大跨度地道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中幾個(gè)問(wèn)題的探討

馬龍祥

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引 言

隨著我國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展，地下通道的建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，地下通道結(jié)構(gòu)斷面越來(lái)越大，特別是在匝道與主線相接位置、道路空間受限無(wú)法增加中隔墻等情況下，單孔大斷面的地道結(jié)構(gòu)不可避免。由于地下通道一般為框架結(jié)構(gòu)，單孔跨徑增加使得頂板跨中及支點(diǎn)位置彎矩增大，導(dǎo)致地下通道的頂?shù)装搴穸群艽蟆Ｒ愿餐?m為例，當(dāng)?shù)氐绬慰卓鐝竭_(dá)到20m左右時(shí)，在合理的配筋率下，地道頂板的厚度至少要達(dá)到1.5m才能滿足要求。

地下通道的厚板設(shè)計(jì)帶來(lái)一系列問(wèn)題。由于厚板屬于大體積混凝土，水化熱問(wèn)題非常突出，如不采用特殊施工工藝解決水化熱問(wèn)題，地道厚板的溫度裂縫難以控制，不利于地道結(jié)構(gòu)的耐久和防水。且地道厚板自重大，結(jié)構(gòu)荷載的相當(dāng)一部分來(lái)自自身重力，材料浪費(fèi)嚴(yán)重。

針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)于大跨徑地道厚板，可采用帶肋箱形頂板構(gòu)造，帶肋箱形頂板可以減小結(jié)構(gòu)自身重量，充分利用材料的受力性能，減小混凝土水化熱，是適用于大跨徑地道結(jié)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)構(gòu)造。下面將結(jié)合具體工程討論這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題。

1 工程概況

漳州市芝山南路跨江橋梁及連接線工程項(xiàng)目起點(diǎn)在規(guī)劃姜園亭路與規(guī)劃琥珀路交叉口，終點(diǎn)在現(xiàn)狀瑞京路與芝山南路交叉口，線路全長(zhǎng)約1 951.211m。為配合漳州市南山公園建設(shè)需要，在芝山南路與南山交界處需要建設(shè)一段地道，保證芝山南路兩側(cè)南山公園山體及慢行系統(tǒng)的連通，共長(zhǎng)100m。

地道暗埋段采用單箱雙室箱形結(jié)構(gòu)，單室凈跨19.55m，頂板覆土約2m。由于跨徑較大，頂板采用帶肋板結(jié)構(gòu)形式（見(jiàn)圖1）。

圖1 地道總體布置示意圖（單位：m）

2 頂板合理肋距分析

頂板的設(shè)計(jì)首先應(yīng)滿足頂板抗彎（正截面）和抗剪（斜截面）的受力要求，且頂板所有的剪力均由肋板承擔(dān)，這就要求肋板的厚度不能太小，需要經(jīng)過(guò)計(jì)算確定，這一點(diǎn)較容易解決。但如何確定翼緣厚度及肋板間距，下面將詳細(xì)介紹。

頂板內(nèi)設(shè)置肋板，做成空心箱形結(jié)構(gòu)的主要目的是減小自重和減小水化熱，故其頂板的上下翼緣板應(yīng)做得盡量薄。根據(jù)《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》（GB 50108—2008）[1]的要求，防水混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)厚度不應(yīng)小于25 cm。考慮一部分安全余量，頂板的上下翼緣板可取30 cm（見(jiàn)圖2）。

圖2 地道頂板橫剖面（單位：mm）

肋板間距及肋寬的確定應(yīng)綜合考慮以下幾個(gè)因素：

（1）合理的肋距和肋寬應(yīng)能使翼緣板充分參與頂板整體受力，即應(yīng)能使翼緣板都在肋板作用的有效分布寬度范圍內(nèi)。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（2015年版）》（GB 50010—2010）[2]翼緣的有效計(jì)算寬度可取b+12h'f，則肋板間的凈距為12h'f。當(dāng)翼緣厚度取30 cm時(shí)，肋板間凈距取3.6m，可充分發(fā)揮翼緣板的作用。

（2）頂板上翼緣作為支承在肋板上的單向板，太大的肋間凈距會(huì)使上翼緣與肋板垂直方向的彎矩過(guò)大，故肋間凈距應(yīng)能滿足頂板上翼緣的受力要求。

由于肋板的剛度相對(duì)于上翼緣大得多，且考慮翼緣相對(duì)于肋板左右對(duì)稱，故上翼緣的計(jì)算模型可以簡(jiǎn)化為固結(jié)在肋板上的單向板。取單位板寬計(jì)算，兩端固結(jié)板的固端彎矩為ql2/12，跨中彎矩為ql2/24。取相對(duì)不利的固端彎矩考慮，若采用合理配筋，裂縫寬度控制在0.2 mm以內(nèi)，則彎矩值不能大于45 kN·m。帶入公式M=ql2/12中，覆土厚度取2m，由于人群活載占比較小，暫不考慮，得到凈寬l=3.51m。

