深埋地下环路结构方案对经济性的影响

2023-11-17胡潇帆

城市道桥与防洪 2023年10期

胡潇帆

[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

随着城市化进程发展速度和深度地逐渐提升，出现了城市发展所面临的一些普遍性问题，如人口密集集中于某一区域，使得行人有效活动空间减小；民用汽车数量激增，加剧了地面层的噪声污染和空气污染，这些都对城市形象带来了负面影响[1]。为了解决上述问题，诸多城市突破了仅在地面层进行城市空间规划的维度，在其核心开发区域进行大型地下空间的建设，通过地下环路将地上地下串联起来，形成多维度的城市交通网络[2]。地下环路作为城市地下空间核心区伴生的一种交通设施，实现了地下空间集约化利用以及将地下空间和地面层串联，有效缓解了交通拥堵的问题，亦改善了地面层的品质[3]。

目前，地下环路深度已经从3 m 的浅层地下空间向10 m 以上的深层地下空间发展[4]，对结构提出了新的要求和挑战。地下环路一般采用厚板的结构形式，而深埋地下环路由于覆土较厚，对结构安全提出了挑战。为了承担深厚覆土带来的荷载，目前主要的处理方式有两种，一是在结构上增加空腔减少荷载，可以有效减小结构断面，但缺点是占用了中层地下空间；二是增加结构构件尺寸，缺点是结构效率较低。在工程中不同的方案对总投资会造成较大影响。

本文将以某市地下环路项目为例，对深埋地下环路工程的暗埋标准段是否加设空腔进行方案对比，用Autodesk、Robot Structural Analysis、PyRobot 等多款软件进行结构受力计算，结合工程经济性与安全性，总结两种方案的适用范围。

1 工程概况

某地下环路位于城市中心区位，环路整体形成“三环（远期预留一环），五进四出（远期预留一进口）”的布局。该地下环路工程平面布置如图1 所示，其中1 号主环首尾相连形成闭合环路，线形为一半径为278.75 m 的圆形，全长约1.8 km；2 号主环与1 号主环的西北区域以及北侧进口匝道部分合建，全长约2 km；3 号主环为远期工程。为方便出入主环设置多处坡道及出入口连接地块与地面交通，主环环路标高均在地面下15～17 m，属于深埋地下环路。

图1 地下环路工程平面布置

为了满足不同建筑对地下空间的要求，主环有2车道、3 车道和4 车道三种形式，三者均采用厚板结构，净宽分别为8.2、11.6、17 m，其中四车道中设中隔墙，环路净高5.9 m（含风道）。当不加设结构空腔时，覆土较厚，约为7.5 m，地下水位于设计地面以下1 m。

2 结构设计参数及控制指标

该工程主体结构采用C35 混凝土，HRB400 级热轧钢筋。根据规范要求，工程结构设计使用年限为100 a；结构安全等级为一级，结构重要性系数为1.1；地基基础设计等级为甲级；地下主体结构防水等级为二级；环路结构抗震设防烈度7 度（0.1g）[5]，设防类别为重点设防类;设计地震分组为第二组。

主体结构采用箱涵结构，抗震等级为二级；结构设计按最不利情况进行抗浮稳定验算，不计摩阻力时抗浮安全系数不小于1.1。地下环路结构分析时所受的荷载见表1。竖向基床系数可取45 000 kN/m3，水平基床系数考虑基坑开挖回填土，可取15 000 kN/m3。结构具体受力示意图如图2 所示。

表1 结构荷载

图2 环路结构暗埋段受力示意图

地下环路结构在荷载准永久组合下，地下环路底板、侧墙迎土（水）面、顶板上表面以及室外露天构件最大裂缝宽度不应超过0.2 mm，在构件背土面和内部结构构件的最大裂缝宽度不应超过0.3 mm。

在计算主体结构配筋时限制一些力学参量来选取板厚，以保证结构受力的合理性：抗剪箍筋承担总剪力一般不超过30%；板配筋率控制在0.6%～0.8%，局部较大处不超过1.2%

3 暗埋标准段结构分析

地下环路暗埋段覆土达8 m，深厚的覆土产生很大荷载，为了保证结构安全性，目前有“增加构件承载力”和“减少荷载”两种结构设计方案（见图3、图5、图7）：

图3 主环三车道区段比选方案结构布置图（单位：mm）

（1）不设置空腔，增加构件承载力，其结构断面为“口”字形。该方案下覆土较大，需要增加结构截面尺寸及配筋，以提升结构承载力。其优点是仅仅占用一层地下空间，方便后续地下空间资源利用。其缺点是此时结构板厚通常超过1.5 m，底板加厚导致基坑深度增加，同时，板钢筋有2～3 排，施工难度也较大。

（2）在环路上方设置一层空腔，减少荷载，其结构断面为“日”字形。一般而言在埋深4 m 以下的地下空间增设空降不会影响路面管线敷设，所以以4 m为结构顶标高加设一层空腔。其优点是可以有效减少减小覆土荷载，从而构件截面、配筋相对较小。其缺点是空腔占用了中层的地下空间，本身并没有建筑功能，形成了一定的浪费。

