李 超

（深圳市综合交通设计研究院，广东深圳 518003）

0 引言

随着高速公路的日益增加和城市建设的不断发展，高速公路建设用地越来越受限制，为节约用地，高速公路可能会与其他建设项目采取共线设计，以下为深圳市东部过境高速公路与东部供水干线共线路段的设计。

1 设计概况

深圳东部过境高速公路位于深圳市东部，向南通过规划一线莲塘口岸与香港东部通道相衔接，向北与深惠、深汕高速公路相接。东部供水干线是深圳市独立兴建和管理的境外引水工程，主要用于改善深圳市的严重缺水局面。东部供水网络干线工程全长48.3 km，已经于2000年5月通水。

深圳东部过境高速公路与东部供水网络干线的锦龙大道至三棵松水库段共线，该路段内现状供水干线为4.2 m×4.2 m钢筋混凝土箱涵，涵顶普遍覆土高度为3～4 m。其中K27+717～K28+285路段与东部供水干线完全平行，由于受高压线净空的制约，该路段采用路基方式（左侧路基长568 m，右侧路基长572 m），路基填土高1～5 m。

根据深圳市水规院的要求，本项目需为东部供水工程的扩建预留空间，市水规院初步拟定规划箱涵的标准断面为3 m×3 m。根据现状箱涵位置以及东部过境高速公路平面布置的需要，初步拟定规划箱涵布设在现状箱涵的西侧。

为了避让东部供水箱涵，并为规划的箱涵预留空间，经与深圳市水规院沟通，K27+717～K28+285路段采用分离式路基横断面，两幅路基之间的宽度24 m。路基横断面见图1。

图1 路基横断面图（单位：cm）

2 设计原则

本项目与东部供水干线工程共线路段的设计方案，遵循以下设计原则：

（1）满足有关建设标准、技术规范，保证公路交通安全。

（2）充分考虑本项目施工期、运营期各种荷载情况对东部供水工程的影响，确保东部供水工程的安全。

（3）满足东部供水工程停水检修及应急抢险的需求。

（4）保证东部供水工程检修交通道路的畅通性和有效性。

（5）满足东部供水工程的扩容需求，预留扩建空间。

（6）确保本项目和东部供水工程安全运营。

（7）在满足安全的前提下，将对东部供水工程的干扰减至最低。

（8）在满足功能需要的前提下，还要体现出合理性、可实施性和经济性。

3 设计方案

3.1 方案一：采用排桩支护的钢筋混凝土挡墙方案

挡墙断面及桩位布置见图2及表1。

图2 排桩支护钢筋混凝土挡墙断面图（单位：cm）

表1 不同填土高度下的桩径D、桩间距L、桩长HZ（方案一）

3.2 方案二：采用多层锚杆支护的地下连续墙方案

挡墙断面及锚杆布置见图3及表2。

图3 多层锚杆支护地下连续墙断面图（单位：cm）

表2 不同填土高度下路基设计方案（方案二）

3.3 方案比选

从经济性来比较，方案一施工工艺相对简单，施工周期短，工程造价较低；方案二施工工艺复杂，施工周期长，造价较高。

从安全性来比较，方案一和方案二均能保证高速公路在施工期和建成后的运营期内，东部供水结构和高速公路的双安全。但方案一在供水工程停水检修及应急抢险开挖施工时，地下水位会改变，可能会使未检修部分供水箱涵基底产生沉降，对未检修部分供水箱涵结构产生不利影响。如果采取钢板桩支护来防止地下水位发生改变，会导致施工周期加长，使得停水时间延长，对整个深圳市的供水造成影响。同时，方案一在开挖施工形成最大临空面时，在路基填土及汽车荷载共同作用下，结构最大水平位移达4 cm，可能会造成路面结构发生开裂等安全隐患。方案二在供水工程停水检修及应急抢险开挖施工时，在施工区域两端采取止水措施，可使地下水位不发生改变，对未检修部分箱涵无影响。同时，由于采取了预应力锚杆对开挖基坑进行超前支护，检修施工不需要采取临时支护措施，节省工期，最大限度的减少了停水时间，对深圳市的供水造成的影响降到最低。

