高速公路與供水干線共線路段的設(shè)計(jì)

李 超

（深圳市綜合交通設(shè)計(jì)研究院，廣東深圳 518003）

0 引言

隨著高速公路的日益增加和城市建設(shè)的不斷發(fā)展，高速公路建設(shè)用地越來越受限制，為節(jié)約用地，高速公路可能會(huì)與其他建設(shè)項(xiàng)目采取共線設(shè)計(jì)，以下為深圳市東部過境高速公路與東部供水干線共線路段的設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)概況

深圳東部過境高速公路位于深圳市東部，向南通過規(guī)劃一線蓮塘口岸與香港東部通道相銜接，向北與深惠、深汕高速公路相接。東部供水干線是深圳市獨(dú)立興建和管理的境外引水工程，主要用于改善深圳市的嚴(yán)重缺水局面。東部供水網(wǎng)絡(luò)干線工程全長48.3 km，已經(jīng)于2000年5月通水。

深圳東部過境高速公路與東部供水網(wǎng)絡(luò)干線的錦龍大道至三棵松水庫段共線，該路段內(nèi)現(xiàn)狀供水干線為4.2 m×4.2 m鋼筋混凝土箱涵，涵頂普遍覆土高度為3～4 m。其中K27+717～K28+285路段與東部供水干線完全平行，由于受高壓線凈空的制約，該路段采用路基方式（左側(cè)路基長568 m，右側(cè)路基長572 m），路基填土高1～5 m。

根據(jù)深圳市水規(guī)院的要求，本項(xiàng)目需為東部供水工程的擴(kuò)建預(yù)留空間，市水規(guī)院初步擬定規(guī)劃箱涵的標(biāo)準(zhǔn)斷面為3 m×3 m。根據(jù)現(xiàn)狀箱涵位置以及東部過境高速公路平面布置的需要，初步擬定規(guī)劃箱涵布設(shè)在現(xiàn)狀箱涵的西側(cè)。

為了避讓東部供水箱涵，并為規(guī)劃的箱涵預(yù)留空間，經(jīng)與深圳市水規(guī)院溝通，K27+717～K28+285路段采用分離式路基橫斷面，兩幅路基之間的寬度24 m。路基橫斷面見圖1。

圖1 路基橫斷面圖（單位：cm）

2 設(shè)計(jì)原則

本項(xiàng)目與東部供水干線工程共線路段的設(shè)計(jì)方案，遵循以下設(shè)計(jì)原則：

（1）滿足有關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范，保證公路交通安全。

（2）充分考慮本項(xiàng)目施工期、運(yùn)營期各種荷載情況對東部供水工程的影響，確保東部供水工程的安全。

（3）滿足東部供水工程停水檢修及應(yīng)急搶險(xiǎn)的需求。

（4）保證東部供水工程檢修交通道路的暢通性和有效性。

（5）滿足東部供水工程的擴(kuò)容需求，預(yù)留擴(kuò)建空間。

（6）確保本項(xiàng)目和東部供水工程安全運(yùn)營。

（7）在滿足安全的前提下，將對東部供水工程的干擾減至最低。

（8）在滿足功能需要的前提下，還要體現(xiàn)出合理性、可實(shí)施性和經(jīng)濟(jì)性。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 方案一：采用排樁支護(hù)的鋼筋混凝土擋墻方案