以深埋地下环路二车道、三车道、四车道三种典型断面为对象，比较加设空腔与不加设空腔两种方案，通过Robot 软件计算受力，根据板受剪、受弯所规定的力学参量合理选取板厚，计算其工程量并讨论方案的适用范围。

3.1 主环三车道区段结构分析

当不加设结构空腔时，暗埋标准段选取的板厚如下：顶板1 300 mm、外侧墙1 300 mm、底板1 500 mm，当加设结构空腔时，选取的板厚如下：顶板1 100 mm、外侧墙1 100 mm、底板1 200 mm。具体结构尺寸如图3 所示。

计算结果如图4 所示。主环三车道标准段（不加设空腔）的板厚主要控制因素为顶板和底板的支座剪力，此时抗剪箍筋承担总剪力的份额约为30%，对应的板配筋率约为0.6%～0.8%，相对较小。外侧墙的剪力相比于顶板较小，且其弯矩均在外侧，内侧无弯矩，说明外侧墙在荷载组合下未充分发挥结构受力的作用。经过统计，主环三车道标准段（不加设空腔）每延米的混凝土量为59.42 m3。

图4 主环三车道区段底板弯矩、剪力包络图

当加设结构空腔时，板厚主要控制因素为底板和侧墙的支座剪力，此时抗剪箍筋承担总剪力的份额分别为33%和21%，板配筋率约为0.6%～1.0%。从图4 中可以看出，相比于不加设空腔的情况，外侧墙的抗剪和抗弯能力得到了适当的利用，结构顶板、底板和侧墙的弯矩、剪力分布更加合理。经统计，主环三车道标准段（加设空腔）每延米的混凝土量为56.51 m3。与不加设空腔时相比，每延米的混凝土量下降了2.91 m3，更加经济。

3.2 主环两车道区段结构分析

当不加设结构空腔时，暗埋标准段选取的板厚如下：顶板800 mm、外侧墙800 mm、底板1 000 mm；当加设结构空腔时，选取的板厚如下：顶板700 mm、外侧墙700 mm、底板800 mm，此时的覆土厚度从7.7 m 减小到了5 m。具体结构尺寸如图5 所示。

图5 主环两车道区段比选方案结构布置图（单位：mm）

计算结果如图6 所示。当加设结构空腔时，板厚主要控制因素为底板支座处的剪力，此时抗剪箍筋承担总剪力的份额为31%，对应的板配筋率约为0.7%～1.0%。经过统计，主环两车道区段（加设空腔）每延米的混凝土量为32.22 m3。从板配筋率和抗剪箍筋承担总剪力份额的结果统计可以看出，对于主环两车道区段，是否加设空腔对于主体结构受力特征影响并不大，结构板厚的主要控制因素均包括底板的支座剪力。与不加设空腔时相比，每延米的混凝土量增加了2.22 m3，且考虑到地下空间的利用率，主环两车道区段若仅为单建环路，不加设空腔较为合理。

图6 主环两车道区段底板弯矩、剪力包络图

3.3 主环四车道区段结构分析

当不加设结构空腔时，暗埋标准段选取的板厚如下：顶板1 000 mm、外侧墙1 000 mm、底板1 100 mm；当加设结构空腔时，选取的板厚如下：顶板800 mm、外侧墙800 mm、底板900 mm，此时的覆土厚度从7.5 m 减小到了5 m。具体结构尺寸如图7 所示。

图7 主环四车道区段比选方案结构布置图（单位：mm）

计算结果如图8 所示，主环四车道相邻区段（不加设空腔）的板厚主要控制因素为顶板中隔墙支座的弯矩，此时顶板在该支座处配筋率达到1.2%，其余板的配筋率约为6%～8%，抗剪箍筋承担总剪力的份额约为24%～26%。经过统计，主环四车道相邻区段（不加设空腔）每延米的混凝土量为62.95 m3。

图8 主环四车道区段底板弯矩、剪力包络图

当加设结构空腔时，板厚主要控制因素为顶板中隔墙支座和外侧墙底部支座的弯矩，此时顶板和侧墙在对应支座处的配筋率达到1.18%，其余板的配筋率约为6%～9%，抗剪箍筋承担总剪力的份额约为21%～23%。经统计，主环四车道标准段（加设空腔）每延米的混凝土量为63.63 m3。从板配筋率和抗剪箍筋承担总剪力份额的结果统计可以看出，对于主环四车道区段，是否加设空腔对于主体结构受力特征影响并不大，结构板厚的主要控制因素均为顶板在中隔墙支座的弯矩。与不加设空腔时相比，每延米的混凝土量增加了0.68 m3，且考虑到地下空间的利用率和施工难度，四车道区段若仅为单建环路，不加设空腔较为合理。