高水位下穿式立交引道方案选型及设计要点探讨

2014-01-08王康

城市道桥与防洪 2014年2期

王康

（新乡市市政设计研究院，河南新乡 453000）

0 引言

目前，在我国铁路与公路交叉处还存在着大量的平交道口，为保障交通运输安全，提高运输速度，这些平交道口需要改建成公铁立交桥。目前，我国的公铁立交桥主要有上跨式和下穿式两类，下穿式立交桥具有工期短、造价低、占地少、拆迁费用低、无污染等优点，在实际工程中被广泛采用[1]。

本文以河南省长垣县工业大道下穿新菏铁路立交引道工程为例，结合相关资料，对不同地质资料及地下水条件的地区进行不同的方案比较，并对一些技术设计要点进行归纳，从而对其他类似工程设计提供一定的借鉴。

1 工程概况及地质情况

该工程为河南省长垣县工业大道下穿新菏铁路立交引道工程，位于长垣县西北部。该工程引道长度约500 m，总宽30 m，埋深约8 m。该工程持力层主要为第四层和第五层。第四层地基承载力容许值为120 kPa，压缩模量为4.6 MPa；第五层地基承载力容许值为150 kPa，压缩模量为10.5 MPa。地下水位标高，勘察期为56.10～58.50 m(绝对标高)，最高水位为61.00 m（绝对标高）。

2 技术分析与方案选型

2.1 对地质资料的分析

（1）该工程地下水位较高，道路设计高程61.30 m（绝对标高），而地下水最高水位为61.00 m（绝对标高），几乎持平，虽然勘察期水位有所下降，但考虑年变幅等因素，仍需按照最高水位设计。

（2）该工程所在持力层地基承载力能够满足要求，但第四、五层压缩模量差别较大，设计计算过程中，在两层交接处的结构需认真比较考虑。

2.2 方案的比较与选型

下穿立交引道主要有两种设计方案：一是在下穿引道下面设置完善的地下排水系统，排除地下水以保证路基的干燥和强度；二是采用U型钢筋混凝土整体槽式结构，并利用橡胶止水带完全封闭地下水[1]。下面将从这两种思路入手，分别设计3种方案进行比较。

方案一：立交引道不封闭地下水，机非路面用挡墙隔开，利用地下盲沟排水。优点：一次性投资较少。缺点：（1）地下盲沟和渗管的设置比较复杂，排水材料必须具备良好的过滤、排水和防淤堵性能才能达到设计要求，且24 h不能停泵，维修频率较高，设备更换频率较高；（2）用电费用高；（3）路基长期浸泡在地下水中，影响道路使用寿命。

方案二：采用U型钢筋混凝土整体槽式结构（下简称U型槽）。与传统U型槽不同，由于该工程地下水位较高，必须将机动车道与非机动车道同时封闭，若采用整体U型槽需要设计抗拔桩才能满足抗浮设计。优点：（1）能从根本上解决立交引道抗浮问题；（2）后期维护费用少，只需汛期下大雨期间开泵，节省电力。缺点：（1）一次性投资高；（2）施工工艺复杂，工程量大，工期较长。

方案三：该工程地处城市主干路与铁路交叉口，交通位置重要，应尽量在设计中减少后期维修次数，避免影响使用，所以通过与业主沟通，我们采用了U型槽设计方案，考虑造价及施工周期等因素，我们对方案二进行了优化改进，采用分体式（结构图见图1）与局部整体式相结合的方案。

3 抗浮设计

图1 分体式引道结构图（单位：mm）

前文提到该工程地下水位较高，道路设计高程61.30 m（绝对标高），而地下水最高水位为61.00 m（绝对标高），几乎持平，虽然勘察期水位有所下降，但考虑年变幅等因素，仍需按照最高水位设计。通过前期方案设计计算，如果按照整体U型槽（机动车道与非机动车道不分离）抗浮验算，机动车道局部抗浮不满足，由于跨度很大，造成上部钢筋配筋量过大，整体造价通过估算非常巨大，采用抗拔桩可完全解决抗浮问题，但仍然存在施工及造价问题。

