城市地下通道防滲設計分析

張明，王國保

（1．南京市市政設計研究院有限責任公司合肥分公司，安徽 合肥 230601；2．安徽四建市政設計有限公司，安徽 合肥 230088）

1 引言

地下通道作為埋置于地面以下的結構物，不僅受到通道頂板以上覆土重力、側墻外土側壓力和水側壓力、底板下水浮力等永久作用，還受到人行荷載、汽車荷載及其引起的沖擊力側壓力和溫度變化等可變作用。

地下通道結構受力極其復雜，尤其是位于透水性巖土地層且地下水豐富的地段，地下水對通道的水側壓力、水浮力作用明顯，需準確計算、分析，確保結構安全、可靠，從而達到防滲目標。

2 地道滲水定性分析

2.1 施工原因

2．1．1 混凝土澆筑欠密實

滲水以局部點的形式出現，伴隨混凝土表面密集不規則裂紋或蜂窩、麻面。

施工時，混凝土澆筑振搗欠密實，內部存在連通孔隙，形成滲水通道，在外部較高的承壓地下水作用下，出現滲水現象。

2．1．2 施工縫處理不當

施工中斷時間超過混凝土初凝時間，繼續澆筑混凝土時，施工縫銜接面混凝土未鑿毛處理或鑿毛后未用水沖洗干凈，并且未鋪水泥砂漿墊層，直接澆筑混凝土，導致新、舊混凝土施工縫開裂，在外部承壓地下水作用下，出現滲水現象。

2．1．3 混凝土干縮、溫縮

混凝土的膠凝材料水泥在水化過程中產生大量的熱量，在混凝土構件內部與表面因散熱不均（同時，由于施工階段約束控制不當，構件自由變形受到限值）而產生溫度梯度應力，當應力超過混凝土抗拉強度時，構件會開裂、滲水。

大體積混凝土澆筑時，由于養護不到位，導致混凝土干縮，造成構件出現密集、網狀裂縫問題，在承壓地下水作用下，出現滲水現象。

2.2 設計原因

地道滲水的設計原因主要有結構型式設置不合理，地下水作用考慮不充分導致結構強度、安全度不足以及構造措施設計不當等。

3 地道滲水定量分析

筆者從事地下通道設計工作，通過工程實例，從分析地下水作用在結構效應組合中的占比、影響程度，在結構理論受力計算基礎上剖析通道開裂、滲水的成因，指導設計，從而規避因工程設計產生的病害影響。

工程為江南某城市地下通道，采用普通鋼筋混凝土箱型框架結構，強度高、整體性好，適應于軟土地基。根據通行需要，箱體尺寸采用凈跨、凈高為2 孔5．0 m×3．5 m 的形式，箱體頂、底板厚度40 cm，立墻厚度采用40 cm（見圖1）。

圖1 地道斷面

箱體采用C40 混凝土，鋼筋采用HRB400 級鋼筋，直徑25、22、16、12。支架現澆施工，明挖擴大基礎。

3.1 結構作用組合效應、地下水作用的占比

3．1．1 設計依據、技術標準

《城市橋梁設計規范》（CJJ 11-2011）（2019 版）、《公路涵洞設計規范》（JTG/T 3365-02-2020）、《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）和《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）。

結構型式為鋼筋混凝土框架結構，設計時速為40 km/h，設計荷載為城—A級、公路—I級復核。

3．1．2 計算作用

3．1．2 ．1 永久作用（1．0 m 寬框架箱體單元）

結構自重、混凝土收縮、徐變由計算程序自動按規范計算。頂板以上填土自重（二恒）按最大填土h=1．8m 計算，其均布荷載按照40 kN/m計算。

①地下水壓力

框架通道采用明挖法施工，側墻背及基底均采用透水性良好的片碎石或砂礫石回填，空隙中存在自由的重力水，故采用水土分算原則分別計算土壓力和水壓力（偏安全考慮）。

其中，地下水壓力按靜水壓力計算，q水=10h水（依據地勘報告，地下水位距原地面以下0．5～1．0m，h水取地下水位至墻背各計算點、底板底緣計算點的高差），方向垂直作用于墻體。

②墻背土壓力

墻背土壓力按靜止土壓力計算，q土=（1-sinφ）γh，箱體墻背回填土采用碎石（或砂礫石），內摩擦角φ=35o，重度γ=20kN/m3（地下水位以下采用浮重度10 kN/m3），h 為路面至墻背任一計算點的高差，方向垂直作用于墻體。其中，車輛荷載引起墻背附加土壓力按等代均布土層厚度h0=q/γ=16/20=0．8m 計 算。最終墻背土壓力強度標準值qH=0．43γ（0．8+h）。

3．1．2 ．2可變作用

汽車荷載：城—A 級（公路-I 級復核），選取1 m 長度的框架箱體單元計算，承受一個車輛荷載共計550 kN 的系列軸載作用，可變荷載作用分項系數1．8，橫向分布系數1．0（偏安全）。通道填土厚度大于0．5 m，不考慮汽車沖擊力。

