一級公路下穿U型槽設計探討

蔣正平

（中鐵上海設計院集團南通晟大有限公司，江蘇 南通 226000）

一、引言

本文結(jié)合南通市海門區(qū)某一級公路下穿U型槽設計工程，比選機動車道與非機動車道U型槽底板齊平與錯位方案，通過分析其受力及造價確定最終方案，相關(guān)經(jīng)驗可為同類型項目提供有效參考借鑒。

二、設計概況

南通市海門區(qū)某一級公路下穿U型槽設計工程起點為樁號k0+520，路線由西向東，項目終點樁號k1+380，路線全長0.86km，采用一級公路標準建設。

U型槽周邊環(huán)境簡單空曠，采用雙向六車道一級公路標準建設，設計時速60km/h，全長340m，全線采用明挖順做法，分離式結(jié)構(gòu)斷面。

隧道建筑機動車道凈寬12.75m，凈高4.5m；非機動車及人行通道凈寬6.5m，凈高2.5m；路面設計年限為15年，U型槽主體結(jié)構(gòu)設計使用年限為100年；結(jié)構(gòu)抗?jié)B等級為P8。

U槽橫斷面設計需綜合考慮建筑限界、設備安裝空間、裝修空間、施工誤差和結(jié)構(gòu)變形等因素。在滿足建筑限界的基礎(chǔ)上，機動車U槽左右兩側(cè)各增加15cm寬度作為裝修空間。

圖1 機動車道與非機動車道底板齊平

分離式U型槽結(jié)構(gòu)形式具體可分為兩種，第一種是機動車道與非機動車道U槽底板齊平的結(jié)構(gòu)形式，第二種是機動車道與非機動車道U槽底板錯位的結(jié)構(gòu)形式，橫斷面布置如圖1所示。

U型槽采用C40鋼筋混凝土，以最深處距離計算，底板厚1m，機動車道外側(cè)墻厚1m，非機動車道外側(cè)墻厚1m，機動車道內(nèi)側(cè)墻厚0.6m。

圖2 機動車道與非機動車道底板錯位

U型槽采用C40鋼筋混凝土，以最深處距離計算，機動車底板厚1m，非機動車道底板厚0.8m，機動車道內(nèi)外側(cè)墻厚1m，非機動車道外側(cè)墻厚0.6m。

非機動車、機動車縱斷面均采用V字坡設計，機動車進口坡率-3%，出口坡率3%，人非進口坡率-1.4%，出口坡率1.4%。

該項目U型槽主體結(jié)構(gòu)采用明挖法施工，基坑常規(guī)段采用“放坡+坡面防護”的圍護結(jié)構(gòu)形式，同時在基坑外側(cè)布置止水帷幕。

三、U型槽結(jié)構(gòu)計算

（一）結(jié)構(gòu)受力分析

結(jié)構(gòu)自重；側(cè)墻水土壓力；地面超載側(cè)壓力；底板水浮力；土重及鋪裝；不考慮汽車荷載；溫度考慮整體升溫35℃、整體降溫25℃。

（二）模型建立

該結(jié)構(gòu)采用MIDAS/Civil2021計算（選取1m計算）。

1.機動車道與非機動車道底板齊平狀況下的恒載

結(jié)構(gòu)自重按25kN/m3計算；

側(cè)墻水土壓力：土壓力系數(shù)取K0=0.65。

機動車道外側(cè)側(cè)墻底（按水土分算）：

水壓力：(4.42 +1.0-0.5)×10=49.2kPa；

土壓力：[(4.42+1.0)×(18.81-10)]×0.65=31.0 kPa；

圖3 機動車道與非機動車道底板齊平計算模型

非機動車及人行通道外側(cè)側(cè)墻底（按水土分算）：

水壓力：(5.62+1-1.7×10=49.2kPa；

土壓力：[(5.62+1.0-0.9)×(18.81-10)]×0.65=32.8kPa；

底板水浮力：(4.42+1.0-0.5)×10=49.2 kPa；

機動車道底板鋪裝：0.45×26+0.12×23=14.72kPa；

非機動車及人行通道底板填土及鋪裝：(2.624-0.75）×16+0.4×26+0.1×23=42.7kPa；

非機動車及人行通道側(cè)墻土壓力：0.5×16=8kPa；

2.機動車道與非機動車道底板齊平狀況下的活載

頂板活載標準值：按20kPa計算，機械荷載按10kPa計算；

底板活荷載取0kPa；

機動車道側(cè)墻活載標準值：qH=0.65×20=13kPa；

非機動車及人行通道側(cè)墻活載標準值：qH=0.65×30=19.5kPa；

溫度變化影響：取施工時溫度與最低和最高月平均氣溫之差。

圖4 承載能力極限狀態(tài)下彎矩設計值

彎矩最大值位于非機動車道下底板處，彎矩值為1160kN·m。

圖5 正常使用極限狀態(tài)彎矩設計值

彎矩最大值位于非機動車道下底板處，彎矩值為967kN·m。

圖6 機動車道與非機動車道底板錯位計算模型

3.機動車道與非機動車道底板錯位狀況下的恒載

結(jié)構(gòu)自重：按25kN/m3；

側(cè)墻水土壓力：土壓力系數(shù)取K0=0.65。

機動車道外側(cè)側(cè)墻底（按水土分算）：

水壓力：(5.58 +1.0-0.5)×10=60.8 kPa；

土壓力：[(5.58 +1.0)×(18.81-10)]×0.65=37.7 kPa；

機動車道內(nèi)側(cè)側(cè)墻底（按水土分算）：

水壓力：(5.58+1.0+0.5-0.5)×10=65.8kPa；

土壓力：[(5.58+1.0+0.5)×(18.81-10)]×0.65=40.5kPa；

非機動車及人行通道外側(cè)側(cè)墻底（按水土分算）：

水壓力：(4.324+1.0-1.7)×10=36.2kPa；

土壓力：[(4.324+1.0-0.9)×(18.81-10)]×0.65=25.3kPa；

機動車道底板水浮力：(5.58+1.0-0.5)×10=60.8 kPa；

非機動車及人行通道底板水浮力：(4.324+1.0-1.7) ×10=36.2 kPa；

底板鋪裝：0.5×26+0.12×23=15.76kPa；

4.機動車道與非機動車道底板錯位狀況下的活載

頂板活載標準值：按20kPa計，機械荷載按10kPa計；

底板活荷載取0kPa；

機動車道側(cè)墻活載標準值：qH=0.65×20=13kPa。

非機動車及人行通道側(cè)墻活載標準值：qH=0.65×30=19.5kPa；

溫度變化影響：取施工時溫度與最低和最高月平均氣溫之差。

圖7 承載能力極限狀態(tài)下彎矩設計值

彎矩最大值位于機動車道下底板處，彎矩值為1647kN·m。

圖8 正常使用極限狀態(tài)彎矩設計值

彎矩最大值位于機動車道下底板處，彎矩值為1354kN·m。

經(jīng)過計算表明，在同等埋深高度下，機動車道與非機動車道底板齊平受力更合理，彎矩值更小，鋼筋量及混凝土量更小，實際效果較底板錯位更經(jīng)濟合理。

四、結(jié)語

本文結(jié)合南通市海門區(qū)某一級公路下穿U型槽設計工程，通過比選機動車道與非機動車道U型槽底板平齊與錯位方案，分析兩種方案的受力及造價，最終確定底板齊平方案最佳，經(jīng)濟效益較合理。