預應力在城市下穿隧道設計中的應用

傅家鯤，鄧雪峰，李 敏

（1.成都市市政工程設計研究院，四川 成都 610023；2.成都建工第七建筑工程有限公司，四川 成都 610051）

0 引言

隨著城市規(guī)模的不斷擴大，社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，居民私家車保有量不斷增長，城市交通擁堵狀況日益嚴重。原有道路網(wǎng)絡已遠遠不能滿足居民交通出行的需求，城市交通設施面臨巨大的壓力[1]。為緩解交通壓力，改善交通狀況，各地均對現(xiàn)有城市道路進行擴能改造。而道路交叉口是既有道路網(wǎng)絡的重要節(jié)點，也是交通擁堵的重要瓶頸。

為了解決路口節(jié)點交通的擁堵問題，同時盡量避免對城市景觀產(chǎn)生影響，城市下穿隧道建設的數(shù)量越來越多[2]。因此合理擬定下穿隧道的結構形式，已成為工程方案設計中的重點和難點。

本文以成都市日月大道(成溫路)快速路改造工程——文家路下穿隧道工程為例，介紹了預應力在大斷面城市下穿隧道工程設計中的應用。

1 工程概況

日月大道（成溫路）為成都市規(guī)劃的“三環(huán)十六射”快速路網(wǎng)中的重要射線道路之一，是中心城區(qū)至溫江衛(wèi)星城交通廊道的重要組成部分，定位為具有快速通行能力的城市主干道。文家路下穿隧道位于日月大道與文家路交叉口節(jié)點，沿日月大道方向下穿文家路、蘇坡支渠河，呈西北-東南走向。下穿隧道按雙向8車道設計，其中最內側2個車道為公交專用道。

2 下穿隧道設計要點

2.1 主要技術標準

（1）道路等級：城市主干道。

（2）設計荷載：城 -A。

（3）交通等級：重型交通。

（4）設計車速：60 km/h。

（5）隧道凈空：不小于5.0 m。

（6）地震加速度值為0.10g，抗震設防烈度為7度，特征周期0.45 s，設計地震分組為第3組。

2.2 平面設計

下穿隧道沿日月大道方向呈“S”形曲線，由圓曲線與緩和曲線組成[3]。下穿隧道全長574.361 m，其中暗埋框架段長215 m，兩側U型槽段共長255 m，兩側擋墻段共長104.361 m。

2.3 縱斷面設計

縱斷面設計中主要考慮滿足路口處暗埋段長度、過路管線空間、車道凈空和盡量減小隧道坡長等因素，工程采用了最大允許值5%[4]。由于需要穿越蘇坡支渠河，暗埋框架段最大覆土厚度為5.1 m。

2.4 橫斷面設計

根據(jù)交通規(guī)劃，隧道為雙向8車道，暗埋段采用單箱雙室框架結構，結構頂板、底板和側墻厚度均為120 cm，中墻厚度為60 cm，如圖1所示。

3 結構處理方式

下穿隧道單孔跨徑大，最大埋深處頂板覆土較厚。為了減小頂板結構的厚度，改善結構受力，頂板采用了預應力結構。其余部分為了便于施工，均采用普通鋼筋混凝土結構。

圖1 框架斷面（單位：cm）

3.1 框架頂板預應力布置

頂板結構按預應力A類現(xiàn)澆構件設計，預應力鋼束采用1860級高強度低松弛鋼絞線，張拉控制應力為1 395 MPa。為了使結構應力在施工階段和營運階段都滿足規(guī)范[5]要求，每個橫斷面布置了3束11?s15.2鋼絞線，沿隧道縱向每隔50 cm布置1組，如圖2所示。

圖2 頂板預應力鋼束布置斷面圖（單位：cm）

3.2 框架頂板預應力錨固端處理

框架結構位于地底下，易受到地下水和土的腐蝕，因此封錨端的防腐蝕處理尤為重要。

為防止錨固端腐蝕，將錨固端混凝土保護層適當加厚，并在封錨前采用液態(tài)阻銹劑涂刷錨頭，封錨后混凝土表面做防水加強處理。

4 結構計算

4.1 計算模型

選取框架最大覆土厚度5.1 m處進行計算，活載作用等效為1 m覆土的重量。基坑底部位于地面以下13.35 m，基底位于中密卵石層上。地下水位在地面下2 m，整個框架結構都受到水壓力的作用。預應力在混凝土強度達到90%時進行張拉，張拉順序為N1→N2→N3。

