U型槽結(jié)構(gòu)在某下穿鐵路通道的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王亞坤

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津市 300142）

U型槽結(jié)構(gòu)在某下穿鐵路通道的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王亞坤

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津市 300142）

U型槽作為一種較新的結(jié)構(gòu)形式，廣泛應(yīng)用于城市地鐵、道路、鐵路、高速公路建設(shè)中，并收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。結(jié)合實(shí)際工程實(shí)例，對(duì)U型槽結(jié)構(gòu)防水抗?jié)B、抗浮設(shè)計(jì)、邊墻及底板受力進(jìn)行了分析和討論，針對(duì)工程的地質(zhì)、水文條件對(duì)封閉式U型槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法、要點(diǎn)及設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題進(jìn)行了探討，可為此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

U型槽；抗浮設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；防水設(shè)計(jì)

0 引言

近年來，中國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力飛速發(fā)展，城市規(guī)模也在逐漸擴(kuò)大，城市布局和規(guī)劃不斷優(yōu)化調(diào)整，早期建成的既有鐵路成為許多城市建設(shè)的影響和控制要素，為了保證城市的發(fā)展以及行車的舒適、安全，大量城市道路交叉處需要將早期的平交改為立交穿越既有鐵路，這些公鐵立交的興建，不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些公路以路塹下鉆的方式通過既有鐵路。當(dāng)下挖路塹沿線地下水水位較高，道路設(shè)計(jì)線低于地下水位，且周邊不能永久性降水時(shí)，通常需設(shè)封閉式路塹U型槽結(jié)構(gòu)。U型槽結(jié)構(gòu)具有剛度大、變形小、穩(wěn)定性好、收坡支擋防水效果優(yōu)良，可廣泛應(yīng)用于公路、鐵路下挖引道工程中[1-7]。

1 工程概況

某工程位于哈爾濱市濱江上行線鐵路與市區(qū)某道路交叉口處，現(xiàn)狀道路與既有鐵路平交，并且現(xiàn)場(chǎng)不具備道路上跨鐵路條件，道路需要以下穿方式通過既有鐵路。新建道路以U型槽加框構(gòu)形式下穿濱江上行線。工點(diǎn)范圍內(nèi)地下水為上層滯水及第四系孔隙水，主要靠大氣降水補(bǔ)給，并以地下徑流及蒸發(fā)方式排泄。上層滯水埋深3.2～4.5 m，分布不均，水位季節(jié)性變化幅度為1～2 m。

鉆探資料揭示該工點(diǎn)主要地層從上至下依次為：第四系全新統(tǒng)（Q4ml）人工填土，主要為路基填土，其下為第四系全新統(tǒng)沖積（Q4ml）粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂、中砂、粉質(zhì)黏土、粗礫砂等。

2 封閉式U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

式中：Fs為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，運(yùn)營(yíng)階段不小于1.0；∑Gk為結(jié)構(gòu)自重，kN；∑Gpk為底板上面層自重及交通荷載，kN；Ffk為結(jié)構(gòu)所受浮力（kN）,按式（2）計(jì)算；Pwy為U型槽處于承壓水層時(shí)所承受的承壓水層的水頭壓力，按式（3）計(jì)算；γw為水的重度，kN/m3；α為浮力折減系數(shù)；A為結(jié)構(gòu)在地下水位以下的面積（m2）；B為承壓水作用寬度。

根據(jù)以往設(shè)計(jì)工程經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目U型槽左右側(cè)邊墻頂寬均取0.5 m，邊墻外側(cè)墻面坡率 1∶0.15，內(nèi)側(cè)墻面坡率1∶0。采用這種隨深度增加而邊墻尺寸逐漸增大的邊墻形式，可以更好的適應(yīng)邊墻外土壓力和水壓力的作用。U槽底板采用矩形斷面，底板厚度依據(jù)不同挖深結(jié)合水位確定。本項(xiàng)目采用的U型槽斷面形式見圖1。

2.1 抗浮檢算

對(duì)于U型槽，抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算是十分必要的。由于U型槽一般作為永久工程，使用周期較長(zhǎng)，同時(shí)本項(xiàng)目在施工過程采用管井降水時(shí)施工階段地下水位低于基坑挖深0.5～1.0 m，因此本項(xiàng)目只對(duì)U型槽運(yùn)營(yíng)階段的抗浮穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。運(yùn)營(yíng)階段設(shè)計(jì)水位采用抗浮設(shè)計(jì)水位，抗浮荷載同時(shí)計(jì)入結(jié)構(gòu)自重、底板上面層自重以及交通荷載。采用的抗浮檢算公式如下：

