市政隧道開口段異型箱涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

曾小剛

（南昌市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院，南昌 330038）

1 引言

隨著交通事業(yè)的發(fā)展，市政道路的下穿或者上跨的情況越來越頻繁，同時(shí)出于對(duì)景觀、環(huán)境的考慮，減少汽車、人流等地面交通的影響，下穿隧道成為一種常見且可行的方案選擇。由于箱涵整體性好、受力分布合理，城市下穿隧道多采用箱涵結(jié)構(gòu)。而城市隧道由于地理位置的特殊性，需考慮地下隧道的通風(fēng)、采光及出入口與各地面交通的銜接疏散等【1】。因此，隧道平面及斷面相應(yīng)比較復(fù)雜，涉及較多的箱涵異型段，如通風(fēng)開口段、分叉變寬段等。本次異型箱涵計(jì)算采用的是平面桿系計(jì)算模型，計(jì)算分析簡便和計(jì)算結(jié)果可靠，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。以南昌市青山湖隧道工程為依托，對(duì)通風(fēng)開孔雙孔箱涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并采用MIDAS 有限元進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)各結(jié)構(gòu)截面承載力受力進(jìn)行探討。

2 工程簡介

青山湖隧道工程位于南昌市老城區(qū)，為南昌市陽明東路東延部分，對(duì)連接南昌東西向交通有重大意義。該工程西起陽明東路鐵路箱涵，下穿洪都大道、湖濱南路、青山湖、湖濱東路、國安路，東接江大北路。工程起點(diǎn)樁號(hào)K1+835，終點(diǎn)樁號(hào)K3+800，全長1 965m，隧道段長約1 130m；整個(gè)工程設(shè)置2 段暗埋段。其中K2+220～K2+460 段，長240m，位于青山湖西岸洪都大道下，結(jié)構(gòu)縱向分成6 段，每段40m；里程K2+500～K3+390 段，長890m，位于青山湖湖中及兩岸。箱涵暗埋標(biāo)準(zhǔn)段采用雙孔矩形鋼筋混凝土整體箱涵結(jié)構(gòu)，單孔凈寬為8.9m，具體詳見橫斷面（見圖1）。為了保證車輛尾氣的排放通暢，降低空氣中廢氣的濃度，以滿足城市環(huán)境保護(hù)的要求；在隧道K2+220～K2+340 段頂左右箱室頂板設(shè)置 1 道通風(fēng)口【2】。

圖1 箱涵橫斷面圖（單位：cm）

3 開口段箱涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隧道箱涵左右箱室頂板靠中隔墻位置各設(shè)置1 道2m 寬通風(fēng)口，兩側(cè)對(duì)稱布置。一般而言，箱涵頂板開孔結(jié)構(gòu)處理基本采用孔洞周邊設(shè)置洞口加固梁形式。由于該段箱涵位于洪都大道與陽明東路的交叉口范圍，路段處于交通繁忙區(qū)域，而且工程完工后需要在道路下埋設(shè)眾多地下管線（電力、電信管、雨污水管等）。通風(fēng)口如采用加固反梁形式，同時(shí)由于頂板覆土較厚（最高達(dá)4.5m），結(jié)構(gòu)出于承載能力要求，根據(jù)計(jì)算梁至少上翻1～1.5m；如此將導(dǎo)致開口箱涵區(qū)域內(nèi)地下各種管線布置受限，對(duì)后期市政管線布置產(chǎn)生極為不利的影響。基于此，開口箱涵頂通風(fēng)口結(jié)構(gòu)采用梁板墻組合設(shè)計(jì)進(jìn)行處理，可以避免結(jié)構(gòu)上緣過多侵入上部空間，為后期市政設(shè)施埋設(shè)提供便利條件。

通風(fēng)開口箱涵段主箱涵頂板厚80cm，底板厚80cm，側(cè)墻厚80cm，中隔墻厚80cm，頂板與隔墻或側(cè)墻銜接處設(shè)置150cm×50cm 倒角，底板與隔墻或側(cè)墻銜接處設(shè)置50cm×50cm倒角。頂部通風(fēng)口外側(cè)墻厚80cm，中隔墻厚40cm，上下各設(shè)置1 道橫梁。每道橫梁間距為3.1m，上下部橫梁平面重合。同時(shí)，橫梁尺寸根據(jù)覆土進(jìn)行調(diào)整，具體為：覆土厚度2～3m 時(shí)，上部撐梁截面尺寸為100cm（寬）×100cm（高）；覆土在3～4.5m時(shí)，上部橫梁截面尺寸為100cm（寬）×110cm（高）；下部橫梁截面尺寸為100cm×（80～130）cm，梁下緣同箱涵頂板下緣保持一致。同時(shí)在橫梁與頂板及側(cè)墻交接處各設(shè)置1 道暗梁。