擋墻斷面及樁位布置見圖2及表1。

圖2 排樁支護(hù)鋼筋混凝土擋墻斷面圖（單位：cm）

表1 不同填土高度下的樁徑D、樁間距L、樁長HZ（方案一）

3.2 方案二：采用多層錨桿支護(hù)的地下連續(xù)墻方案

擋墻斷面及錨桿布置見圖3及表2。

圖3 多層錨桿支護(hù)地下連續(xù)墻斷面圖（單位：cm）

表2 不同填土高度下路基設(shè)計(jì)方案（方案二）

3.3 方案比選

從經(jīng)濟(jì)性來比較，方案一施工工藝相對簡單，施工周期短，工程造價(jià)較低；方案二施工工藝復(fù)雜，施工周期長，造價(jià)較高。

從安全性來比較，方案一和方案二均能保證高速公路在施工期和建成后的運(yùn)營期內(nèi)，東部供水結(jié)構(gòu)和高速公路的雙安全。但方案一在供水工程停水檢修及應(yīng)急搶險(xiǎn)開挖施工時(shí)，地下水位會(huì)改變，可能會(huì)使未檢修部分供水箱涵基底產(chǎn)生沉降，對未檢修部分供水箱涵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。如果采取鋼板樁支護(hù)來防止地下水位發(fā)生改變，會(huì)導(dǎo)致施工周期加長，使得停水時(shí)間延長，對整個(gè)深圳市的供水造成影響。同時(shí)，方案一在開挖施工形成最大臨空面時(shí)，在路基填土及汽車荷載共同作用下，結(jié)構(gòu)最大水平位移達(dá)4 cm，可能會(huì)造成路面結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂等安全隱患。方案二在供水工程停水檢修及應(yīng)急搶險(xiǎn)開挖施工時(shí)，在施工區(qū)域兩端采取止水措施，可使地下水位不發(fā)生改變，對未檢修部分箱涵無影響。同時(shí)，由于采取了預(yù)應(yīng)力錨桿對開挖基坑進(jìn)行超前支護(hù)，檢修施工不需要采取臨時(shí)支護(hù)措施，節(jié)省工期，最大限度的減少了停水時(shí)間，對深圳市的供水造成的影響降到最低。

因此，方案二在在滿足安全的前提下，將對東部供水工程的干擾減至最低。設(shè)計(jì)采用方案二：多層錨桿支護(hù)的地下連續(xù)墻方案。

4 工程計(jì)算

為確保安全，設(shè)計(jì)對多層錨桿支護(hù)的地下連續(xù)墻方案進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算。計(jì)算主要內(nèi)容主要有：（1）地下連續(xù)墻豎向承載力計(jì)算；（2）地下連續(xù)墻錨桿拉力計(jì)算；（3）地下連續(xù)墻入土深度計(jì)算；（4）地下連續(xù)墻配筋及裂縫計(jì)算；（5）地下連續(xù)墻位移計(jì)算；（6）基坑底抗隆起驗(yàn)算；（7）基坑底抗?jié)B穩(wěn)定驗(yàn)算；（8）基坑整體穩(wěn)定驗(yàn)算。

4.1 計(jì)算參數(shù)

土體的飽和容重取20 kN/m3，土體的內(nèi)摩擦角取 30°；

基坑安全等級：一級；

粉質(zhì)粘土的抗剪強(qiáng)度：c＝16.5 kPa；

基坑底以下的粉質(zhì)粘土的彈性比例系數(shù)：m＝8000 kN/m4；

路基填土高度：3 m。

4.2 地下連續(xù)墻豎向承載力計(jì)算

4.2.1 地下連續(xù)墻豎向荷載計(jì)算

擋墻上部防撞護(hù)欄每延米重為Q1＝12.1 kN/m，擋墻墻身自重Q2＝27.5 kN/m，擋墻加勁肋自重Q3＝20.63 kN，承臺(tái)自重 Q4＝56 kN/m。

在地下連續(xù)墻單位長度B＝1 m范圍恒載合計(jì)為：

承臺(tái)頂面每延米的豎向土壓力p＝γ×（h+h1）×l＝125.58 kN/m；

地下連續(xù)墻頂面豎向力合計(jì)Q＝ Q恒+p×B＝241.8 kN。

4.2.2 地下連續(xù)墻豎向承載力計(jì)算

假定地下連續(xù)墻埋入箱涵底面以下8 m。供水箱涵檢修開挖后，不考慮開挖面以上部分土體對連續(xù)墻的側(cè)摩阻力。

地下連續(xù)墻埋深HZ＝8 m，墻身寬D＝0.8 m，開挖面以下土層的側(cè)摩阻力τ＝70 kPa；墻底承載力基本允許值[fa0]＝180 kPa。豎向承載力參照摩擦樁設(shè)計(jì)。

γ0（Q+G）＝629.0 kN<[Ra],豎向承載力滿足要求。

4.3 地下連續(xù)墻錨桿拉力計(jì)算

4.3.1 主動(dòng)土壓力系數(shù)和被動(dòng)土壓力系數(shù)

