高速公路與供水干線共線路段的設計

李 超

（深圳市綜合交通設計研究院，廣東深圳 518003）

0 引言

隨著高速公路的日益增加和城市建設的不斷發展，高速公路建設用地越來越受限制，為節約用地，高速公路可能會與其他建設項目采取共線設計，以下為深圳市東部過境高速公路與東部供水干線共線路段的設計。

1 設計概況

深圳東部過境高速公路位于深圳市東部，向南通過規劃一線蓮塘口岸與香港東部通道相銜接，向北與深惠、深汕高速公路相接。東部供水干線是深圳市獨立興建和管理的境外引水工程，主要用于改善深圳市的嚴重缺水局面。東部供水網絡干線工程全長48.3 km，已經于2000年5月通水。

深圳東部過境高速公路與東部供水網絡干線的錦龍大道至三棵松水庫段共線，該路段內現狀供水干線為4.2 m×4.2 m鋼筋混凝土箱涵，涵頂普遍覆土高度為3～4 m。其中K27+717～K28+285路段與東部供水干線完全平行，由于受高壓線凈空的制約，該路段采用路基方式（左側路基長568 m，右側路基長572 m），路基填土高1～5 m。

根據深圳市水規院的要求，本項目需為東部供水工程的擴建預留空間，市水規院初步擬定規劃箱涵的標準斷面為3 m×3 m。根據現狀箱涵位置以及東部過境高速公路平面布置的需要，初步擬定規劃箱涵布設在現狀箱涵的西側。

為了避讓東部供水箱涵，并為規劃的箱涵預留空間，經與深圳市水規院溝通，K27+717～K28+285路段采用分離式路基橫斷面，兩幅路基之間的寬度24 m。路基橫斷面見圖1。

圖1 路基橫斷面圖（單位：cm）

2 設計原則

本項目與東部供水干線工程共線路段的設計方案，遵循以下設計原則：

（1）滿足有關建設標準、技術規范，保證公路交通安全。

（2）充分考慮本項目施工期、運營期各種荷載情況對東部供水工程的影響，確保東部供水工程的安全。

（3）滿足東部供水工程停水檢修及應急搶險的需求。

（4）保證東部供水工程檢修交通道路的暢通性和有效性。

（5）滿足東部供水工程的擴容需求，預留擴建空間。

（6）確保本項目和東部供水工程安全運營。

（7）在滿足安全的前提下，將對東部供水工程的干擾減至最低。

（8）在滿足功能需要的前提下，還要體現出合理性、可實施性和經濟性。

3 設計方案

3.1 方案一：采用排樁支護的鋼筋混凝土擋墻方案

擋墻斷面及樁位布置見圖2及表1。

圖2 排樁支護鋼筋混凝土擋墻斷面圖（單位：cm）

表1 不同填土高度下的樁徑D、樁間距L、樁長HZ（方案一）

3.2 方案二：采用多層錨桿支護的地下連續墻方案

擋墻斷面及錨桿布置見圖3及表2。

圖3 多層錨桿支護地下連續墻斷面圖（單位：cm）

表2 不同填土高度下路基設計方案（方案二）

3.3 方案比選

從經濟性來比較，方案一施工工藝相對簡單，施工周期短，工程造價較低；方案二施工工藝復雜，施工周期長，造價較高。

從安全性來比較，方案一和方案二均能保證高速公路在施工期和建成后的運營期內，東部供水結構和高速公路的雙安全。但方案一在供水工程停水檢修及應急搶險開挖施工時，地下水位會改變，可能會使未檢修部分供水箱涵基底產生沉降，對未檢修部分供水箱涵結構產生不利影響。如果采取鋼板樁支護來防止地下水位發生改變，會導致施工周期加長，使得停水時間延長，對整個深圳市的供水造成影響。同時，方案一在開挖施工形成最大臨空面時，在路基填土及汽車荷載共同作用下，結構最大水平位移達4 cm，可能會造成路面結構發生開裂等安全隱患。方案二在供水工程停水檢修及應急搶險開挖施工時，在施工區域兩端采取止水措施，可使地下水位不發生改變，對未檢修部分箱涵無影響。同時，由于采取了預應力錨桿對開挖基坑進行超前支護，檢修施工不需要采取臨時支護措施，節省工期，最大限度的減少了停水時間，對深圳市的供水造成的影響降到最低。

