公路U形封闭式路堑优化设计方法探讨

李 虹

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

随着我国对公路、铁路投资力度的加大，交通网络日趋完善，网络交叉节点越来越多，一般采用上跨、平交和下穿3种方式。由于下穿方式具有保护环境、占用耕地少等优点，被逐步重视起来。其中，封闭式路堑作为下穿方式中的一种特殊形式，具有自身显著的特点:

(1)封闭式路堑一般设置在地下水埋深较浅或地下水露头的路段;

(2)封闭式路堑呈U形，边墙与底板直接相连;

(3)封闭式路堑一般与框构相接，共同形成下穿通道;

(4)封闭式路堑须具有很强的防水、排水功能;

(5)封闭式路堑须有配套的交通安全设施。

对于公路下穿式立交引道U形封闭式路堑结构设计，各大设计单位都积累了丰富的经验:一部分专家及高校学者对封闭式路堑的设计方法进行了论述分析，然而却没有一种公认的最优方法加以推广使用。目前，封闭式路堑设计存在的问题主要包括:

(1)工程造价高，为了保证工程的安全性，留有过大的安全储备，导致造价过高;

(2)计算和设计过程繁琐，直接导致设计周期过长;

(3)设计方法和计算模型的选择不够灵活，不分地质差别使用统一的计算模型、选取同样的参数，导致设计不够合理;

(4)设计标准不统一，与低等级道路相交时，设计标准过高，而高等级公路下穿时，安全储备量不足;

(5)忽视附属设施设计，封闭式路堑设计精细程度，包括交通安全设施设计、路基、路面排水的衔接等问题处理不够。

因此，通过对封闭式路堑进行分级，从而选取合理的计算模型和设计参数，统一设计标准、完善细节设计，以达到保证工程安全、降低工程造价的目的。

1 封闭式路堑分级

由于不同等级的道路相交，其设计速度、安全要求等各不相同，因此可以针对不同道路交叉情况，规定封闭式路堑设计等级。

可按照安全、经济的原则，通过对不同等级的道(铁)路交叉进行分级，分级情况如表1所示。

表1 封闭式路堑分级

从表1可知，根据不同的道路交叉形式将封闭式路堑划分为两级，Ⅰ级封闭式路堑安全储备量较大，设计年限为50～60年，安全系数为1.1;Ⅱ级封闭式路堑安全储备量相对较小，设计年限为20～50年，安全系数为1.05。

2 封闭式路堑的结构优化设计方法

2.1 边墙优化设计方法

边墙的横断面形式一般可分为3种:梯形、矩形和阶梯形，其中梯形和矩形应用较多，梯形边墙应用最为广泛，根据边墙高度和地下水位的高低，边墙顶部宽度一般取0.5～1 m，边墙内侧直立，外侧坡率一般取1∶0.15～1∶0.2。一般适用于挖深较大或边墙受力较大的路段。

矩形边墙设计及施工简单，一般适用于挖深较小或边墙受力较小的路段。缺点是当挖深较大、受力较大时，上下端都采用较大的截面宽度，容易造成材料浪费，或者当线路平面布置该边墙位置宽度有限制而小于边墙受力所需要的截面宽度时，则无法采用。

阶梯形边墙虽然也节省材料，但是其截面宽度变化处直角的存在容易产生集中应力，在受力较大时容易断裂，因此此种形式的边墙应用较少。

作用在边墙上的荷载主要包括:墙背活载、土压力和水压力。因此边墙一般按受弯构件或偏心受压构件进行内力、变形及配筋计算。

(1)活载

边墙受力计算需要考虑墙顶外侧活载，如边墙外侧顶部有辅道时;墙顶外侧车辆荷载通常用一个均布荷载来代替，进行相应受力分析。

(2)墙背土压力和水压力

作用在边墙上的荷载，除了土压力外，还有地下水的水压力。边墙土压力和水压力是设计边墙、底板断面尺寸及验算其稳定性和强度的主要荷载。

①土压力

土压力主要分为静止土压力和主动土压力，由于边墙采用钢筋混凝土浇筑，刚度较大，产生的挠度较小，因此一般采用静止土压力，其计算公式

E=0.5γH2Km，其中，Km=mKa+(1-m)Ko，这里的m可以根据边墙侧向变形的容许情况取1～0，Ka、Ko分别为土压力系数、主动土压力系数和静止土压力系数，H为边墙高度。

②水压力

水压力的计算比较简单，受力方向单一，与墙背法线的方向一致，其计算公式

③水土分算和水土合算

The observables of the wide-and narrow-lane ambiguities are defined as follows,respectively:

为了方便说明，假设墙后填土与墙背间摩擦系数δ=0:采用水土分算，作用在边墙上的侧压力:E=Es+Et=0.5γsh2+0.5γtH2Km

采用水土合算，作用在边墙上的侧压力:E=Es+Et=(0.5γsh2+0.5γtH2)K

比较计算结果，其主要区别在于:采用水土合算时，需要乘以土压力系数K，因此水土分算的结果要大一些。

由此，对边墙的设计优化主要应解决水土合算和水土分算的问题，根据设计经验及上述理论分析得出边墙设计模型的选取方法，如表2所示。

表2 边墙设计模型的选取方法

2.2 底板优化设计方法

底板受地下水浮力、自重及上部车辆、边墙处侧向土压力及摩擦力，底板地基反力共同作用，受力和变形计算是十分复杂的，其计算设计方法也存在较大争议。一般情况下采用弹性地基梁法。

(1)计算模型的选取

表3 计算模型优化方法

(2)断面尺寸的选择

封闭式路堑横断面尺寸的选择，除要满足结构本身的受力要求外，还要考虑抗浮稳定性。封闭式路堑整体抗浮稳定检算时，浮力应进行适当折减，抗浮稳定系数

式中 Kf——抗浮稳定系数;

W——封闭式路堑的重力及其他抗浮力之和;

F——作用于封闭式路堑底板上的浮力;

B——浮力折减系数。

在满足承载力极限状态，正常使用极限状态和抗浮稳定的前提下，如何选取边墙的顶宽、背坡的坡率以及底板的厚度，使得边墙和底板的变形不致太大，且钢筋混凝土的配筋率达到最优，从而节省工程造价，需要反复计算，认真比较。

2.3 其他设施优化设计方法

在进行封闭式路堑设计时，应充分考虑交通安全设施和排水设施。交通安全设施可以通过设置护栏、限高、限速标志，限速标线以及物理设施来保证行车安全;而排水设计主要存在U形槽雨水汇流时间短，水量大，易造成积水等特点，因此其设计标准应较高，在设计时应考虑槽内地下水和雨水的收集排放，提高一个等级进行设计。

3 结论

本文通过对封闭式路堑进行分级，并合理选取设计参数，来达到降低工程造价、保证工程安全、优化设计方法的目的。

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