通过反复比对计算，最终确定采用机动车道与非机动车道分离，分别进行抗浮验算的方案。由计算结果可以得出，虽然机动车道需要增加一定量配重，但结构板厚度有效减小，配筋量大幅下降。同时由于不需要平衡机动车道的整体抗浮，非机动车道的施工开挖量减小，配筋及结构构件也显著优化。但由于靠近铁路处开挖深度受限，在靠近铁路附近仍采用整体U型槽。

4 引道结构设计

该工程引道结构由边墙和底板组成。侧墙根据不同工况分别进行土压力计算，同时满足抗弯和抗剪要求；底板采用弹性地基梁方法进行验算[3]，得到底板内力M、Q、P，按承载能力极限状态进行截面配筋，并验算其抗裂度及斜截面抗剪强度。

4.1 侧墙设计

考虑到施工过程及使用阶段墙体受力不同，我们对不同工况下墙体分别进行荷载整理和受力分析，对于最外侧挡墙分为“外侧填土完成内部无配重”及“正常使用状态”（简图见图2）；机动车道和非机动车道之间挡墙分为“机动车道无配重”及“正常使用状态”。分别计算完成后，将计算结果进行包络，得出最终配筋结果。

4.2 底板设计

底板采用弹性地基梁方法进行验算，设计过程中主要对地基土变形模量和荷载计算工况两个方面进行了研究和探讨，其他过程在本文不再涉及。

4.2.1 地基土变形模量的探讨

图2 外侧挡墙计算简图（单位：m）

以桩号K240处底板为例：根据地质报告，基底高程54.85基本为第5单元层土，该层土的压缩模量为E|hs|i=10.5 MPa，而弹性地基梁计算中梁的柔度系数t值与地基土的变形模量E有关，为此需计算本层土的变形模量，依陈希哲《土力学地基基础》第二版[4]第49、50页数据及公式知，粉土的泊松比 u=0.25。E=βE s，其中 β=1-[2u2/（1-u）]算出β=0.83，则变形模量 E=0.83×10.5=8.72 MPa。该工程地基受力承受大面积的均布荷载，且基础外侧有较厚填土或相临U型槽底板对本块底板地基产生一定约束隆起变形作用，根据文献[4]第44页，该地基似乎更接近有侧限压缩变形情况（与一般带地梁的条形基础不同），故其变形模量直接代入勘察报告给出的压缩模量似更合适。其实压缩模量与变形模量相差不太大，并且弹性地基梁公式本身也是经验公式认为无论用压缩模量还是变形模量作为公式中的“变形模量”，计算应该都在工程实践可接受范围之内。

4.2.2 荷载工况的选择

（1）靠近箱涵处整体式底板，分为如下7种工况。

工况1：使用期，无地下水，路面有车，弹性地基梁算基础底板。工况2：使用期，无地下水，路面无车。工况3：完建期，无水无车无配重无路面，无回填土，底板及墙体均建成。工况4：完建期，无水无车无配重无路面，有回填土，底板及墙体均建成。工况5：使用期，地下水高程61.0 m，机动车道路面无车，非机动车道有车。弹性地基梁算基础底板。工况6：使用期，地下水高程61.0 m，机、非车道路面均无车。工况7：使用期，地下水高程61.0 m，机、非车道路面均有车。

采用弹性地基梁方法对计算结果进行包络分析，得出工况1（计算简图见图3）底板下部弯矩最大，工况6底板上部弯矩最大。

（2）分体式底板。分别对机动车道和非机动车道进行如下两种工况的验算。

工况1：使用期，无地下水，路面有车。工况2：使用期，无地下水，路面无车。

计算过程同4.2.2-1类似，只是荷载类型不同。由于板厚随埋深渐变，配筋结果改变幅度不大。