浅析城市下沉式地道设计思路

2017-06-26李峻岭

城市道桥与防洪 2017年6期

关键词：抗浮锚杆结构设计

李峻岭

（广州特希达科技有限公司,广东广州510220）

浅析城市下沉式地道设计思路

李峻岭

（广州特希达科技有限公司,广东广州510220）

城市交叉口改造时上跨桥经常受到居民的反对，下沉式地道成为一种较好的选择，有关经验可供相关专业人员参考。

下沉式地道；基坑；排水；抗浮；结构

0 引言

随着中国的经济快速发展，城市中普遍出现着道路拥挤、车辆堵塞等现象，城市交通压力越来越大。为了解决城市交通问题，各城市均加强城市交通设施的基本建设，对交通节点进行改造。对道路交叉口改造一般采用上跨桥或下沉式地道的形式，由于上跨桥建成后影响周边地块的开发，越来越多的市民反对修建上跨桥，下沉式地道成为交叉口改造的热门选择。本文简单介绍下沉式地道的设计思路。

接到设计任务书后，首先收集设计基础资料，如地形图、管线布置图等，同时对场地周边的建、构筑物进行调查。调查场地区域内是否存在影响下沉式地道方案成立的因素，例如有些管线（如高压燃气管等）无法拆迁，同时也无法在施工中进行保护等；下穿地道是否穿越已建成桥梁，桥墩之间净空是否满足要求等[1]。

1 地道设计的原则

（1）贯彻执行国家的技术经济政策，按技术标准要求，使结构设计安全可靠、技术先进、经济合理、方便施工。

（2）地道作为公共交通运输系统的组成部分，结构设计以满足施工、使用、规划、防火、抗震、防水、通风等各方面的内容。遵循结构坚固、耐久、受力合理、施工安全快捷、造价适当的原则。

（3）根据地道所处位置的环境条件、工程技术要求与水文地质和道路状况，经技术、经济、工期、施工方式、环境影响和使用效果综合比较选定适当的结构形式、埋置深度和施工方案。

（4）结构设计以地质勘察资料为依据，按工程不同地段的不同结构型式、施工方法、使用条件及荷载特性等选择合理的设计方法分段设计。

（5）地道净高满足建筑、通风、设备、使用以及施工工艺等要求，并考虑施工误差、结构变形和后期沉降的影响。

（6）考虑减少施工中和建成后对环境造成的不利影响。

（7）结构使用年限100 a，安全等级为一级，按施工阶段和使用阶段，根据承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求，对结构进行强度、刚度和稳定性计算，并进行裂缝开展宽度验算。结构分析模拟实际施工过程，对结构在施工阶段、使用阶段可能出现的永久荷载、可变荷载、特殊荷载按最不利荷载组合进行分析计算。裂缝宽度允许值根据结构类型、使用要求、所处环境条件等因素确定。按荷载短期效应并考虑长期效应组合的影响验算最大裂缝宽度小于0.2 mm。

（8）结构抗浮按最高地下水位的全部水浮力设计，抗浮安全系数不小于1.05（不考虑侧壁摩阻力）。

（9）对于地道结构基底的软弱地基进行竖向承载力、地基变形和稳定性验算。

（10）根据周围环境条件、基坑开挖深度、支护结构功能等，确定基坑等级。根据基坑不同工程段的安全度要求，分段采用合理的支护体系。支护结构的设计按施工阶段最不利的荷载组合进行强度、变形及稳定性计算。基坑围护桩墙插入深度的确定必须满足桩墙的抗倾覆稳定和基坑整体稳定性及基坑底部土体的抗隆起和抗管涌稳定性计算要求。

（11）使用阶段钢筋混凝土结构根据防水抗渗的要求，进行防水抗渗设计。

2 地道设计要点

下沉式地道根据平面交叉需要和纵断面的设置，分为暗埋段和敞开段。根据受力的特点和施工的方法，设计中要考虑结构设计、基坑支护设计、基坑止水设计、抗浮设计、防水设计、泵房设计等。

2.1 地道结构设计

地道结构设计使用年限为100 a，结构安全等级为一级，考虑侧向土压力采用主动土压力公式计算；墙外水土压力施工阶段及运营阶段粘性土采用水土合算；地基基床系数按规范取值，结构计算时把暗埋段按框架结构计算，敞开段根据支撑方式按板结构进行计算；计算时考虑混凝土收缩应力、可变荷载地面超载等。