鑒于框架箱體頂板以上填土高度1．8 m，故不考慮非線性溫度梯度效應，只考慮整體升溫、降溫10 ℃效應（地下常年恒溫、溫差小）。

3．1．3 作用組合

標準值組合。進行構件的持久狀況應力計算時，作用（或荷載）取其標準值，汽車荷載應考慮沖擊系數；進行短暫狀況應力計算時，施工荷載除有特別規定之外均采用標準值，不考慮組合系數。

頻遇組合。永久作用標準值效應與可變作用頻遇值效應相組合，見《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）中的公式4．1．6-1。

基本組合。永久作用的設計值效應與可變作用設計值效應相組合，考慮結構重要性系數及各作用效應的分項系數，見《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）中的公式4．1．5-1。

3．1．4 施工工況模擬

主體箱式框架結構采用明挖基坑、支架現場澆筑施工，底板、立墻、頂板分次澆筑而成。考慮分段澆筑工況，底板、側墻及頂板分期澆筑，間隔15～30 天考慮混凝土收縮的影響。

3．1．5 計算模型

截取1．0 m 寬的單元箱體建立模型，結構計算采用橋梁博士V4．3 程序軟件。參考設計提供的施工工況，結構計算模型如圖2所示。

圖2 地道結構計算模型

3．1．5 ．1結構離散圖

框架箱體底板位于地基土持力層，故箱體結構邊界約束模擬成地基土彈性支撐，在填土壓力、地下水側壓力、浮力和土側壓力作用下計算模型離散圖，如圖3所示。

圖3 結構離散圖

3．1．5 ．2計算工況

框架箱體結構的最不利承載工況為箱體內無通行荷載，箱體外四周承受土、水壓力及其它恒、活載。

地基持力層最不利受力工況為箱體內滿布行人、頂板滿布行人或車輛荷載，驗算地基承載力。

3．1．6 結構作用效應

根據《公路涵洞設計規范》（JTG/T 3365-02-2020）第9．3．4 條規定，“框架箱型結構物頂、底板按鋼筋混凝土受彎構件受力模式計算”，永久、可變等各項作用標準組合下箱體四壁各點截面計算效應如圖4、圖5所示。

圖4 彎矩包絡圖（組合作用，單位：kN·m）

圖5 剪力包絡圖（組合作用，單位：kN）

地下水作用引起的效應如圖6、圖7所示。

圖6 彎矩內力圖（地下水作用，單位：kN·m）

圖7 剪力內力圖（地下水作用，單位：kN）

3．1．7 地下水作用的占比及影響

通過數值計算、分析，地下水壓力引起作用效應因不同內力、不同部位，對應的占比也各不相同。其中，頂板彎矩效應占比很小，可忽略不計；底板拐角區彎矩效應占比56．1/161=34．8%，超過1/3；外墻腳區的彎矩占比36．6/111=33．0%，約占1/3。底板拐角區剪力效應占比47．4/288=16．5%；外墻腳區的剪力占比80．1/132=60．6%，約占3/5。

地道覆土厚度1．8 m、埋置深度6．1 m，屬于淺埋地道，但因地下水豐富、水位處于較高地段、其對結構物某些部位的作用效應占比1/3 及以上，成為主要作用。

隨著埋深的增加，地下水作用效應占比進一步增大，成為地道結構設計的控制作用，大于重力恒載、汽車活載等作用。

故查明地下水分布、水位高度、巖土層透水性等情況，準確計算地下水作用，才能提高結構物設計的安全性、可靠性。

3.2 結構強度、裂縫寬度及限值

3．2．1 結構強度驗算

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）第5．1．2條的規定，橋梁構件的承載能力極限狀態計算應滿足要求。

同時，結合《公路涵洞設計規范》(JTG/T 3365-02—2020)要求，框架涵箱體頂、底板按鋼筋混凝土受彎構件受力，其作用效應（內力）不大于正截面抗彎承載力（抗力），即γ0S ≤R，滿足規范要求。詳見圖8、圖9（藍色線為彎矩內力圖，灰色線為抗力圖）。

圖8 截面最大彎矩、抗力圖

圖9 截面最小彎矩、抗力圖

3．2．2 結構抗裂驗算

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）第6．4．1 條規定，“鋼筋混凝土構件和B類預應力混凝土構件，在正常使用極限狀態下的裂縫寬度應按作用頻遇組合并考慮長期效應影響進行計算，并且鋼筋混凝土構件的裂縫寬度在I、II 類環境不大于0．2 mm。”

圖10 為作用效應組合下地道箱體四壁混凝土截面內、外側裂縫寬度圖，從圖中可見，頂板上緣（外側）最大裂縫寬度0．17 mm，下緣（內側）跨中處最大縫寬0．12 mm；墻壁外側最大縫寬0．10 mm；底板下緣（外側）最大縫寬0．12 mm，上緣（內側）最大縫寬0．07 mm，均滿足裂縫寬度限值0．20 mm要求。