因此，方案二在在满足安全的前提下，将对东部供水工程的干扰减至最低。设计采用方案二：多层锚杆支护的地下连续墙方案。

4 工程计算

为确保安全，设计对多层锚杆支护的地下连续墙方案进行了详细的计算。计算主要内容主要有：（1）地下连续墙竖向承载力计算；（2）地下连续墙锚杆拉力计算；（3）地下连续墙入土深度计算；（4）地下连续墙配筋及裂缝计算；（5）地下连续墙位移计算；（6）基坑底抗隆起验算；（7）基坑底抗渗稳定验算；（8）基坑整体稳定验算。

4.1 计算参数

土体的饱和容重取20 kN/m3，土体的内摩擦角取 30°；

基坑安全等级：一级；

粉质粘土的抗剪强度：c＝16.5 kPa；

基坑底以下的粉质粘土的弹性比例系数：m＝8000 kN/m4；

路基填土高度：3 m。

4.2 地下连续墙竖向承载力计算

4.2.1 地下连续墙竖向荷载计算

挡墙上部防撞护栏每延米重为Q1＝12.1 kN/m，挡墙墙身自重Q2＝27.5 kN/m，挡墙加劲肋自重Q3＝20.63 kN，承台自重 Q4＝56 kN/m。

在地下连续墙单位长度B＝1 m范围恒载合计为：

承台顶面每延米的竖向土压力p＝γ×（h+h1）×l＝125.58 kN/m；

地下连续墙顶面竖向力合计Q＝ Q恒+p×B＝241.8 kN。

4.2.2 地下连续墙竖向承载力计算

假定地下连续墙埋入箱涵底面以下8 m。供水箱涵检修开挖后，不考虑开挖面以上部分土体对连续墙的侧摩阻力。

地下连续墙埋深HZ＝8 m，墙身宽D＝0.8 m，开挖面以下土层的侧摩阻力τ＝70 kPa；墙底承载力基本允许值[fa0]＝180 kPa。竖向承载力参照摩擦桩设计。

γ0（Q+G）＝629.0 kN<[Ra],竖向承载力满足要求。

4.3 地下连续墙锚杆拉力计算

4.3.1 主动土压力系数和被动土压力系数

根据郎肯土压力理论，

主动土压力系数Ka＝tan2（45°-ψ/2）[2]；

被动土压力系数Kp＝tan2（45°＋ψ/2）[2]。

取 ψ＝30°，则 Ka＝0.333；Kp＝3。由于基坑临空面较高，连续墙会产生一定的侧向变形，需对被动土压力系数进行调整，调整值 Kmp＝0.7，Kp＝2.1。

4.3.2 基坑支护方案

竖向采用2层预应力锚杆，锚杆竖向间距2.5 m，纵向间距3 m，第一层锚杆距离地面2.85 m，第二层锚杆距离地面5.85 m。锚杆采用采用15-4Φs15.2预应力钢绞线，锚杆钻孔直径d＝0.3 m，见图4。

图4 锚杆布置图（单位：cm）

4.3.3 锚杆设计拉力计算

计算时采用弹性地基梁法，地下连续墙作为竖向的地基梁，锚杆采用弹性支座模拟，基坑背面的主动土压力作为外力荷载，基底以下的主动土压力作为抗力，采用土层弹簧模拟，见图5。

图5 锚杆拉力计算图式（单位：cm）

土层弹性抗力系数：

Ki＝（L1+L2）×m×Zi×B/2[3]，

式中：m——土层弹性抗力比例系数，取m＝8000（kN/m4）；

L1，L2——当前弹簧与上下弹簧的距离；

Zi——当前弹簧的深度；

B——计算宽度，取锚杆的纵向间距B＝2 m。

锚杆水平刚度系数KT可按下式计算：

KT＝3AESECAC/[（3LfECAC+ESALa）cosθ][3]

式中：Lf——锚杆自由段长度 ，取Lf＝6 m；

La——锚杆锚固段长度 ，取Lf＝14 m；

ES——锚杆的弹性模量，ES＝1.95×105MPa；

A——锚杆的截面面积，A＝5.6×10-4m2；

AC——锚固体积面面积，AC＝0.0707 m2；

EC——锚固体的组合弹性模量，EC＝[AES+（AC-A）Em）]/AC；

Em——注浆体的弹性模量；

θ——锚杆水平倾角，本设计θ＝20°。

将以上数据代入算得：KT＝18618.23 kN/m。

路面处的主动土压力强度p0＝Ka×h0×γ＝5.26 kN/m2；

基坑底面的主动土压力强度pah＝116.09 kN/m2。

根据以上数据，建立有限元模型，算得自上而下各锚杆的设计拉力分别为：

T1＝250.3 kN;T2＝264.1 kN。

4.4 连续墙嵌固深度计算(纵向按2m宽计算)

