有軌電車跨越城市下穿隧道的設計方案研究

謝璞（廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司，廣東廣州510635）

有軌電車跨越城市下穿隧道的設計方案研究

謝璞（廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司，廣東廣州510635）

某有軌電車于道路交叉口斜交跨越城市下穿隧道，為保證隧道的結構安全和有軌電車的行車舒適，本文分別對路基方案、設支座橋梁方案和分離式橋梁方案進行了計算和分析，并對總體設計、結構設計、施工便利性和總投資等方面進行了方案對比論述，可供類似工程參考。

有軌電車；城市下穿隧道；跨越方案；方案比選

1 工程概述

某有軌電車工程寬度約8m，軌道結構厚50cm，需從城市下穿隧道（新建）封閉段（暗埋段）上方斜交穿越，該隧道暗埋段為雙孔箱型結構，單孔凈寬9.625m，結構總寬21.7m。電車所跨越的隧道節段為埋深最大的節段，覆土約為1.8m。平面位置關系圖如圖1所示。

圖1 平面位置關系圖（單位：m）

2 擬選方案

為保證隧道結構安全、滿足有軌電車的行車舒適性、且工程經濟性較優，提出路基方案、設支座橋梁方案和分離式橋梁方案進行比選，詳細如下：

2.1 路基方案（方案一）

有軌電車軌道結構與隧道頂板之間采用素混凝土層填充，如圖2所示。

圖2 路基方案

2.2 設支座橋梁方案（方案二）

軌道結構下設置板肋橋（跨徑布置：2×14m），板肋橋設支座支撐于隧道側墻，橋后設置搭板與路基過渡，如圖3所示。

2.3 分離式橋梁方案（方案三）

軌道結構下設置板肋橋（跨徑布置：2×14m），中墩穿過隧道中墻位置（墩柱截面寬度小于中墻，可被包裹其中但不與中墻直接接觸），并在隧道底板下方設置樁基、承臺。該有軌電車橋梁結構自成體系，梁底與隧道頂板頂留有空隙，荷載不傳給隧道，且墩柱不影響隧道建筑界限，橋后設置搭板與路基過渡，如圖4所示。

3 方案比選

3.1 結構受力分析

圖3 設支座橋梁方案（有軌電車路線前進方向）

圖4 分離式橋梁方案（有軌電車路線前進方向）

首先從隧道結構受力角度分析擬選方案的合理性。采用有限元軟件midas建立空間分析模型，隧道結構采用板單元，有軌電車的行車軌跡線采用無質量和剛度的虛擬梁單元模型，隧道底板按地質資料取土彈簧基床系數，分析恒載和有軌電車活載作用下的結構受力，計算模型如圖5所示。

圖5 結構受力分析計算模型

具體計算結果詳見表1。計算表明：

（1）方案二與方案一對比，由于隧道底地質存在差異，橋梁支座反力作用于側墻頂將產生不均勻沉降，從而隧道結構存在較大的活載彎矩。

（2）方案三與方案一對比，隧道底設置承臺，承臺位置的豎向支撐剛度遠大于周邊土體，從而承臺位置的地基反力明顯集中，隧道結構出現不利的“頂腰現象”，結構彎矩增加明顯。

（3）對于方案一，恒載和有軌電車活載引起的工后沉降較小，詳見本文第4節“路基方案地基變形計算”，細化過渡段設計后，對有軌電車的舒適性影響可以忽略。

綜上考慮，從隧道結構受力角度而言，推薦采用路基方案。

對于路基方案，分別將公路車輛荷載、城-A級車輛荷載、有軌電車荷載作用于下穿隧道結構，隧道頂板彎矩效應的對比表如表2所示。

由表2得，有軌電車采用路基方案通過不需要增加下穿隧道的結構尺寸和配筋。

表1 各擬選方案恒載和活載計算結果

表2 不同車輛荷載作用下的隧道頂板彎矩效應

3.2 方案比選

分別從總體設計、結構設計、施工便利性和總投資對擬選方案進行對比，分別論述如下：

3.2.1 總體設計

方案一和方案二在總體設計時，應注意將有軌電車的軌道位于下穿隧道的同一個節段，以避免節段間的不均勻沉降對有軌電車行車舒適性的影響。

方案三，注意將隧道泵房避開有軌電車橋梁的邊墩，在隧道基坑施工時需預留有軌電車橋梁邊墩的施工空間。

3.2.2 結構細部設計

方案一細部設計時需注意：①詳細考慮有軌電車路隧過渡段；②通行有軌電車的隧道節段較長，需適當加強隧道縱向配筋。

方案二細部設計時，需考慮方案一上述兩個注意事項，另外需注意：由于隧道底地質差異，電車橋梁的支座反力引起下穿隧道較大的不均勻沉降，需增加隧道結構的配筋。

方案三細部結構設計時，需注意：①下臥承臺造成隧道底的豎向支撐剛度突變，出現“頂腰現象”，需增加結構配筋。②應考慮隧道與電車橋梁在電車制動力、地震作用等水平作用下的相互作用影響，需做隔震措施。③隧道中墻需局部加厚。

