現(xiàn)相當(dāng)一部分地道頂板和墻壁內(nèi)側(cè)開裂、滲水明顯，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)耐久性。

地下通道為永久結(jié)構(gòu)，設(shè)計使用年限較長，一般為50～100 年，故筆者建議將特定環(huán)境（埋置深、地下水豐富的I 和II 內(nèi)環(huán)境）的地下結(jié)構(gòu)物裂縫寬度限值提高一個等級，即0．10～0．15mm，杜絕因設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低、裂縫寬度大而滲水。

4 地道防滲水措施

4.1 施工措施

混凝土澆筑欠密實(shí)、施工縫處理不當(dāng)、混凝土干縮、溫縮等施工原因造成地道開裂、滲水，可通過完善施工組織、加強(qiáng)施工工藝避免。

4.2 設(shè)計措施

4．2．1 提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

通過對地道框架箱型結(jié)構(gòu)的定量數(shù)值計算分析發(fā)現(xiàn)，精準(zhǔn)化地質(zhì)勘察，查明地下水分布、水位高度、巖土層透水性等情況，準(zhǔn)確計算地下水作用效應(yīng)，控制其產(chǎn)生的不利影響。同時，提高普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物裂縫限值要求，提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，減小滲水概率，增加其安全性、耐久性。

4．2．2 改進(jìn)結(jié)構(gòu)型式

市政常規(guī)地道結(jié)構(gòu)型式一般采用箱型框架結(jié)構(gòu)，造型簡明、施工簡單、開挖量小。框架結(jié)構(gòu)是由水平向板梁、豎向立柱固結(jié)而成，屬超靜定結(jié)構(gòu)。頂、底板為受彎構(gòu)件，因跨度小，一般采用普通鋼筋混凝土材料，按結(jié)構(gòu)受力原理，不可避免會產(chǎn)生裂紋，存在滲水隱患。

公路隧道內(nèi)輪廓采用三心圓結(jié)構(gòu)，即拱部、邊墻和仰拱均采用圓曲線形，相互順接圍合而成地下空間（圖11）。

圖11 三心圓斷面型式

與上述工程實(shí)例箱型框架結(jié)構(gòu)地道相同的埋置深度、凈空尺寸、地下水分布及水位高度等情況下，通過數(shù)值計算、分析，其結(jié)構(gòu)各截面裂縫寬度如圖12 所示。

圖12 四壁截面裂縫寬度（單位：mm）

在圍巖（土）壓力（永久、可變系列作用）作用下，三心圓斷面形式結(jié)構(gòu)各部位均處于小偏壓狀態(tài)。同為普通鋼筋混凝土材料，同樣截面尺寸、同樣配筋，裂縫寬度大大減?。ㄗ畲?．06 mm），遠(yuǎn)小于規(guī)范0．20 mm 的限值，從結(jié)構(gòu)上避免滲水隱患的出現(xiàn)。

埋置較深且在地下水豐富地段的工程，市政地道可以參考公路隧道結(jié)構(gòu)斷面型式，根本上杜絕滲水風(fēng)險。

4．2．3 完善構(gòu)造措施

4．2．3 ．1結(jié)構(gòu)“三縫”

在已建和在建的地道施工中，發(fā)現(xiàn)三縫（施工縫、沉降縫、伸縮縫）的施工質(zhì)量很難控制，導(dǎo)致很多地道因三縫而出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，這屬于施工質(zhì)量問題。除了施工縫可以通過完善施工組織、加強(qiáng)施工工藝的方法之外，其它兩縫可通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計、減少數(shù)量或直接取消，從源頭解決滲水。

伸縮縫：地道埋置于地下，覆土厚度50 cm 以上，故通道內(nèi)常年恒溫、溫差小，結(jié)構(gòu)漲縮量也小。經(jīng)計算，100 m 長地道的溫度伸縮量不大于1 cm。所以，除特長地道外，一般地道可以不設(shè)伸縮縫，結(jié)合布置形式，僅在兩端地道口與U型道口（車行）或梯道口（人行）銜接處設(shè)置伸縮縫即可。

沉降縫：地道橫斷面采用鋼筋混凝土箱型框架形式，按空間受力結(jié)構(gòu)設(shè)計，位于彈性地基巖土層，地道縱向（長度方向）為彈性支撐的連續(xù)梁（地系梁）結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度、剛度、開裂縫隙寬度等在精細(xì)化計算、分析和高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計條件下，結(jié)構(gòu)完全滿足安全、耐久及適用等要求。除沿地道長度方向地基巖土層明顯變化外，地道無需設(shè)置沉降縫。

4．2．3 ．2結(jié)構(gòu)防、排水

地下水豐富地段，埋置其中的地道常年受高承壓水的作用，既增加了結(jié)構(gòu)負(fù)荷，又加大了滲水隱患。

地道箱體外側(cè)回填土采用透水性材料，外壁與巖土間設(shè)置防、排水設(shè)施，將地下水通過橫向排水管引到路面下的側(cè)式暗溝，最后排到市政地下排水系統(tǒng)中。不僅增加了箱體混凝土抗?jié)B能力，同時降低地下水位，減小其不利影響。防、排水如圖13所示。

圖13 結(jié)構(gòu)防、排水示意圖

5 結(jié)語

筆者參與多條公路隧道設(shè)計工作，上述結(jié)構(gòu)型式、系列構(gòu)造措施（尤其防、排水措施）均運(yùn)用于隧道常規(guī)設(shè)計。

除三心圓結(jié)構(gòu)型式外，筆者曾嘗試把其它設(shè)計措施用之于市政地下通道（相當(dāng)于公路淺埋短隧道），防滲效果良好，值得借鑒。