開口段箱涵的橫斷面布置圖見圖2，平面布置圖見圖3。

4 異型箱涵結(jié)構(gòu)的空間分析

4.1 結(jié)構(gòu)荷載

4.1.1 永久荷載

1）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自重r=26kN/m3；

2）覆土荷載 r=18.5kN/m3；

3）側(cè)向壓力：側(cè)向土壓力采用朗金主動(dòng)土壓力公式計(jì)算。墻外水土壓力：施工階段黏性土采用水土合算，砂性土按水土分算，使用階段采用水、土分算。

4.1.2 可變荷載

1）車輛及設(shè)備荷載：城-A 級(jí)汽車荷載，人群5kN/m2。

2）地面超載：施工階段按20kN/m2計(jì)算；使用階段湖中段按10kN/m2計(jì)算，岸段按20kN/m2計(jì)算。

圖2 箱涵橫斷面布置圖（單位：cm）

圖3 箱涵平面布置圖（單位：cm）

4.2 結(jié)構(gòu)建模

計(jì)算模型采用平面桿系計(jì)算模型，該模型取3.1m 箱涵節(jié)段，采用Midas 軟件進(jìn)行有限元建模?；A(chǔ)底部采用彈簧支撐，彈簧剛度根據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)資料及查閱相關(guān)工程資料擬定為15 000kN/m；箱梁兩端限制軸向位移。

具體計(jì)算模型見圖4。

計(jì)算考慮10a 的混凝土收縮徐變；數(shù)值模擬劃分2 個(gè)施工階段，施工階段一是箱涵混凝土施工階段及回填土完成，施工階段二是箱涵建成運(yùn)營、收縮徐變分析。

圖4 箱涵計(jì)算模型

5 計(jì)算結(jié)果分析

箱涵頂覆土最高達(dá)4.5m，結(jié)構(gòu)受力的重點(diǎn)為上下梁及頂?shù)装宓膬?nèi)力計(jì)算結(jié)果是否滿足極限承載能力及正常使用狀態(tài)要求。

1）正截面抗彎承載能力計(jì)算，彎矩包絡(luò)圖見圖5。

圖5 箱涵正截面彎矩包絡(luò)圖（單位：kN·m）

圖5 中開口處上橫梁支點(diǎn)負(fù)彎矩為1 433.9kN·m，下橫梁支點(diǎn)負(fù)彎矩為1 957.4kN·m；開口處側(cè)墻下緣彎矩最大為1 961.7kN·m，頂板跨中正彎矩為1 318.7kN·m，負(fù)彎矩最大為1 469.5kN·m；底板跨中彎矩為1 698.5kN·m，中支點(diǎn)彎矩為3 722.9kN·m。經(jīng)驗(yàn)算，箱涵開口處上下橫梁、頂?shù)装?、?cè)墻配筋滿足正截面抗彎承載力要求。

2）斜截面抗剪承載能力計(jì)算，剪力包絡(luò)圖見圖6。

圖6 箱涵斜截面剪力包絡(luò)圖（單位：kN）

圖6 中開口處上橫梁剪力最大為1 012.2kN，下橫梁剪力最大為1 157.2kN；開口處側(cè)墻最大剪力為994.2kN；頂板最大剪力為1 825.0kN；底板最大剪力為2 248kN；經(jīng)驗(yàn)算，箱涵開口處上下橫梁、頂?shù)装?、?cè)墻配筋滿足斜截面抗剪承載力要求。

3）正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算：結(jié)構(gòu)配筋按正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算，最不利覆土狀態(tài)下結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形驗(yàn)算、裂縫寬度驗(yàn)算（最大裂縫寬度不大于0.2mm）均滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)語

青山湖隧道通風(fēng)開口部分采用梁板組合結(jié)構(gòu)以替換常規(guī)的洞口加固反梁結(jié)構(gòu)，經(jīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算及裂縫驗(yàn)算表明，結(jié)構(gòu)承載能力及正常使用狀態(tài)能夠滿足規(guī)范要求。而且青山湖隧道已于2009 年正式建成使用，至今已十余年，在2019 年6 月對(duì)隧道進(jìn)行了全面的檢測(cè)。實(shí)踐證明，隧道通風(fēng)開口段未見明顯變形及結(jié)構(gòu)性裂縫，結(jié)構(gòu)整體運(yùn)營良好。隧道箱涵異型段的結(jié)構(gòu)處理在整個(gè)隧道設(shè)計(jì)中為關(guān)鍵部分，而結(jié)構(gòu)處理不能僅考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的便利性，也應(yīng)充分考慮后繼市政管線的埋設(shè)要求，這樣，才能使工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及后期的建成運(yùn)營更合理。