大跨度地道结构设计中几个问题的探讨

马龙祥

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引 言

随着我国城市建设的发展，地下通道的建设规模越来越大，地下通道结构断面越来越大，特别是在匝道与主线相接位置、道路空间受限无法增加中隔墙等情况下，单孔大断面的地道结构不可避免。由于地下通道一般为框架结构，单孔跨径增加使得顶板跨中及支点位置弯矩增大，导致地下通道的顶底板厚度很大。以覆土2m为例，当地道单孔跨径达到20m左右时，在合理的配筋率下，地道顶板的厚度至少要达到1.5m才能满足要求。

地下通道的厚板设计带来一系列问题。由于厚板属于大体积混凝土，水化热问题非常突出，如不采用特殊施工工艺解决水化热问题，地道厚板的温度裂缝难以控制，不利于地道结构的耐久和防水。且地道厚板自重大，结构荷载的相当一部分来自自身重力，材料浪费严重。

针对上述问题，对于大跨径地道厚板，可采用带肋箱形顶板构造，带肋箱形顶板可以减小结构自身重量，充分利用材料的受力性能，减小混凝土水化热，是适用于大跨径地道结构的一种结构构造。下面将结合具体工程讨论这种结构设计中的几个问题。

1 工程概况

漳州市芝山南路跨江桥梁及连接线工程项目起点在规划姜园亭路与规划琥珀路交叉口，终点在现状瑞京路与芝山南路交叉口，线路全长约1 951.211m。为配合漳州市南山公园建设需要，在芝山南路与南山交界处需要建设一段地道，保证芝山南路两侧南山公园山体及慢行系统的连通，共长100m。

地道暗埋段采用单箱双室箱形结构，单室净跨19.55m，顶板覆土约2m。由于跨径较大，顶板采用带肋板结构形式（见图1）。

图1 地道总体布置示意图（单位：m）

2 顶板合理肋距分析

顶板的设计首先应满足顶板抗弯（正截面）和抗剪（斜截面）的受力要求，且顶板所有的剪力均由肋板承担，这就要求肋板的厚度不能太小，需要经过计算确定，这一点较容易解决。但如何确定翼缘厚度及肋板间距，下面将详细介绍。

顶板内设置肋板，做成空心箱形结构的主要目的是减小自重和减小水化热，故其顶板的上下翼缘板应做得尽量薄。根据《地下工程防水技术规范》（GB 50108—2008）[1]的要求，防水混凝土结构的结构厚度不应小于25 cm。考虑一部分安全余量，顶板的上下翼缘板可取30 cm（见图2）。

图2 地道顶板横剖面（单位：mm）

肋板间距及肋宽的确定应综合考虑以下几个因素：

（1）合理的肋距和肋宽应能使翼缘板充分参与顶板整体受力，即应能使翼缘板都在肋板作用的有效分布宽度范围内。

根据《混凝土结构设计规范（2015年版）》（GB 50010—2010）[2]翼缘的有效计算宽度可取b+12h'f，则肋板间的净距为12h'f。当翼缘厚度取30 cm时，肋板间净距取3.6m，可充分发挥翼缘板的作用。

（2）顶板上翼缘作为支承在肋板上的单向板，太大的肋间净距会使上翼缘与肋板垂直方向的弯矩过大，故肋间净距应能满足顶板上翼缘的受力要求。

由于肋板的刚度相对于上翼缘大得多，且考虑翼缘相对于肋板左右对称，故上翼缘的计算模型可以简化为固结在肋板上的单向板。取单位板宽计算，两端固结板的固端弯矩为ql2/12，跨中弯矩为ql2/24。取相对不利的固端弯矩考虑，若采用合理配筋，裂缝宽度控制在0.2 mm以内，则弯矩值不能大于45 kN·m。带入公式M=ql2/12中，覆土厚度取2m，由于人群活载占比较小，暂不考虑，得到净宽l=3.51m。

在该工程中，考虑一部分安全余量，肋板的净距可取3 m。单向板弯矩如图3所示（准永久组合），可以满足顶板承载力要求和裂缝宽度限制。

图3 地道顶板上翼缘弯矩图（单位：kN·m）

3 底板及基础形式探讨

由于底板不但要承受地道自身重力荷载，地道顶板及其上覆荷载也会传给底板，故一般情况下，地道底板的内力比地道顶板更大。但如果将底板也做成带肋结构，无疑会增加基坑开挖深度，增加地道的施工难度。针对这个问题，可以从两个方面解决：一是较大的基床系数（针对较硬的土层）可以改变地道底板的弯矩分布，使得底板弯矩较小；二是可以利用桩基础减小地道底板的跨径（针对较软的土层）。

3.1 地基基床系数对地道底板弯矩的影响

图4 基床系数为10 000 kN/m3的地道底板弯矩图（单位：kN·m）

图4 和图5分别为基床系数为10 000 kN/m3（对应软黏性土）和100 000 kN/m3（对应强风化花岗岩）时的底板弯矩图。从图中可以看出，当地基基床系数较小时，地道底板跨中的弯矩为2 290 kN·m；端部弯矩在边墙处为1 717 kN·m，中隔墙处未考虑削峰效应时为3 610 kN·m。当地基基床系数增加10倍，则地道跨中的弯矩减小至953 kN·m，减小58%，且跨中弯矩分布更加平均；端部弯矩在边墙处为828 kN·m，中隔墙处未考虑削峰效应时为2 377 kN·m，也有显著的减小。

图5 基床系数为100 000 kN/m3的地道底板弯矩图（单位：kN·m）

其主要原因是当地基土基床系数较大时，侧墙及中隔墙下地基的变形较小，顶板及顶板上覆荷载通过侧墙及中隔墙传至底板时，侧墙及中隔墙对应位置底板下的土体承担大部分荷载；而基床系数较小时，地基反力分布较均匀，底板跨中位置下土体承受更大的荷载，导致底板中部弯矩较大。

3.2 合理布置桩基础改善地道底板受力

如图6所示，考虑在地道底板下布置桩基础以减小底板的计算跨径，可以改善地道底板的受力。

图6 地道底板桩基布置示意图（单位：mm）

如图4、图7所示，当不设桩基时，地道底板跨中的弯矩为2 290 kN·m；中隔墙处未考虑削峰效应时为3 610 kN·m。当设置桩基时，则地道跨中的弯矩减小至689 kN·m，减小70%；中隔墙处未考虑削峰效应时为795 kN·m，也有显著的减小。

图7 地道底板弯矩图（设桩基础）（单位：kN·m）

4 结语

带肋箱形顶板可以减小结构自身重量，充分利用材料的受力性能，减小混凝土水化热，是适用于大跨径地道结构的一种结构构造。合理的肋距和肋宽应能使翼缘板充分参与顶板整体受力，即应能使翼缘板都在肋板作用的有效分布宽度范围内。顶板上翼缘作为支承在肋板上的单向板，太大的肋间净距会使上翼缘与肋板垂直方向的弯矩过大，故肋间净距应能满足顶板上翼缘的受力要求。当地道底板弯矩较大时，可以从两个方面减小底板弯矩：一是提高地基基床系数；二是考虑设计桩基础。该工程采用上述方式，较好地完成了地道结构设计，希望能为同类工程起到参考作用。