套加U型槽法在下穿式立交橋改造中的應用研究

李利軍　張國民　劉強　饒靜婷

摘 要：隨著我國交通基礎設施的快速發展，一些道路在平交口不可避免地以路塹下穿的方式通過地下水水位較高的地段，給鐵路和公路的行車安全帶了嚴重隱患。依托聊城市城區五環快車道工程，針對橋下積水問題，采用套加U型槽結構的方法對聊城市外環路下穿鐵路立交橋進行改造，成功防治了地下水。現場監測和數值模擬相結合，對施工和使用階段套加U型槽結構的力學性能進行了研究。

關鍵詞：套加U型槽法;防治地下水;現場監測;數值模擬

中圖分類號：U443.2? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）10-0152-03

隨著我國鐵路及公路等交通基礎設施的快速發展，為了節省占地，使得我國的大中小城市中建設了大量的下穿式立交橋（通道）[1-4]。由于這種設計使得橋下引道路面高程處在地下穩定水位線以下，對于防排地下水的方式，我國以前多半是采取埋設盲溝管、滲水管來匯集和排除地下水[5-8]。而該種防排水方式具有管道極易堵塞、長期抽取地下水影響地基穩定和水資源環境，道路水毀嚴重的缺點，給鐵路和公路的運輸安全帶來了嚴重隱患，連年翻修浪費了大量養護資金[9-10]。

套加U型槽是在既有橋（或涵）結構和兩側引道的基礎上，在擋土墻內側增加鋼筋混凝土兩垂直邊墻，在引道路槽底及橋下增加鋼筋混凝土底板共同組成U型的封閉結構，將地下水封閉在墻后及底板之下。它既不長時間抽取地下水又能確保路塹干燥穩定，且具有結構簡單，不封閉交通，造價低廉，施工方便等優點。并具有完善的排水設施（集水井、集水槽、通管路和泵站）來處理地表積水問題。

本項目依托聊城市城區五環快車道工程，樁號為西環K13+881～K14+286段的下穿鐵路立交橋，通過結構設計、理論論證、數值模擬和現場檢測驗證了該法在既有下穿立交橋（涵）地下水的防治中是有效可行的。

1套加U型槽結構

聊城西環路處于地下水豐富的平原地區，一些線路不可避免地以路塹下鉆的方式通過地下水水位較高的地段，甚至某些沿線下穿式立交橋涵常年積水問題非常嚴重，給鐵路運輸安全帶來了嚴重隱患，也給人們的出行、生產、生活帶來了極大的不便，甚至危及人民生命和財產安全。為了解決這一問題，對聊城市外環路下穿鐵路立交橋進行改造，采用套加U型槽結構的方法防治地下水。

聊城西外環路U型槽工程下穿京九鐵路，U型槽總長度405m，除下穿5座鐵路框架橋處為異形板塊外，一般板塊分段長度15 m，共分為26塊板塊;各板塊之間設2cm沉降縫和橡膠止水帶。U型槽全寬16m，底板厚度為0.7m，側墻高度為0.39～1.68m，側墻厚度為0.3m。采用C40抗滲砼。底板下層為15cm C20素混凝土+20cm碎石墊層;底板上層為15cm磨耗層+4cm改性瀝青混凝土。機動車道、非機動車道集水井設置在K14+159處，縱向長度為163cm，凈寬度為80cm;機動車道集水井采用直徑100cm圓管通向泵站，通過泵站將水排出。

2 套加U型槽計算理論

彈性地基梁主要研究地基土模型和模型求解。國內外對彈性地基梁都做了很多研究，理論也相對成熟。求解地基反力的模型有三種，包括反力直線分布地基模型、文克爾地基模型、無限彈性體地基模型[11-13]。

對于套加U型槽的底板，主要承受底板自重、水浮力、車輛等活載，以及兩側邊墻底端對其產生的彎矩。底板計算中，采用極限應力法，將底板假設為彈性地基上的基礎梁，按照文克勒假定進行計算[14-15]。對于套加U型槽的側墻，按懸臂梁考慮，主要受到側墻自重及側墻墻背水壓力。

3 套加U型槽現場監測

結合彈性地基梁理論，分析套加U型槽的作用機理，總結其結構的受力特性。應用現場試驗，通過在套加U型槽關鍵部位埋設傳感器，來監測其應力應變，從而監測其在最大水浮力及壓力作用下的受力狀況。通過限元軟件模擬套加U型槽在水浮力等荷載作用下的受力狀況。通過對實測數據和模擬數據進行對比分析，更好地了解分析驗證套加U型槽的受力狀況。

K14+120.3處U型槽段的的底板標高為整個U型槽結構的低處，該槽段長22m，緊鄰集水井，此處U型槽將受到最大的水浮力（水壓力）作用，因此選擇此槽段的跨中（11m）及1/4跨（5.5m）斷面埋設傳感器，埋設位置示意圖，見圖1～圖2所示。

每個斷面處即埋設鋼筋傳感器，同時也埋設混凝土應變傳感器，兩傳感器縱向間距30cm，主要是為了對監測的數據進行對比。同一斷面處混凝土應變傳感器7支，鋼筋應力傳感器6支，總計26支。底板傳感器均焊接或綁扎在頂層鋼筋上，側墻傳感器均焊接或綁扎在外層鋼筋上。