嵌固深度设计值hd可按下式确定：

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;本设计地下连续墙嵌固深度采用8 m。

4.5 地下连续墙配筋及裂缝计算

4.5.1 最大正弯矩计算

根据地下连续墙的受力特点，最大正弯矩出现在基坑底面以上，且此处的剪力为零。假定剪力零点距离第二层锚杆距离为h01，则有：

4.5.2 最大负弯矩计算

地下连续墙的最大负弯矩出现在基坑底面以下，且此处的剪力为零。假定剪力零点距离地基坑底面为h02，则有：

4.5.3 抗弯承载力和裂缝宽度验算

地下连续墙采用C30混凝土，厚度80 cm，双层对称配筋，主筋采用φ25HRB335钢筋，钢筋间距采用15 cm，则2 m宽范围共有14根钢筋，主筋中心距混凝土边缘9 cm。

受压区高度x<2as＝2×0.09＝0.18 m,则：

MU＝fsdAs（h0-as）＝1192.4 kN×m>1.1,截面抗弯承载力满足要求。

裂缝宽度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，地下连续墙抗弯承载力满足要求。

由于连续墙仅作为基坑支护，裂缝宽度应小于0.3 mm，满足要求。

4.6 连续墙位移计算

根据4.3.3中建立的竖向弹性地基梁模型，算得地下连续墙位移：

基坑顶最大水平位移为13.4 mm<11500/300＝38.3 mm，满足规范要求。

4.7 基底抗隆起稳定验算[3]

计算假定：假定开挖面以下的墙体能帮助抵抗基底土体隆起，土体沿通过墙底的圆弧面滑动。产生滑动的力为土体重量γH及地面超载q，抵抗滑动力为滑动面上的土体抗剪强度，见图6。

图6 基坑滑动计算图式（单位：cm）

滑动面AB、BC、CE各段的抗剪强度分别为：

将滑动力与抗滑力分别对圆心取矩，得

抗隆起安全系数KS＝Mr/MS＝2.91>1.4；

基坑抗隆起稳定满足要求。

4.8 基底抗渗稳定验算

根据地质资料，连续墙深度范围内无承压水层，抗渗稳定可按下式计算：

抗渗稳定满足要求。

4.9 基坑整体稳定验算

基坑整体稳定采用简化的圆弧条分法计算，基坑整体稳定系数按下式计算：

式中：T1，T2——作用在地下连续墙上的锚杆水平力（kN）；

W1，W2——分别为滑动中心垂面两侧的滑动土体重力（kN）；

N1，N2——分别为W1，W2在滑动面上的法向分力（kN）；

r1，r2——分别为滑动土体重力W1，W2作用线至滑动中心垂面的距离（m）；

c，ψ——分别为土体的粘聚力（kPa）和内摩擦角(°)；

L，R——分别为滑动面的弧长和半径（m）。

计算结果见表3。

表3 基坑整体稳定计算数据

整体稳定系数均大于1.2，整体稳定满足要求。

通过充分计算和分析论证，东部过境高速与东部供水共线段路基采用多层锚杆支护的地下连续墙方案能确保东部过境高速施工期间、运营期不对现状供水箱涵产生不利影响，而且能确保供水箱涵维修开挖对东部过境高速运营不产生影响。

5 结语

本文通过工程实例，对采用排桩支护的钢筋混凝土挡墙方案和采用多层锚杆支护的地下连续墙方案进行分析和比较，并对采用多层锚杆支护的地下连续墙方案就行了详细计算，可以为工程实际中选用支护结构时作参考。

[1]JTG D63-2007,公路桥涵地基与基础设计规范[S].北京:人民交通出版社,2007.

[2]赵明华.土力学与基础工程（第3版）[M].武汉:武汉理工大学出版社,2008.

[3]程良奎,李象范.岩土锚固·土钉·喷射混凝土—原理、设计与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[4]DBJ/T15-20-97,广东省基坑支护工程技术规程[S].广州:广东省建设科技与标准化协会,1997.