顧旭卿
(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團(tuán))有限公司,上海 200092)
該地道工程為楨州大街下穿交大教育園區(qū)的雙向10車道地道,位于陜西省韓城市小南區(qū),地道為南北走向。地道設(shè)計基準(zhǔn)期為100年,全長850m,其中南側(cè)敞開段長95m,北側(cè)敞開段長120m,暗埋段長635m。根據(jù)道路總體規(guī)劃及教育園區(qū)相關(guān)規(guī)劃,楨州大街下穿教育園區(qū)與教育園區(qū)地下停車場相連接。
地道分敞開段和暗埋段。根據(jù)道路車道布置,地道暗埋段共分兩種橫斷面形式,標(biāo)準(zhǔn)斷面為雙向6車道,與教育園區(qū)結(jié)合段為雙向6車道快速車道加雙向4車道慢速輔道;最寬處為51m,采用單箱四室箱形結(jié)構(gòu),由底板、側(cè)墻、中墻及頂板組成,中間兩箱室為主車行通道,外側(cè)兩箱室為輔車道。敞開段總寬為26.8m,采用U型結(jié)構(gòu)設(shè)計。
擬建場地所在的韓城市位于祁呂賀山字形構(gòu)造的前弧東翼與新華夏構(gòu)造體系第三沉降帶的復(fù)合部位。以EN~WS向的山前大斷裂(即韓城大斷層F1)為界,東南面屬渭汾地塹,西北面屬鄂爾多斯臺向斜的陜北盆緣褶皺區(qū),構(gòu)造復(fù)雜,礦產(chǎn)豐富。
根據(jù)各土層的時代成因及巖性,自上而下描述如下:(1)素填土Q4ml:雜色,松散,稍濕,成分以碎石、砂土為主,土質(zhì)不均勻,多為原公路的修筑填土,層厚0.4~0.8m。
(2)黃土Q3eol:褐黃色,天然含水量w=15.3%;液性指數(shù)IL<0,呈堅硬狀態(tài);天然孔隙比e=1.131。
(3)古土壤Q3el:層厚2.00~5.00m,層底標(biāo)高428.72~448.43m,棕紅色,稍濕,團(tuán)粒結(jié)構(gòu),天然含水量w=18.2%;液性指數(shù)IL<0,呈堅硬狀態(tài)。
(4)黃土Q2eol:層厚5.20~11.70m。褐黃色,稍濕,具孔隙,含鈣質(zhì)條紋,天然含水量w=15.7%;液性指數(shù)IL<0,呈堅硬狀。
(5)古土壤Q2el:層厚1.30~4.70m,稍濕,團(tuán)粒結(jié)構(gòu),具孔隙,天然含水量w=16.1%;液性指數(shù)IL<0,呈堅硬狀態(tài);天然孔隙比e=0.819。
勘探深度(45.00m)范圍內(nèi)未見地下水分布,因而可不考慮地下水對擬建場地的影響。
根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)及《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010),擬建場地行政區(qū)劃屬韓城市,地震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計基本地震加速度值為0.15g,設(shè)計地震分組為第二組,特征周期為0.40s。
根據(jù)在該場地的3個鉆孔中進(jìn)行的鉆孔剪切波速測試結(jié)果,依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)有關(guān)劃分標(biāo)準(zhǔn),該工程場地類別為Ⅱ類。
(1)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期為100年。設(shè)計安全等級為一級。
(2)荷載。①自重、覆土及土壓力荷載:按實際情況計算。②車輛荷載:“城-A級”與超載20kPa不利影響。③溫度作用:按《公路橋梁設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2004)計算。④地震作用:抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計基本地震加速度值為0.15g。⑤撞擊力荷載:敞開段及暗埋段洞口擋墻的車輛撞擊力荷載按200kN考慮,撞擊力在寬度4.0m范圍內(nèi)均布。
(3)地道凈高與凈寬≥5.0m。
(4)地道縱、橫坡。地道主線最大縱坡I≤5.0%;地道橫坡為1.5%。
(5)結(jié)構(gòu)抗浮與防滲??垢。鹤畈焕闆r自重抗浮安全系數(shù)≥1.05。防滲:主體結(jié)構(gòu)采用防水混凝土,抗?jié)B等級為P8級。
(6)最大凍深為0.3m。
(7)工程材料。主體結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級為C30,抗?jié)B等級為P8級;素混凝土墊層強(qiáng)度等級為C20;鋼筋型號為HPB300和HRB400;預(yù)埋鐵件型號為Q235B。