根據(jù)郎肯土壓力理論，

主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka＝tan2（45°-ψ/2）[2]；

被動(dòng)土壓力系數(shù)Kp＝tan2（45°＋ψ/2）[2]。

取 ψ＝30°，則 Ka＝0.333；Kp＝3。由于基坑臨空面較高，連續(xù)墻會(huì)產(chǎn)生一定的側(cè)向變形，需對被動(dòng)土壓力系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整值 Kmp＝0.7，Kp＝2.1。

4.3.2 基坑支護(hù)方案

豎向采用2層預(yù)應(yīng)力錨桿，錨桿豎向間距2.5 m，縱向間距3 m，第一層錨桿距離地面2.85 m，第二層錨桿距離地面5.85 m。錨桿采用采用15-4Φs15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨桿鉆孔直徑d＝0.3 m，見圖4。

圖4 錨桿布置圖（單位：cm）

4.3.3 錨桿設(shè)計(jì)拉力計(jì)算

計(jì)算時(shí)采用彈性地基梁法，地下連續(xù)墻作為豎向的地基梁，錨桿采用彈性支座模擬，基坑背面的主動(dòng)土壓力作為外力荷載，基底以下的主動(dòng)土壓力作為抗力，采用土層彈簧模擬，見圖5。

圖5 錨桿拉力計(jì)算圖式（單位：cm）

土層彈性抗力系數(shù)：

Ki＝（L1+L2）×m×Zi×B/2[3]，

式中：m——土層彈性抗力比例系數(shù)，取m＝8000（kN/m4）；

L1，L2——當(dāng)前彈簧與上下彈簧的距離；

Zi——當(dāng)前彈簧的深度；

B——計(jì)算寬度，取錨桿的縱向間距B＝2 m。

錨桿水平剛度系數(shù)KT可按下式計(jì)算：

KT＝3AESECAC/[（3LfECAC+ESALa）cosθ][3]

式中：Lf——錨桿自由段長度 ，取Lf＝6 m；

La——錨桿錨固段長度 ，取Lf＝14 m；

ES——錨桿的彈性模量，ES＝1.95×105MPa；

A——錨桿的截面面積，A＝5.6×10-4m2；

AC——錨固體積面面積，AC＝0.0707 m2；

EC——錨固體的組合彈性模量，EC＝[AES+（AC-A）Em）]/AC；

Em——注漿體的彈性模量；

θ——錨桿水平傾角，本設(shè)計(jì)θ＝20°。

將以上數(shù)據(jù)代入算得：KT＝18618.23 kN/m。

路面處的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度p0＝Ka×h0×γ＝5.26 kN/m2；

基坑底面的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度pah＝116.09 kN/m2。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，建立有限元模型，算得自上而下各錨桿的設(shè)計(jì)拉力分別為：

T1＝250.3 kN;T2＝264.1 kN。

4.4 連續(xù)墻嵌固深度計(jì)算(縱向按2m寬計(jì)算)

嵌固深度設(shè)計(jì)值hd可按下式確定：

pah＝

pph＝

T1＝

代入式（1），解得 hd≥5.62 m。

入土深度取K×hd＝1.4×5.62＝7.87 m;本設(shè)計(jì)地下連續(xù)墻嵌固深度采用8 m。

4.5 地下連續(xù)墻配筋及裂縫計(jì)算

4.5.1 最大正彎矩計(jì)算

根據(jù)地下連續(xù)墻的受力特點(diǎn)，最大正彎矩出現(xiàn)在基坑底面以上，且此處的剪力為零。假定剪力零點(diǎn)距離第二層錨桿距離為h01，則有：

4.5.2 最大負(fù)彎矩計(jì)算

地下連續(xù)墻的最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在基坑底面以下，且此處的剪力為零。假定剪力零點(diǎn)距離地基坑底面為h02，則有：

4.5.3 抗彎承載力和裂縫寬度驗(yàn)算

地下連續(xù)墻采用C30混凝土，厚度80 cm，雙層對稱配筋，主筋采用φ25HRB335鋼筋，鋼筋間距采用15 cm，則2 m寬范圍共有14根鋼筋，主筋中心距混凝土邊緣9 cm。