在該工程中，考慮一部分安全余量，肋板的凈距可取3 m。單向板彎矩如圖3所示（準(zhǔn)永久組合），可以滿足頂板承載力要求和裂縫寬度限制。

圖3 地道頂板上翼緣彎矩圖（單位：kN·m）

3 底板及基礎(chǔ)形式探討

由于底板不但要承受地道自身重力荷載，地道頂板及其上覆荷載也會(huì)傳給底板，故一般情況下，地道底板的內(nèi)力比地道頂板更大。但如果將底板也做成帶肋結(jié)構(gòu)，無(wú)疑會(huì)增加基坑開(kāi)挖深度，增加地道的施工難度。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，可以從兩個(gè)方面解決：一是較大的基床系數(shù)（針對(duì)較硬的土層）可以改變地道底板的彎矩分布，使得底板彎矩較小；二是可以利用樁基礎(chǔ)減小地道底板的跨徑（針對(duì)較軟的土層）。

3.1 地基基床系數(shù)對(duì)地道底板彎矩的影響

圖4 基床系數(shù)為10 000 kN/m3的地道底板彎矩圖（單位：kN·m）

圖4 和圖5分別為基床系數(shù)為10 000 kN/m3（對(duì)應(yīng)軟黏性土）和100 000 kN/m3（對(duì)應(yīng)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖）時(shí)的底板彎矩圖。從圖中可以看出，當(dāng)?shù)鼗蚕禂?shù)較小時(shí)，地道底板跨中的彎矩為2 290 kN·m；端部彎矩在邊墻處為1 717 kN·m，中隔墻處未考慮削峰效應(yīng)時(shí)為3 610 kN·m。當(dāng)?shù)鼗蚕禂?shù)增加10倍，則地道跨中的彎矩減小至953 kN·m，減小58%，且跨中彎矩分布更加平均；端部彎矩在邊墻處為828 kN·m，中隔墻處未考慮削峰效應(yīng)時(shí)為2 377 kN·m，也有顯著的減小。

圖5 基床系數(shù)為100 000 kN/m3的地道底板彎矩圖（單位：kN·m）

其主要原因是當(dāng)?shù)鼗粱蚕禂?shù)較大時(shí)，側(cè)墻及中隔墻下地基的變形較小，頂板及頂板上覆荷載通過(guò)側(cè)墻及中隔墻傳至底板時(shí)，側(cè)墻及中隔墻對(duì)應(yīng)位置底板下的土體承擔(dān)大部分荷載；而基床系數(shù)較小時(shí)，地基反力分布較均勻，底板跨中位置下土體承受更大的荷載，導(dǎo)致底板中部彎矩較大。

3.2 合理布置樁基礎(chǔ)改善地道底板受力

如圖6所示，考慮在地道底板下布置樁基礎(chǔ)以減小底板的計(jì)算跨徑，可以改善地道底板的受力。

圖6 地道底板樁基布置示意圖（單位：mm）

如圖4、圖7所示，當(dāng)不設(shè)樁基時(shí)，地道底板跨中的彎矩為2 290 kN·m；中隔墻處未考慮削峰效應(yīng)時(shí)為3 610 kN·m。當(dāng)設(shè)置樁基時(shí)，則地道跨中的彎矩減小至689 kN·m，減小70%；中隔墻處未考慮削峰效應(yīng)時(shí)為795 kN·m，也有顯著的減小。

圖7 地道底板彎矩圖（設(shè)樁基礎(chǔ)）（單位：kN·m）

4 結(jié)語(yǔ)

帶肋箱形頂板可以減小結(jié)構(gòu)自身重量，充分利用材料的受力性能，減小混凝土水化熱，是適用于大跨徑地道結(jié)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)構(gòu)造。合理的肋距和肋寬應(yīng)能使翼緣板充分參與頂板整體受力，即應(yīng)能使翼緣板都在肋板作用的有效分布寬度范圍內(nèi)。頂板上翼緣作為支承在肋板上的單向板，太大的肋間凈距會(huì)使上翼緣與肋板垂直方向的彎矩過(guò)大，故肋間凈距應(yīng)能滿足頂板上翼緣的受力要求。當(dāng)?shù)氐赖装鍙澗剌^大時(shí)，可以從兩個(gè)方面減小底板彎矩：一是提高地基基床系數(shù)；二是考慮設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)。該工程采用上述方式，較好地完成了地道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，希望能為同類工程起到參考作用。