结构设计应充分考虑工程地质条件和各阶段应力变化的特点，满足强度、刚度、施工、稳定性、抗浮和耐久性等要求。结构设计时分别按施工阶段和正常使用阶段进行结构强度计算，并进行裂缝宽度控制计算。在各种荷载短期效应组合作用下，并考虑长期效应组合的影响，混凝土构件裂缝宽度不超过0.2mm。在地道底板伸缩缝处可设置抗剪措施（枕梁），防止缝两侧的结构发生竖向错动。

敞开段断面见图1，暗埋段断面见图2。

图1 敞开段断面

图2 暗埋段断面

2.2 基坑支护设计

根据工程所在地区地质资料、地下水位及基坑开挖深度，结合以往其它类似工程的工艺经验，在施工工艺上将放坡开挖（结合型钢简易支护）、灌注桩支护、SM W工法做深入比较，寻求更适合工程的施工工艺。

（1）基坑放坡开挖（结合型钢简易支护）：是基坑土方开挖常用的一种形式，其优点是施工方便、造价低，一般是适用于土质较好的地区。同时如采用放坡开挖方式时，除根据环境特征和各类工况进行土坡稳定性分析、计算外，还应采取有效的降排水或止水措施和安全防护措施，确保安全。但开挖深度较大时可能导致挡土结构侧向位移和及地表沉陷较为明显,对邻近无建筑物或建筑物对此要求不严格时可采用。不过特别注意的是地下水位较高或遇上雨水天气时，放坡开挖对于水的渗漏问题比较严重，使土体自重加大，加大了土体中的剪应力，有可能造成滑坡等问题，因此应该谨慎设计并相应采取构造措施（如在型钢支护外侧加打水泥搅拌桩止水帷幕）。对于本工程而言，开挖较浅的区段采取这种开挖方法，方便适用，较为经济。

（2）SM W工法：它是一种与土搅拌而成的墙，在混凝土凝固前向桩中插入型钢，从而使水泥土桩的抗压强度与弹性模量都大为提高，且待施工完毕后可将型钢拔出回收。其优点是造价低（深度3～6 m左右），按上海经验是一般地下连续墙的60%，此外还有抗渗性能好，对现场要求低，设备简单，无取土和泥浆管理问题，进度快，刚度大，环境污染小等优点，是一种极其有前途的新技术。对于工程单纯需要基坑支护的区段，无疑是较为经济适用的。SM W工法断面见图3。

图3 SMW工法断面

（3）灌注桩支护：一般在6～12 m的开挖深度才较为经济，灌注桩的施工工艺目前算是比较成熟，灌注桩结合水泥搅拌桩或高压旋喷桩的止水帷幕，很好的地解决了其自身抗渗性差，基坑局部渗水的缺点。下沉式地道一般建在城区内，基本上没有采用锚杆的条件，一般采用混凝土撑或钢支撑作为内撑。如基坑支护桩无采用内撑或锚杆的条件，可考虑采用双排支护桩。灌注桩支护断面见图4。

图4 灌注桩支护断面

2.3 基坑止水设计

当基坑开挖深度大于工程所在场地的地下水位高度时，如采用没有止水防渗功能的分离式柱列式排桩，需要考虑设置止水帷幕，止水帷幕的设置应形成闭合环形，且止水帷幕的深度应满足如下要求：

（1）当基坑内外存在水头差时，粉土和砂土应进行抗渗流稳定性验算，渗流的水力梯度不应超过临界水力梯度。

（2）当上部为不透水层，坑底下某深度处有承压水时，坑内土体应满足抗承压水突涌稳定性验算的要求。

2.4 抗浮设计

抗浮设计是指在下沉式地道埋深大的位置，须保证自重要大于水产生的浮力，下沉式地道不至于“漂”起来。一般情况下封闭箱体段自重可以满足抗浮的要求，不需要另设抗浮措施。敞开段结构整体抗浮问题是结构设计应重点考虑的问题，若单纯依靠结构自重来抵抗水浮力，则最深处敞开段结构底板厚度很大，显然很不经济，根据以往工程的成熟设计经验和施工工艺有两种形式。

（1）抗浮锚杆

底板采用锚杆抗浮，锚杆采用孔径φ180 mm，锚孔间距根据计算确定，一般横纵间距采用1.8～2.5 m。抗浮锚杆采用水力扩孔二次注浆工艺，第一次采用常压向孔内注入水泥砂浆，达到初凝时，第二次采用高压劈裂注浆，注浆材料为纯水泥浆。特点：配合复合地基处理使用。受荷时底板内力分配较均匀，挠度小，属于多点弹性支撑。抗浮锚杆断面见图5。