因此，方案二在在滿足安全的前提下，將對東部供水工程的干擾減至最低。設計采用方案二：多層錨桿支護的地下連續墻方案。

4 工程計算

為確保安全，設計對多層錨桿支護的地下連續墻方案進行了詳細的計算。計算主要內容主要有：（1）地下連續墻豎向承載力計算；（2）地下連續墻錨桿拉力計算；（3）地下連續墻入土深度計算；（4）地下連續墻配筋及裂縫計算；（5）地下連續墻位移計算；（6）基坑底抗隆起驗算；（7）基坑底抗滲穩定驗算；（8）基坑整體穩定驗算。

4.1 計算參數

土體的飽和容重取20 kN/m3，土體的內摩擦角取 30°；

基坑安全等級：一級；

粉質粘土的抗剪強度：c＝16.5 kPa；

基坑底以下的粉質粘土的彈性比例系數：m＝8000 kN/m4；

路基填土高度：3 m。

4.2 地下連續墻豎向承載力計算

4.2.1 地下連續墻豎向荷載計算

擋墻上部防撞護欄每延米重為Q1＝12.1 kN/m，擋墻墻身自重Q2＝27.5 kN/m，擋墻加勁肋自重Q3＝20.63 kN，承臺自重 Q4＝56 kN/m。

在地下連續墻單位長度B＝1 m范圍恒載合計為：

承臺頂面每延米的豎向土壓力p＝γ×（h+h1）×l＝125.58 kN/m；

地下連續墻頂面豎向力合計Q＝ Q恒+p×B＝241.8 kN。

4.2.2 地下連續墻豎向承載力計算

假定地下連續墻埋入箱涵底面以下8 m。供水箱涵檢修開挖后，不考慮開挖面以上部分土體對連續墻的側摩阻力。

地下連續墻埋深HZ＝8 m，墻身寬D＝0.8 m，開挖面以下土層的側摩阻力τ＝70 kPa；墻底承載力基本允許值[fa0]＝180 kPa。豎向承載力參照摩擦樁設計。

γ0（Q+G）＝629.0 kN<[Ra],豎向承載力滿足要求。

4.3 地下連續墻錨桿拉力計算

4.3.1 主動土壓力系數和被動土壓力系數

根據郎肯土壓力理論，

主動土壓力系數Ka＝tan2（45°-ψ/2）[2]；

被動土壓力系數Kp＝tan2（45°＋ψ/2）[2]。

取 ψ＝30°，則 Ka＝0.333；Kp＝3。由于基坑臨空面較高，連續墻會產生一定的側向變形，需對被動土壓力系數進行調整，調整值 Kmp＝0.7，Kp＝2.1。

4.3.2 基坑支護方案

豎向采用2層預應力錨桿，錨桿豎向間距2.5 m，縱向間距3 m，第一層錨桿距離地面2.85 m，第二層錨桿距離地面5.85 m。錨桿采用采用15-4Φs15.2預應力鋼絞線，錨桿鉆孔直徑d＝0.3 m，見圖4。

圖4 錨桿布置圖（單位：cm）

4.3.3 錨桿設計拉力計算

計算時采用彈性地基梁法，地下連續墻作為豎向的地基梁，錨桿采用彈性支座模擬，基坑背面的主動土壓力作為外力荷載，基底以下的主動土壓力作為抗力，采用土層彈簧模擬，見圖5。

圖5 錨桿拉力計算圖式（單位：cm）

土層彈性抗力系數：

Ki＝（L1+L2）×m×Zi×B/2[3]，

式中：m——土層彈性抗力比例系數，取m＝8000（kN/m4）；

L1，L2——當前彈簧與上下彈簧的距離；

Zi——當前彈簧的深度；

B——計算寬度，取錨桿的縱向間距B＝2 m。

錨桿水平剛度系數KT可按下式計算：

KT＝3AESECAC/[（3LfECAC+ESALa）cosθ][3]

式中：Lf——錨桿自由段長度 ，取Lf＝6 m；

La——錨桿錨固段長度 ，取Lf＝14 m；

ES——錨桿的彈性模量，ES＝1.95×105MPa；

A——錨桿的截面面積，A＝5.6×10-4m2；

AC——錨固體積面面積，AC＝0.0707 m2；

EC——錨固體的組合彈性模量，EC＝[AES+（AC-A）Em）]/AC；

Em——注漿體的彈性模量；

θ——錨桿水平傾角，本設計θ＝20°。

將以上數據代入算得：KT＝18618.23 kN/m。

路面處的主動土壓力強度p0＝Ka×h0×γ＝5.26 kN/m2；

基坑底面的主動土壓力強度pah＝116.09 kN/m2。

根據以上數據，建立有限元模型，算得自上而下各錨桿的設計拉力分別為：

T1＝250.3 kN;T2＝264.1 kN。

4.4 連續墻嵌固深度計算(縱向按2m寬計算)