(8)裂縫??紤]荷載短期效應(yīng)組合和長期效應(yīng)組合的影響,主體結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度≤0.2mm。
地道的平面線型服從于道路總體設(shè)計,主線下穿地道縱斷面設(shè)計受以下因素控制。
(1)交大教育園區(qū)地面設(shè)計標(biāo)高。
(2)地道出入口十字交叉口豎向規(guī)劃。
(3)地道凈空高度≥5.0m。
(4)地道出、入口最大縱坡≤3.50%。
此外,縱斷面設(shè)計還需考慮箱頂路面結(jié)構(gòu)厚度、地道箱體結(jié)構(gòu)厚度、鋪裝、施工誤差、結(jié)構(gòu)變形及預(yù)留沉降等多方面要求。
根據(jù)下穿地道總體設(shè)計,楨州大街下穿地道包括下穿地道暗埋段和下穿地道敞開段。
(1)下穿地道暗埋段設(shè)計。根據(jù)下穿地道平面布置,暗埋段分為標(biāo)準(zhǔn)暗埋段、加減速車道暗埋段和帶輔道暗埋段。①標(biāo)準(zhǔn)暗埋段。標(biāo)準(zhǔn)暗埋段采用單箱雙室結(jié)構(gòu),總寬度為27m,單箱凈寬12.0m,凈高為4.5m。隔墻兩側(cè)分隔帶各寬為0.25m,兩側(cè)車行道各寬11m,兩側(cè)路側(cè)帶各寬0.75m,兩側(cè)側(cè)墻各寬為1.0m,如圖1所示。②加減速車道暗埋段。為方便社會車輛和公交車與教育園區(qū)銜接,下穿地道在東西兩側(cè)設(shè)置雙車道輔道,主線車輛通過加減速車道進(jìn)入輔道。加減速車道暗埋段采用單箱雙室結(jié)構(gòu),單箱凈寬20.8m,凈高為4.5m,如圖2所示。③帶輔道暗埋段。帶輔道暗埋段采用單箱四室結(jié)構(gòu),主線箱室凈寬12.0m,輔道箱室凈寬8.0m,如圖3所示。④落客平臺暗埋段。落客平臺暗埋段采用單箱四室結(jié)構(gòu),主線箱室凈寬12.0m,輔道箱室凈寬11.0m。下穿地道車行道凈高為4.5m,綜合考慮預(yù)留沉降、道路墊層和裝修空間,暗埋段箱涵結(jié)構(gòu)內(nèi)凈高5.5m。暗埋段頂、底板厚1.5m,側(cè)墻厚1.2m。紅線寬度為51m。其中央隔墻寬為1m,隔墻兩側(cè)分隔帶各寬為0.25m,兩側(cè)車行道各寬11m,兩側(cè)路側(cè)帶各寬0.75m,兩側(cè)隔墻各寬為0.8m,隔墻兩側(cè)分隔帶各寬為0.25m,兩側(cè)輔道各寬6.75m,兩側(cè)路側(cè)帶各寬0.75m,兩側(cè)側(cè)墻各寬為1.2m,港灣停靠站3m,如圖4所示。
圖1 6車道隧道標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面圖(單位:mm)
圖2 地道加減速段橫斷面圖(單位:mm)
圖3 10車道標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位:mm)
圖4 落客平臺段橫斷面圖(單位:mm)
(2)下穿地道敞開段設(shè)計。為防止地下水破壞道路結(jié)構(gòu),下穿地道敞開段采用U形槽結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)敞開段側(cè)墻高度<7.5m,敞開段底板厚度0.9m,側(cè)墻厚度0.9m,總寬度為26.8m,如圖5所示。
圖5 下穿地道敞開段標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位:mm)
根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007—2011),地道結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性符合下式:
式中:Gk為地道結(jié)構(gòu)自重,包括鋪裝自重;Nw,k為浮力,地下水位考慮地面以下6m;Kw為抗浮安全系數(shù),取1.05。
經(jīng)計算,地道所有敞開段利用自重均能滿足抗浮要求。
按承載力最不利情況,南側(cè)第3暗埋段基底落在④層粉土層,④層粉土層承載力特征值fak=120kPa。平均應(yīng)力p=G/A=61113.8/16/29.7=128.6kPa,經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值fa=120+1.5×16×(9.5-0.5)=336kPa,p<fa,因此承載力滿足要求。
