大孔径输水暗涵结构优化设计

摘要

古运河暗渠洞身段长435m，分26节。过水断面为三孔一联圆拱直墙型式，单孔过水断面为6.6×8.2m（宽×高）。其中，穿高速拱涵段长80m，管节编号19＃～26＃，采用浅埋暗挖法施工技术，拱顶覆土厚度为7.963m，开挖总宽度达25.6m，拱顶覆土厚度（H）与结构跨度（D）之比为0.311，属超浅埋。暗挖段土质多为细砂和中细砂，且高速公路上通行的车辆吨位荷载大，是全国此类施工难度最大和开挖宽度最大的项目。 鉴于石太高速为省际交通大动脉，暗涵所穿土层又是厚度不足8m稳定性较差的细砂层，为最大限度地减少对高速公路的影响和干扰，保证洞周土层结构的稳定和安全，合理选择暗涵下穿高速设计方案，优选暗挖施工工法，弄清施工过程中一、二衬结构的受力状态，解决施工缝对主体结构的影响等，即成为该工程设计成败的关键。 本论文主要针对大孔径暗涵穿高速结构优化设计的这一难题从以下几个方面进行研究： （1）暗涵下穿高速公路设计方案优选。分析、比较了水利工程、地铁工程中浅埋土洞常采用的基槽明挖、基坑支护明挖、浅埋暗挖、箱涵顶进、盾构机掘进等施工方法。通过技术可行性、施工场地布置、工程造价等方面的比较，为最大限度地减少对高速公路的影响和干扰，暗涵下穿石太高速推荐方案采用浅埋暗挖法。 （2）洞型结构方案确定。对比分析了永定河倒虹吸穿北京西五环快速路四孔分箱布置、石太铁路涵洞分离式小净距布置型式，结合本工程特点，推荐三孔一联整体拱涵布置方案。 （3）暗挖段拱涵整体受力及施工过程受力情况。采用《水利水电工程微机程序集》中“G-13 多孔涵洞内力的有限元法分析及配筋计算程序”、SAP84程序、及“结构力学求解器V1.5”，对三孔一联整体结构和施工过程中一衬、二衬结构的受力情况进行了计算。结果表明，施工过程中一、二衬结构的内力转换极其复杂，尤其是中洞二衬混凝土提前受力，易导致拱脚拉裂。因施工期间中孔顶拱、底板轴力接近为零，二衬结构断面及配筋基本由施工过程控制。考虑到临时支撑的不确定因素，建议在中孔顶拱的拱脚部位采用工字钢作拉杆，其间距按每根承担26t～28t控制。 （4）暗挖施工工法对比分析。基本是以施工沉降小（安全）为首选原则，对中洞--CRD法、中洞--侧壁导坑法、边洞法三种施工工法，从施工安全性、施工沉降控制、施工缝型式及数量、施工经济性等方面进行了对比分析。结果表明，选择中洞--侧壁导坑法是最为稳妥的方法，次之是中洞--CRD法和边洞法。 （5）暗挖施工缝的工程处理。按照中洞侧壁导坑法施工方案，底板、顶拱混凝土横向是分块进行浇筑的，因此在靠近中墙支座处就形成了8道竖向施工缝。为加强结构的整体性，建议的处理措施概括为“调位置、留八字、设插筋、埋止水、微膨胀”。 （6）暗挖施工效果分析。分析了“透水事故”、“管棚水钻法施工”、细砂层等对施工沉降的影响，提出路堤灌浆加固、水玻璃注浆加固等措施。 随着国内基建规模的扩大，更多的高速公路、铁路网的建成使用，对新建水利工程的施工方法提出了更高的要求，传统的基槽明挖设计显然已经不能满足高速公路和铁路正常运营的要求。目前，南水北调中线工程已经进入全面实施阶段，自总干渠引水、东西走向的南水北调配套工程也已开始可行性研究设计。今后，暗涵、倒虹吸类工程穿越高速公路、铁路的工程会越来越多，应用前景广阔。