圖1U型槽橫斷面設(shè)計(jì)圖

本項(xiàng)目以最大挖深的K0+740斷面作為典型斷面，經(jīng)過計(jì)算抗浮安全系數(shù)為：

故U型槽可以通過自重實(shí)現(xiàn)抗浮穩(wěn)定性要求，同時(shí)本項(xiàng)目對(duì)U型槽底板進(jìn)行換填處理，換填50 cm厚的碎石墊層。碎石墊層可以起到排水、消減水壓力以及提高地基承載力的作用。

2.2 邊墻設(shè)計(jì)

U型槽邊墻視為固定在底板的懸臂梁，主要受到邊墻自重及邊墻墻背水、土壓力。本項(xiàng)目中U型槽邊墻外回填碎石以減弱凍脹對(duì)邊墻主體結(jié)構(gòu)的影響，故對(duì)邊墻水土壓力采用分算法，同時(shí)考慮邊墻上護(hù)欄對(duì)邊墻的作用力，如果邊墻墻頂外存在輔道，則將輔道汽車荷載用均布土柱來代替。

按照以上荷載作用組合計(jì)算后得到邊墻各部分的最大剪力和彎矩，以此根據(jù)承載力極限狀態(tài)法按正截面受彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)邊墻配筋，同時(shí)由斜截面受剪承載力計(jì)算配置受剪鋼筋。另外鋼筋設(shè)計(jì)還要滿足正常使用極限狀態(tài)下裂縫寬度驗(yàn)算及相關(guān)構(gòu)造配筋要求。同時(shí)為了施工方便受力鋼筋間距必須滿足最小間距要求。經(jīng)過計(jì)算典型斷面處邊墻所受的最大剪力為251 kN,最大彎矩為493 kN/m2。邊墻縱橫向主筋采用20 mmHRB335鋼筋。

2.3 底板設(shè)計(jì)

U型槽底板可視為支撐于地基上的地基梁，按彈性地基梁進(jìn)行計(jì)算，作用在彈性梁上的荷載除了結(jié)構(gòu)自重、邊墻背側(cè)配重、地基反力、浮力外，還包括邊墻傳至底板的彎矩、剪力和豎向力以及行車荷載等，為了便于計(jì)算，將行車荷載按換算土柱考慮。結(jié)構(gòu)自重和邊墻背側(cè)配重根據(jù)U型槽結(jié)構(gòu)的斷面尺寸及材料容重計(jì)算，邊墻底部與底板相連接處視為剛性連接，邊墻底部截面的彎矩施加在邊墻與底板連接處，作為底板的集中彎矩考慮。本項(xiàng)目U型槽底板下?lián)Q填碎石，板與地基完全接觸，因此底板的計(jì)算可采用彈性地基梁中梁與地基共同作用。關(guān)于梁與地基共同作用中共有文克爾地基模型和郭氏表法，其中文克爾法適用于文克爾地基上的梁，可考慮不同的支撐條件：固定、鉸支和自由；可考慮集中力和分布力的共同作用；可計(jì)算不同支撐條件、不同荷載組合情況下的單跨和多跨地基梁；郭氏表法可計(jì)算單跨梁上的各種荷載，包括邊荷載，但查表有一定的限制范圍。因此本項(xiàng)目中底板計(jì)算采用文克爾法地基模型進(jìn)行計(jì)算分析，以K0+740斷面為例 ,計(jì)算底板的受力和彎矩見圖2。

圖2 彈性地基梁計(jì)算簡(jiǎn)圖

根據(jù)荷載組合求得的底板最大彎矩為319.5kN/m2，最大剪力為119.79 kN。底板縱橫向主筋采用φ18 mmHRB335鋼筋。為了保證U型槽結(jié)構(gòu)的正常使用和耐久性，除了按照計(jì)算的彎矩、剪力以及裂縫控制來設(shè)計(jì)主筋外，還需要在結(jié)構(gòu)中配置構(gòu)造鋼筋和分布鋼筋。根據(jù)本項(xiàng)目U型槽斷面形式及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果，邊墻和底板整體配筋見圖3。

圖3 U型槽鋼筋設(shè)計(jì)圖

3 U型槽防水設(shè)計(jì)

U型槽在運(yùn)營(yíng)期間長(zhǎng)期處于地下水位以下，為了保證主體結(jié)構(gòu)本身的耐久性和堅(jiān)固性，必須進(jìn)行防水設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)遵循"以防為主、剛?cè)峤Y(jié)合、多道防線、因地制宜、綜合治理"的原則。本項(xiàng)目所在地區(qū)地下水位較高、補(bǔ)給來源豐富、地層滲透系數(shù)較大，本工程采用如下防水方案：封閉式路塹U型槽主體結(jié)構(gòu)采用防水混凝土現(xiàn)澆，結(jié)構(gòu)迎水面設(shè)附加防水層全包防水，同時(shí)針對(duì)伸縮縫（沉降縫）、變形縫等部位進(jìn)行專項(xiàng)防水設(shè)計(jì)，并在結(jié)構(gòu)迎水側(cè)的縫外增設(shè)柔性加強(qiáng)層防水。