3.2.3 施工便利性

方案一施工無交叉，施工便利、迅速。

方案二施工交叉較少，需注意設置電車橋垂直向的擋土塊及過渡段。

方案三，施工交叉較多，施工不便，主要體現在：①電車板肋橋的中墩樁基、承臺和墩柱應與隧道結構同步施工。②電車板肋橋的邊墩樁基需待隧道結構施工完成并回填壓實至路面頂標高后再行施工。③考慮電車板肋橋中墩承臺位置的局部開挖深度較大，需加強承臺開挖坑附近的隧道基坑支護措施。④電車板肋橋邊墩附近的隧道基坑支護鉆孔樁適當外移，為板肋橋的邊墩樁基施工騰出空間。

3.2.4 總投資

經初步核對，方案一的總投資最少，方案二較少，方案三最多。

4 路基方案的地基變形計算

4.1 計算假定

有軌電車跨越下穿隧道節段處存在礫質粘性土，該土層大于2mm的顆粒含量達31%，可認為該土層的滲透性較大，地基在恒載施加完畢時，其固結變形基本已經完成，可不考慮恒載引起的工后沉降。

恒載引起的附加應力等于恒載應力減去現狀自重應力（地下水位以下取現地面以下2m），本項目等于13.9kPa，偏安全不考慮應力擴散，由恒載引起的隧道底板底面沉降：

參考《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）第5.3.3條及條文說明，對于中壓縮性土（壓縮性的判斷據該規范第4.2.6條），考慮工后沉降為總沉降的50%，即工后沉降為11.4mm。

綜上所述，認為恒載引起的工后沉降可忽略。

本次計算僅考慮有軌電車及平交口汽車通過隧道節段時，活載引起的地基變形。

4.2 計算模型

采用有限元軟件midas建立空間分析模型，隧道結構采用板單元，有軌電車及汽車車輛荷載的行車軌跡線采用無質量和剛度的虛擬梁單元模型，隧道底板按地質資料取土彈簧基床系數，分析活載作用下的地基變形。

模型中的計算荷載包括通過平交口隧道節段的兩組有軌電車車列和八組“城-A級”車列，對于“城-A級”車列考慮橫向車道折減系數ξ=0.5。

模型中的邊界條件按如下方式處理：隧道底板底面的豎向基床系數：對于薄壓縮層（壓縮層厚度H＜B/2，B為結構寬度），取基床系數k=ES/H，其中ES為地基壓縮模量，按詳勘取礫質粘性土的ES=4.9MPa，壓縮層厚度H按隧道節段底最大壓縮層厚度取H=8m。基床系數k=ES/H=4900kPa/8m=612.5kN/m3。

4.3 計算結論

計算結果顯示，隧道底板的活載位移效應標準值包絡如圖6所示，最大豎向位移為15.7mm。因此，有軌電車上跨城市下穿隧道采用路基方案滿足有軌電車的行車舒適性的要求。

圖6

5 結論

綜上所述，對于本工程，有軌電車上跨城市下穿隧道采用路基方案對隧道結構的受力影響最小，對有軌電車的舒適性影響可以忽略，施工便利且總體投資最少，最終施工實施方案采用了路基方案。

［1］中華人民共和國交通運輸部.《公路鋼筋混凝上及預應力混凝上橋涵設計規范》（JTGD62-2004）［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］中華人民共和國交通運輸部.《公路橋涵設計通用規范》（JTGD60 -2015）［S］.北京：人民交通出版社，2015.

［3］中華人民共和國住房和城鄉建設部.《城市橋梁設計規范》（CJJ11-2011）［S］.北京：中國建筑工業出版社，2011.

［4］土質學與土力學［J］.北京：人民交通出版社，1998.

［5］中華人民共和國住房和城鄉建設部.《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007-2011）［S］.北京：中國建筑工業出版社，2012.

所獲榮譽及獎勵：2014～2015年度廣東省優秀工程咨詢成果獎二等獎。

U455.4

A

2095-2066（2016）30-0168-02

2016-10-10

謝璞（1985-），男，江西萍鄉人，工程師、一級注冊結構工程師、注冊土木工程師（巖土），工學碩士，主要從事橋梁與隧道工程設計工作。