4套加U型槽仿真分析模型

套加U型槽的數值仿真分析采用midas FEA軟件，是一款土木領域的高端非線性和仿真分析軟件。此軟件可以考慮混凝土的收縮、徐變，可以考慮鋼筋和混凝土的相互關系及作用。

4.1 套加U型槽仿真分析模型

套加U型槽采用C40混凝土，HRB335鋼筋。主要考慮的荷載有結構自重、二期恒載、混凝土收縮徐變、水壓力（按最不利考慮，即按最高水位與槽側墻頂平齊，最低水位位于頂板以下）、溫度（變化范圍為35～-5℃）。根據U型槽實際寬度建模，縱向取1m的寬度。仿真模型如圖3所示。

4.2 套加U型槽結構受力及工作階段

仿真分析考慮了兩個工作階段：施工階段和使用階段。施工階段共計50天，包括套加U型槽底板鋼筋混凝土施工、兩側墻的施工及二期荷載的施工。使用階段計算考慮最不利水壓力。混凝土的收縮徐變均按實際混凝土澆筑時間考慮。

4.3 套加U型槽數值仿真結果

通過數值仿真分析，套加U型槽最不利受力發生在使用階段，使用階段的最不利受力匯總見表1。施工階段套加U型槽混凝土的應力、應變和位移以及鋼筋的應力均較小，這是因為U型槽尚未受到水浮力的作用，此階段承受的主要作用為混凝土的收縮和徐變。運營階段最不利水壓力作用下，套加U型槽整體橫向位移最大為2mm，豎向位移最大為1.2mm，位移相對于結構自身尺寸均較小。混凝土最大壓應變為-259με;混凝土最大壓應力-0.5 MPa，小于規范允許值-18.40 MPa;最大拉應力為0.79 MPa，小于規范允許值1.65 MPa;鋼筋最大壓應力為-49.6 MPa，小于規范允許值-280MPa。

結構在自重、二期恒載和最不利水壓力作用下，結構的裂縫寬度達到最大值0.05mm，發生在底板跨中頂面和側墻與底板交界處外側，如圖4所示。

通過對套加U型槽的受力分析，材料的應力、應變和裂縫寬度及變形均滿足規范要求。

5 套加U型槽數值仿真分析與實測結果對比

取跨中第5點（如圖3、4）的混凝土應變、鋼筋應力的實測值與仿真結果進行對比，對比結果如圖5所示。實測值和理論值都隨著時間的推移壓應力、應變在持續增大，二者變化趨勢一致，且二者數據吻合良好。實測結果進一步驗證了數值模擬的正確性。

6 結論

以聊城市城區五環快車道下穿鐵路立交橋改造工程為研究對象， 對采用套加U型槽結構的方法防治地下水進行了研究， 得出以下結論：

（1）套加U型槽施工階段和運營階段計算的材料應力、應變和裂縫寬度及變形均滿足規范要求，仿真分析結果驗證了結構設計的合理性。

（2） 套加U型槽混凝土應變和鋼筋應力實測值和理論值都隨著時間的推移在持續增大，二者變化趨勢一致，且二者數據吻合良好。實測結果進一步驗證了數值模擬的正確性。

（3）套加U型槽法能有效地防治下穿式立交橋地下水過高帶來的行車安全問題，項目建成多年來，未發生過橋下積水問題。

參考文獻：

[1]李蓬.高速公路新建工程下穿高鐵大橋安全影響評估及處置技術研究[D].鄭州大學碩士學位論文，2017.

[2] 費文燕.下穿立交引道中U型槽結構設計與分析[J]. 路基工程，2015 （5） ：149-152.

[3] 劉海濤，程曉明. U型槽結構抗浮樁設計計算方法探討[J].佳木斯大學學報（自然科學版），2017 （1） ：43-45.

[4] 胡康瓊.多年凍土區U型槽的水平凍脹特性試驗及理論研究[D].北京交通大學碩士學位論文，2017.

[5] 梁雄，周建庭，楊圣超.濕軟土基地段U型槽式結構應用技術[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2007 （6） ：55-59.

[6] 孫愛斌，吳連海.天津某封閉式路塹U型槽結構的設計與計算[J].鐵道工程學報，2006 （7） ：49-53.

[7] 丁兆峰，吳沛沛.U型槽結構設計與分析[J].鐵道工程學報，2009 （4） ：13-16.

[8] 謝松兵.地下水路塹加固設計及施工要點簡述[J]鐵道勘察，2009（ 3） ：30-32.

[9] 黃大維，周順華，宮全美，等.軟土地區地鐵不同結構間差異沉降特點分析[J]. 同濟大學學報（自然科學版），2013 （1） ：95-100.

[10] 李海光.新型支擋結構設計與工程實例[M].北京：人民交通出版社，2011.

[11] 孟美麗，高海彬.封閉式路塹U型槽結構的設計和計算[J].鐵道建筑，2011（8） ：81-83.

[12] 楊維加.彈性地基梁的三角級數解法[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[13] 李瀟，王宏志，李世萍，等. 解析型Winkler彈性地基梁單元構造[J].工程力學，2015 （3） ：66-72.

[14] 馬飛，艾智勇.考慮接觸摩擦效應時的彈性地基桿系有限元法[J]. 巖土力學，2012 （1） ：93-96.

[15] 馮又全，楊敏. 線性分布基床系數彈性地基梁有限單元法改進[J]. 巖土力學，2014 （10） ：3027-3034.