計算模型采用梁單元模擬（見圖3），縱向取隧道1 m長度，橫向將框架結構進行離散。

圖3 Midas/Civil模型

4.2 頂板計算結果

頂板為預應力構件，應進行短暫狀況和持久狀況的應力驗算。

4.2.1 短暫狀況應力驗算

在頂板結構施工過程中截面邊緣混凝土法向應力如表1所示，表中應力正值代表拉應力，應力負值代表壓應力。

表1 截面邊緣混凝土法向應力驗算表

由表1可見,在整個施工過程中，混凝土截面最大壓應力為16.86 MPa，無拉應力出現(xiàn)，滿足規(guī)范[5]要求。

4.2.2 持久狀況使用階段的應力驗算

按標準值組合，使用階段持久狀況正截面混凝土上、下緣的法向壓應力包絡圖如圖4、圖5所示，計算結果如表2所示。表中應力正值代表拉應力，應力負值代表壓應力。

圖4 標準組合正截面混凝土上緣法向應力

圖5 標準組合正截面混凝土下緣法向應力

表2 標準組合正截面混凝土法向應力驗算表

由表2可見，混凝土正截面最大壓應力為15.30 MPa，小于規(guī)范[5]規(guī)定的 16.20 MPa，滿足要求。

標準組合斜截面混凝土主壓應力見圖6。

由圖6可知，斜截面混凝土最大主壓應力為15.30 MPa，小于規(guī)范[5]規(guī)定的 19.44 MPa，滿足要求。

圖6 標準組合斜截面混凝土主壓應力

4.2.3 持久狀況正常使用極限狀態(tài)正截面和斜截面抗裂驗算

按頻遇組合，使用階段持久狀況正截面混凝土上、下緣的法向拉應力包絡圖如圖7、圖8所示，計算結果如表3所示。表中應力正值代表拉應力，應力負值代表壓應力。

圖7 頻遇組合正截面混凝土上緣法向應力

圖8 頻遇組合正截面混凝土下緣法向應力

表3 頻遇組合正截面混凝土法向應力驗算表

由表3可見，混凝土正截面上下緣均受壓，無拉應力出現(xiàn)，滿足規(guī)范[5]要求。

頻遇組合斜截面混凝土主拉應力見圖9。

圖9 頻遇組合斜截面混凝土主拉應力

由圖9可知，斜截面混凝土最大主拉應力為0.35 MPa，小于規(guī)范[5]規(guī)定的 1.325 MPa，滿足要求。

4.3 底板和側墻計算結果

底板和側墻均為普通鋼筋混凝土結構，應進行正常使用極限狀態(tài)的裂縫寬度驗算。按頻遇組合并考慮長期效應的影響，結構彎矩、軸力如圖10、圖11所示，計算結果如表4所示。表4中同時列出了結構裂縫驗算值。

圖10 頻遇組合混凝土彎矩圖

圖11 頻遇組合混凝土軸力圖

表4 混凝土裂縫驗算表

由表4可見，結構裂縫寬度均小于0.2 mm，滿足規(guī)范[5]要求。其中受力較大處均配置了雙排鋼筋，鋼筋凈距按最小值30 mm且不小于鋼筋直徑進行控制，以保證混凝土的澆筑質量。

4.4 與普通鋼筋混凝土框架受力對比分析

在結構尺寸、受力狀況相同的條件下，將框架頂板改為普通鋼筋混凝土結構進行計算，并與框架頂板為預應力結構時的內力進行比較。彎矩、軸力變化如表5、表6所示。

表5 彎矩變化對比表

表6 軸力變化對比表

由表5、表6可見，當頂板采用預應力結構后，整個框架結構受力狀況得到了明顯改善。其中彎矩僅在底板和側墻的相交處增大，其余部位均為減小。軸力在頂板和底板處均大幅增加，側墻處軸力變化較小，軸力的增大對減小結構裂縫有利。

5 結語

隨著城市交通流量的日益增大，城市道路的寬度越來越大。為不影響城市景觀，道路交叉口利用下穿隧道的情況越來越多，對大斷面城市下穿隧道的需求量日益增大。本文重點研究了大斷面城市下穿隧道的設計技巧和計算分析思路，并論證了預應力在大斷面下穿隧道中使用的可行性和對結構受力的影響。