(1)標(biāo)準(zhǔn)暗埋段。地道暗埋段箱頂覆土厚度變化不大,接近于平面應(yīng)變問題。按平面應(yīng)變假定,建立單位長梁單元平面框架模型進(jìn)行計算,計算模型按各板軸線建立。采用Midas軟件進(jìn)行計算,模型每0.4m左右劃分一個單元。荷載計算按1m分布寬度計算。地道上荷載包括結(jié)構(gòu)自重、頂板覆土荷載、側(cè)墻水土壓力荷載、底板浮力、鋪裝荷載、地面超載及其引起的側(cè)向土壓力、混凝土收縮。側(cè)墻土壓力按照水土分算,地下水位按地面以下6.0m考慮,混凝土收縮考慮頂板整體降溫15℃。依據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2004),按以下兩種工況進(jìn)行荷載組合:①自重+頂板覆土荷載+側(cè)墻土壓力+鋪裝荷載+側(cè)墻超載+側(cè)墻水壓力+底板浮力+混凝土收縮;②自重+頂板覆土荷載+側(cè)墻土壓力+鋪裝荷載+側(cè)墻超載+頂板超載+側(cè)墻水壓力+底板浮力+混凝土收縮。分別考慮承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài),對以上兩種組合進(jìn)行計算。模型邊界條件僅在底板上加豎向土體彈簧(按只受壓彈簧考慮),土體彈簧剛度Kz按10000kN/m3考慮進(jìn)行計算。計算模型如圖6所示。各荷載工況下的結(jié)構(gòu)彎矩包絡(luò)圖如圖7所示。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 D62—2004),由結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算得到結(jié)構(gòu)配筋。
(2)中間暗埋段。①框架模型。撐梁和頂板模擬為矩形梁,梁高h(yuǎn)=1200mm,梁寬b=800mm;側(cè)墻及底板模擬為梁單元。②梁單元模型。建立梁單元計算模型,模型按結(jié)構(gòu)軸線建立。采用Midas軟件進(jìn)行計算,每0.4m劃分1個單元。暗埋段計算模型如圖8所示??蚣荏w系內(nèi)力分布如圖9所示。計算將頂板荷載按圖示面積加載至框架。計算各荷載工況下的框架彎矩,如圖10所示。
圖6 標(biāo)準(zhǔn)暗埋段計算簡圖(單位:mm)
圖7 標(biāo)準(zhǔn)暗埋段結(jié)構(gòu)彎矩包絡(luò)圖
圖8 暗埋段計算模型(落客平臺段)
圖9 框架體系內(nèi)力
圖10 框架彎矩圖
由于篇幅限制,文章僅列舉了以上兩個模型作為計算依據(jù),其余結(jié)構(gòu)的計算內(nèi)容省略。
擬建場地為自重濕陷性場地,地基濕陷等級為Ⅳ級(很嚴(yán)重),地道主體結(jié)構(gòu)底板下濕陷量計算值介于203~1308mm,濕陷性土層下界深度介于16.5~28.7m。按《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB 50025—2004)第6.1.4條規(guī)定,地基處理深度不應(yīng)小于濕陷性土層深度的2/3,且下部未處理濕陷性黃土層的剩余濕陷量不應(yīng)>150mm。按此規(guī)定計算,地基處理厚度約12m。
由于處理厚度較大,建議采用擠密樁法進(jìn)行地基處理。擠密樁施工建議采用沉管法成孔和孔內(nèi)重錘夯實二次擠密工藝結(jié)合(DDC工法),孔內(nèi)填料建議選用3∶7灰土或水泥土。根據(jù)陜西濕陷性黃土地區(qū)建筑經(jīng)驗,采用DDC工法處理后的灰土擠密樁復(fù)合地基承載力特征值可達(dá)350kPa左右。
采用沉管法擠密和重錘夯實工藝時,應(yīng)在地基處理施工前,在現(xiàn)場選擇有代表性的地段進(jìn)行試驗或試驗性施工,試驗結(jié)果滿足設(shè)計要求(尤其是消除濕陷性厚度和處理后的地基承載力應(yīng)滿足要求),并應(yīng)取得合適的樁距、樁徑、布樁方式及夯填密度等必要的設(shè)計與施工參數(shù)后,方可進(jìn)行地基處理的最終設(shè)計與現(xiàn)場施工。
處理后的復(fù)合地基承載力特征值,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場靜載荷試驗結(jié)果確定。地基處理完成后,應(yīng)進(jìn)行人工地基檢測,以檢測結(jié)果最終進(jìn)行地基設(shè)計,并進(jìn)入下步工序施工。
施工完成后經(jīng)檢測,針對重度濕陷場地實際消除濕陷沉降量達(dá)到預(yù)期目的,效果良好。
地道附屬工程設(shè)計主要包含圍護(hù)結(jié)構(gòu)、防水、排水、通風(fēng)、照明、裝飾、路面結(jié)構(gòu)等的設(shè)計,由于篇幅受限,且與本文討論內(nèi)容關(guān)系不大,因此不作贅述。
地道與建筑合建,此類全新的工程技術(shù)措施解決了市政道路與建筑用地在平面空間上的突出矛盾,對于目前城市用地緊張、道路拓展困難等問題提出了切實可行的解決方案。尤其是在復(fù)雜地基條件下實施,在國內(nèi)也較為新穎、前沿。故以此撰文,供廣大工程人員深入研究探討。