嵌固深度設計值hd可按下式確定：

pah＝

pph＝

T1＝

代入式（1），解得 hd≥5.62 m。

入土深度取K×hd＝1.4×5.62＝7.87 m;本設計地下連續墻嵌固深度采用8 m。

4.5 地下連續墻配筋及裂縫計算

4.5.1 最大正彎矩計算

根據地下連續墻的受力特點，最大正彎矩出現在基坑底面以上，且此處的剪力為零。假定剪力零點距離第二層錨桿距離為h01，則有：

4.5.2 最大負彎矩計算

地下連續墻的最大負彎矩出現在基坑底面以下，且此處的剪力為零。假定剪力零點距離地基坑底面為h02，則有：

4.5.3 抗彎承載力和裂縫寬度驗算

地下連續墻采用C30混凝土，厚度80 cm，雙層對稱配筋，主筋采用φ25HRB335鋼筋，鋼筋間距采用15 cm，則2 m寬范圍共有14根鋼筋，主筋中心距混凝土邊緣9 cm。

受壓區高度x<2as＝2×0.09＝0.18 m,則：

MU＝fsdAs（h0-as）＝1192.4 kN×m>1.1,截面抗彎承載力滿足要求。

裂縫寬度Wtk＝C1C2C3σss（30+d）/ES（0.28+10ρ）

C1＝1.0,C2＝1.5,C3＝1.15;σss＝131.42 MPa；ρ＝As/bh0＝0.00484<0.006,取 ρ＝0.006；d＝25 mm，ES＝2.0×105；

算得Wtk＝0.183 mm<0.3 mm，地下連續墻抗彎承載力滿足要求。

由于連續墻僅作為基坑支護，裂縫寬度應小于0.3 mm，滿足要求。

4.6 連續墻位移計算

根據4.3.3中建立的豎向彈性地基梁模型，算得地下連續墻位移：

基坑頂最大水平位移為13.4 mm<11500/300＝38.3 mm，滿足規范要求。

4.7 基底抗隆起穩定驗算[3]

計算假定：假定開挖面以下的墻體能幫助抵抗基底土體隆起，土體沿通過墻底的圓弧面滑動。產生滑動的力為土體重量γH及地面超載q，抵抗滑動力為滑動面上的土體抗剪強度，見圖6。

圖6 基坑滑動計算圖式（單位：cm）

滑動面AB、BC、CE各段的抗剪強度分別為：

將滑動力與抗滑力分別對圓心取矩，得

抗隆起安全系數KS＝Mr/MS＝2.91>1.4；

基坑抗隆起穩定滿足要求。

4.8 基底抗滲穩定驗算

根據地質資料，連續墻深度范圍內無承壓水層，抗滲穩定可按下式計算：

抗滲穩定滿足要求。

4.9 基坑整體穩定驗算

基坑整體穩定采用簡化的圓弧條分法計算，基坑整體穩定系數按下式計算：

式中：T1，T2——作用在地下連續墻上的錨桿水平力（kN）；

W1，W2——分別為滑動中心垂面兩側的滑動土體重力（kN）；

N1，N2——分別為W1，W2在滑動面上的法向分力（kN）；

r1，r2——分別為滑動土體重力W1，W2作用線至滑動中心垂面的距離（m）；

c，ψ——分別為土體的粘聚力（kPa）和內摩擦角(°)；

L，R——分別為滑動面的弧長和半徑（m）。

計算結果見表3。

表3 基坑整體穩定計算數據

整體穩定系數均大于1.2，整體穩定滿足要求。

通過充分計算和分析論證，東部過境高速與東部供水共線段路基采用多層錨桿支護的地下連續墻方案能確保東部過境高速施工期間、運營期不對現狀供水箱涵產生不利影響，而且能確保供水箱涵維修開挖對東部過境高速運營不產生影響。

5 結語

本文通過工程實例，對采用排樁支護的鋼筋混凝土擋墻方案和采用多層錨桿支護的地下連續墻方案進行分析和比較，并對采用多層錨桿支護的地下連續墻方案就行了詳細計算，可以為工程實際中選用支護結構時作參考。

[1]JTG D63-2007,公路橋涵地基與基礎設計規范[S].北京:人民交通出版社,2007.

[2]趙明華.土力學與基礎工程（第3版）[M].武漢:武漢理工大學出版社,2008.

[3]程良奎,李象范.巖土錨固·土釘·噴射混凝土—原理、設計與應用[M].北京:中國建筑工業出版社,2008.

[4]DBJ/T15-20-97,廣東省基坑支護工程技術規程[S].廣州:廣東省建設科技與標準化協會,1997.