受壓區(qū)高度x<2as＝2×0.09＝0.18 m,則：

MU＝fsdAs（h0-as）＝1192.4 kN×m>1.1,截面抗彎承載力滿足要求。

裂縫寬度Wtk＝C1C2C3σss（30+d）/ES（0.28+10ρ）

C1＝1.0,C2＝1.5,C3＝1.15;σss＝131.42 MPa；ρ＝As/bh0＝0.00484<0.006,取 ρ＝0.006；d＝25 mm，ES＝2.0×105；

算得Wtk＝0.183 mm<0.3 mm，地下連續(xù)墻抗彎承載力滿足要求。

由于連續(xù)墻僅作為基坑支護(hù)，裂縫寬度應(yīng)小于0.3 mm，滿足要求。

4.6 連續(xù)墻位移計(jì)算

根據(jù)4.3.3中建立的豎向彈性地基梁模型，算得地下連續(xù)墻位移：

基坑頂最大水平位移為13.4 mm<11500/300＝38.3 mm，滿足規(guī)范要求。

4.7 基底抗隆起穩(wěn)定驗(yàn)算[3]

計(jì)算假定：假定開挖面以下的墻體能幫助抵抗基底土體隆起，土體沿通過墻底的圓弧面滑動(dòng)。產(chǎn)生滑動(dòng)的力為土體重量γH及地面超載q，抵抗滑動(dòng)力為滑動(dòng)面上的土體抗剪強(qiáng)度，見圖6。

圖6 基坑滑動(dòng)計(jì)算圖式（單位：cm）

滑動(dòng)面AB、BC、CE各段的抗剪強(qiáng)度分別為：

將滑動(dòng)力與抗滑力分別對圓心取矩，得

抗隆起安全系數(shù)KS＝Mr/MS＝2.91>1.4；

基坑抗隆起穩(wěn)定滿足要求。

4.8 基底抗?jié)B穩(wěn)定驗(yàn)算

根據(jù)地質(zhì)資料，連續(xù)墻深度范圍內(nèi)無承壓水層，抗?jié)B穩(wěn)定可按下式計(jì)算：

抗?jié)B穩(wěn)定滿足要求。

4.9 基坑整體穩(wěn)定驗(yàn)算

基坑整體穩(wěn)定采用簡化的圓弧條分法計(jì)算，基坑整體穩(wěn)定系數(shù)按下式計(jì)算：

式中：T1，T2——作用在地下連續(xù)墻上的錨桿水平力（kN）；

W1，W2——分別為滑動(dòng)中心垂面兩側(cè)的滑動(dòng)土體重力（kN）；

N1，N2——分別為W1，W2在滑動(dòng)面上的法向分力（kN）；

r1，r2——分別為滑動(dòng)土體重力W1，W2作用線至滑動(dòng)中心垂面的距離（m）；

c，ψ——分別為土體的粘聚力（kPa）和內(nèi)摩擦角(°)；

L，R——分別為滑動(dòng)面的弧長和半徑（m）。

計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 基坑整體穩(wěn)定計(jì)算數(shù)據(jù)

整體穩(wěn)定系數(shù)均大于1.2，整體穩(wěn)定滿足要求。

通過充分計(jì)算和分析論證，東部過境高速與東部供水共線段路基采用多層錨桿支護(hù)的地下連續(xù)墻方案能確保東部過境高速施工期間、運(yùn)營期不對現(xiàn)狀供水箱涵產(chǎn)生不利影響，而且能確保供水箱涵維修開挖對東部過境高速運(yùn)營不產(chǎn)生影響。

5 結(jié)語

本文通過工程實(shí)例，對采用排樁支護(hù)的鋼筋混凝土擋墻方案和采用多層錨桿支護(hù)的地下連續(xù)墻方案進(jìn)行分析和比較，并對采用多層錨桿支護(hù)的地下連續(xù)墻方案就行了詳細(xì)計(jì)算，可以為工程實(shí)際中選用支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)作參考。

[1]JTG D63-2007,公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2007.

[2]趙明華.土力學(xué)與基礎(chǔ)工程（第3版）[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2008.

[3]程良奎,李象范.巖土錨固·土釘·噴射混凝土—原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[4]DBJ/T15-20-97,廣東省基坑支護(hù)工程技術(shù)規(guī)程[S].廣州:廣東省建設(shè)科技與標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì),1997.