圖10 箱體四壁內、外側裂縫寬度圖（單位：mm）

3．2．3 結構裂縫寬度的限值

由于混凝土抗拉強度低，規范規定普通鋼筋混凝土結構在荷載作用下允許開裂，小于裂縫限值即可。

按照常規設計，上述地道強度、裂縫寬度指標滿足結構安全、耐久設計原則。2 孔5．0 m×3．5 m 凈空設置滿足適用原則；截面尺寸選擇、鋼筋配置等滿足規范構造要求，且指標經濟、合理。

綜上所述，設計滿足要求，可以交付實施。

但通過對大量既有地道調查，尤其是埋置深、地下水豐富的地道，因高承壓地下水作用效應明顯，筆者發現相當一部分地道頂板和墻壁內側開裂、滲水明顯，嚴重影響結構耐久性。

地下通道為永久結構，設計使用年限較長，一般為50～100 年，故筆者建議將特定環境（埋置深、地下水豐富的I 和II 內環境）的地下結構物裂縫寬度限值提高一個等級，即0．10～0．15mm，杜絕因設計標準低、裂縫寬度大而滲水。

4 地道防滲水措施

4.1 施工措施

混凝土澆筑欠密實、施工縫處理不當、混凝土干縮、溫縮等施工原因造成地道開裂、滲水，可通過完善施工組織、加強施工工藝避免。

4.2 設計措施

4．2．1 提高設計標準

通過對地道框架箱型結構的定量數值計算分析發現，精準化地質勘察，查明地下水分布、水位高度、巖土層透水性等情況，準確計算地下水作用效應，控制其產生的不利影響。同時，提高普通鋼筋混凝土結構物裂縫限值要求，提高設計標準，減小滲水概率，增加其安全性、耐久性。

4．2．2 改進結構型式

市政常規地道結構型式一般采用箱型框架結構，造型簡明、施工簡單、開挖量小。框架結構是由水平向板梁、豎向立柱固結而成，屬超靜定結構。頂、底板為受彎構件，因跨度小，一般采用普通鋼筋混凝土材料，按結構受力原理，不可避免會產生裂紋，存在滲水隱患。

公路隧道內輪廓采用三心圓結構，即拱部、邊墻和仰拱均采用圓曲線形，相互順接圍合而成地下空間（圖11）。

圖11 三心圓斷面型式

與上述工程實例箱型框架結構地道相同的埋置深度、凈空尺寸、地下水分布及水位高度等情況下，通過數值計算、分析，其結構各截面裂縫寬度如圖12 所示。

圖12 四壁截面裂縫寬度（單位：mm）

在圍巖（土）壓力（永久、可變系列作用）作用下，三心圓斷面形式結構各部位均處于小偏壓狀態。同為普通鋼筋混凝土材料，同樣截面尺寸、同樣配筋，裂縫寬度大大減小（最大0．06 mm），遠小于規范0．20 mm 的限值，從結構上避免滲水隱患的出現。

埋置較深且在地下水豐富地段的工程，市政地道可以參考公路隧道結構斷面型式，根本上杜絕滲水風險。

4．2．3 完善構造措施

4．2．3 ．1結構“三縫”

在已建和在建的地道施工中，發現三縫（施工縫、沉降縫、伸縮縫）的施工質量很難控制，導致很多地道因三縫而出現滲水現象，這屬于施工質量問題。除了施工縫可以通過完善施工組織、加強施工工藝的方法之外，其它兩縫可通過改進結構設計、減少數量或直接取消，從源頭解決滲水。

伸縮縫：地道埋置于地下，覆土厚度50 cm 以上，故通道內常年恒溫、溫差小，結構漲縮量也小。經計算，100 m 長地道的溫度伸縮量不大于1 cm。所以，除特長地道外，一般地道可以不設伸縮縫，結合布置形式，僅在兩端地道口與U型道口（車行）或梯道口（人行）銜接處設置伸縮縫即可。

沉降縫：地道橫斷面采用鋼筋混凝土箱型框架形式，按空間受力結構設計，位于彈性地基巖土層，地道縱向（長度方向）為彈性支撐的連續梁（地系梁）結構，強度、剛度、開裂縫隙寬度等在精細化計算、分析和高標準設計條件下，結構完全滿足安全、耐久及適用等要求。除沿地道長度方向地基巖土層明顯變化外，地道無需設置沉降縫。

4．2．3 ．2結構防、排水

地下水豐富地段，埋置其中的地道常年受高承壓水的作用，既增加了結構負荷，又加大了滲水隱患。

地道箱體外側回填土采用透水性材料，外壁與巖土間設置防、排水設施，將地下水通過橫向排水管引到路面下的側式暗溝，最后排到市政地下排水系統中。不僅增加了箱體混凝土抗滲能力，同時降低地下水位，減小其不利影響。防、排水如圖13所示。

圖13 結構防、排水示意圖

5 結語

筆者參與多條公路隧道設計工作，上述結構型式、系列構造措施（尤其防、排水措施）均運用于隧道常規設計。

除三心圓結構型式外，筆者曾嘗試把其它設計措施用之于市政地下通道（相當于公路淺埋短隧道），防滲效果良好，值得借鑒。