3.1 主體結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)

本工程中U型槽主體結(jié)構(gòu)防滲等級(jí)為二級(jí)，U型槽結(jié)構(gòu)底板和邊墻均采用C40防水鋼筋混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑，防水混凝土抗?jié)B等級(jí)為P8，采用的水泥強(qiáng)度等級(jí)不低于P.O 42.5級(jí)。迎水面以及背水面鋼筋混凝土保護(hù)層凈厚度不小于一定厚度，以減少混凝土裂縫。背水面鋼筋混凝土保護(hù)層凈厚度不小于50 mm。為了增強(qiáng)主體結(jié)構(gòu)的防水性能，U型槽主體結(jié)構(gòu)迎水面（包括底板及邊墻外側(cè)）均設(shè)附加防水層（全包防水層）。附加防水層采用自粘式高聚物改性瀝青防水卷材柔性防水層，單層卷材厚度不小于4 mm。采用的卷材應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)及材料招標(biāo)技術(shù)文件的有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 細(xì)部構(gòu)造防水設(shè)計(jì)

U型槽伸縮縫、變形縫等迎水面一側(cè)的縫外應(yīng)加強(qiáng)防水。加強(qiáng)層防水材料與外層全包防水層（即附加防水層）材料一致。加強(qiáng)層鋪設(shè)于伸縮縫（沉降縫）、變形縫等各縫的外側(cè)，全包防水層（即附加防水層）的內(nèi)側(cè)，并連續(xù)通鋪。其中點(diǎn)與相應(yīng)各縫的中點(diǎn)對(duì)齊。

U型槽防水混凝土應(yīng)連續(xù)澆筑，宜少留施工縫，水平施工縫不應(yīng)留在底板與邊墻的交接處，應(yīng)留在高出底板表面不小于300 mm的墻體上。垂直施工縫宜與變形縫設(shè)置在同一斷面。用于U型槽伸縮的變形縫應(yīng)滿足密封防水、適應(yīng)變形、施工方便等要求。每條變形縫位于邊墻和底板的位置應(yīng)連續(xù)、平順、不得有錯(cuò)位和偏移，結(jié)構(gòu)尺寸準(zhǔn)確。變形縫采用止水帶+防水材料+防水加強(qiáng)層。

U型槽后澆帶應(yīng)設(shè)在受力和變形較小的部位，其間距和位置按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求確定。施工時(shí)后澆帶部位和外貼式止水帶應(yīng)予以保護(hù)，嚴(yán)防落入雜物和損傷外貼式止水帶；同時(shí)后澆帶混凝土應(yīng)該保證足夠的養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

4 結(jié)語

目前全國(guó)各地平改立項(xiàng)目開展很多，U型槽結(jié)構(gòu)在下穿工程中應(yīng)用比較廣泛。本文通過哈爾濱市某下穿鐵路通道項(xiàng)目對(duì)U型槽的結(jié)構(gòu)、抗浮、防水設(shè)計(jì)等進(jìn)行了論述，并且提出了在U型槽設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的問題。

（1）U型槽的抗浮設(shè)計(jì)決定著U型槽主體結(jié)構(gòu)的尺寸，在抗浮設(shè)計(jì)中應(yīng)合理考慮各種荷載的綜合作用，另外在進(jìn)行浮力計(jì)算時(shí)，抗浮設(shè)計(jì)水位的確定至關(guān)重要，抗浮設(shè)計(jì)水位應(yīng)該根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)資料確定。

（2）U型槽設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)是計(jì)算模型的簡(jiǎn)化，目前將邊墻視為懸臂結(jié)構(gòu)，將底板視為地基梁，按照彈性理論對(duì)結(jié)構(gòu)主體進(jìn)行分析。

（3）在U型槽配筋過程中，對(duì)于結(jié)構(gòu)中容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的截面如邊墻底部、底板固結(jié)段根部截面以及跨中截面等應(yīng)加強(qiáng)配筋；另外U槽主體結(jié)構(gòu)除了應(yīng)該滿足受力配筋外，還應(yīng)配置必要的構(gòu)造鋼筋和分布鋼筋。

（4）U型槽防水設(shè)計(jì)應(yīng)以結(jié)構(gòu)自防水為根本，伸縮縫（沉降縫）、變形縫等接縫防水為重點(diǎn)，輔以附加防水層加強(qiáng)防水，并應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)情況、施工方法、結(jié)構(gòu)型式、防水標(biāo)準(zhǔn)和使用要求、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)綜合確定有效、可靠、操作方便的防水方案，確保混凝土、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性、抗裂性和耐久性。

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U443.5

B

1009-7716（2017）03-0124-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.034

2016-12-12

王亞坤（1988-），男，河南商丘人，工程師，從事道路勘察設(shè)計(jì)工作。