有轨电车跨越城市下穿隧道的设计方案研究

时间：2024-09-03

谢璞（广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东广州510635）

有轨电车跨越城市下穿隧道的设计方案研究

谢璞（广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东广州510635）

某有轨电车于道路交叉口斜交跨越城市下穿隧道，为保证隧道的结构安全和有轨电车的行车舒适，本文分别对路基方案、设支座桥梁方案和分离式桥梁方案进行了计算和分析，并对总体设计、结构设计、施工便利性和总投资等方面进行了方案对比论述，可供类似工程参考。

有轨电车；城市下穿隧道；跨越方案；方案比选

1 工程概述

某有轨电车工程宽度约8m，轨道结构厚50cm，需从城市下穿隧道（新建）封闭段（暗埋段）上方斜交穿越，该隧道暗埋段为双孔箱型结构，单孔净宽9.625m，结构总宽21.7m。电车所跨越的隧道节段为埋深最大的节段，覆土约为1.8m。平面位置关系图如图1所示。

图1 平面位置关系图（单位：m）

2 拟选方案

为保证隧道结构安全、满足有轨电车的行车舒适性、且工程经济性较优，提出路基方案、设支座桥梁方案和分离式桥梁方案进行比选，详细如下：

2.1 路基方案（方案一）

有轨电车轨道结构与隧道顶板之间采用素混凝土层填充，如图2所示。

图2 路基方案

2.2 设支座桥梁方案（方案二）

轨道结构下设置板肋桥（跨径布置：2×14m），板肋桥设支座支撑于隧道侧墙，桥后设置搭板与路基过渡，如图3所示。

2.3 分离式桥梁方案（方案三）

轨道结构下设置板肋桥（跨径布置：2×14m），中墩穿过隧道中墙位置（墩柱截面宽度小于中墙，可被包裹其中但不与中墙直接接触），并在隧道底板下方设置桩基、承台。该有轨电车桥梁结构自成体系，梁底与隧道顶板顶留有空隙，荷载不传给隧道，且墩柱不影响隧道建筑界限，桥后设置搭板与路基过渡，如图4所示。

3 方案比选

3.1 结构受力分析

图3 设支座桥梁方案（有轨电车路线前进方向）

图4 分离式桥梁方案（有轨电车路线前进方向）

首先从隧道结构受力角度分析拟选方案的合理性。采用有限元软件midas建立空间分析模型，隧道结构采用板单元，有轨电车的行车轨迹线采用无质量和刚度的虚拟梁单元模型，隧道底板按地质资料取土弹簧基床系数，分析恒载和有轨电车活载作用下的结构受力，计算模型如图5所示。

图5 结构受力分析计算模型

具体计算结果详见表1。计算表明：

（1）方案二与方案一对比，由于隧道底地质存在差异，桥梁支座反力作用于侧墙顶将产生不均匀沉降，从而隧道结构存在较大的活载弯矩。

（2）方案三与方案一对比，隧道底设置承台，承台位置的竖向支撑刚度远大于周边土体，从而承台位置的地基反力明显集中，隧道结构出现不利的“顶腰现象”，结构弯矩增加明显。

（3）对于方案一，恒载和有轨电车活载引起的工后沉降较小，详见本文第4节“路基方案地基变形计算”，细化过渡段设计后，对有轨电车的舒适性影响可以忽略。

综上考虑，从隧道结构受力角度而言，推荐采用路基方案。

对于路基方案，分别将公路车辆荷载、城-A级车辆荷载、有轨电车荷载作用于下穿隧道结构，隧道顶板弯矩效应的对比表如表2所示。

由表2得，有轨电车采用路基方案通过不需要增加下穿隧道的结构尺寸和配筋。

表1 各拟选方案恒载和活载计算结果

表2 不同车辆荷载作用下的隧道顶板弯矩效应

3.2 方案比选

分别从总体设计、结构设计、施工便利性和总投资对拟选方案进行对比，分别论述如下：

3.2.1 总体设计

方案一和方案二在总体设计时，应注意将有轨电车的轨道位于下穿隧道的同一个节段，以避免节段间的不均匀沉降对有轨电车行车舒适性的影响。

方案三，注意将隧道泵房避开有轨电车桥梁的边墩，在隧道基坑施工时需预留有轨电车桥梁边墩的施工空间。

3.2.2 结构细部设计

方案一细部设计时需注意：①详细考虑有轨电车路隧过渡段；②通行有轨电车的隧道节段较长，需适当加强隧道纵向配筋。

方案二细部设计时，需考虑方案一上述两个注意事项，另外需注意：由于隧道底地质差异，电车桥梁的支座反力引起下穿隧道较大的不均匀沉降，需增加隧道结构的配筋。

方案三细部结构设计时，需注意：①下卧承台造成隧道底的竖向支撑刚度突变，出现“顶腰现象”，需增加结构配筋。②应考虑隧道与电车桥梁在电车制动力、地震作用等水平作用下的相互作用影响，需做隔震措施。③隧道中墙需局部加厚。

3.2.3 施工便利性

方案一施工无交叉，施工便利、迅速。

方案二施工交叉较少，需注意设置电车桥垂直向的挡土块及过渡段。

方案三，施工交叉较多，施工不便，主要体现在：①电车板肋桥的中墩桩基、承台和墩柱应与隧道结构同步施工。②电车板肋桥的边墩桩基需待隧道结构施工完成并回填压实至路面顶标高后再行施工。③考虑电车板肋桥中墩承台位置的局部开挖深度较大，需加强承台开挖坑附近的隧道基坑支护措施。④电车板肋桥边墩附近的隧道基坑支护钻孔桩适当外移，为板肋桥的边墩桩基施工腾出空间。

3.2.4 总投资

经初步核对，方案一的总投资最少，方案二较少，方案三最多。

4 路基方案的地基变形计算

4.1 计算假定

有轨电车跨越下穿隧道节段处存在砾质粘性土，该土层大于2mm的颗粒含量达31%，可认为该土层的渗透性较大，地基在恒载施加完毕时，其固结变形基本已经完成，可不考虑恒载引起的工后沉降。

恒载引起的附加应力等于恒载应力减去现状自重应力（地下水位以下取现地面以下2m），本项目等于13.9kPa，偏安全不考虑应力扩散，由恒载引起的隧道底板底面沉降：

参考《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）第5.3.3条及条文说明，对于中压缩性土（压缩性的判断据该规范第4.2.6条），考虑工后沉降为总沉降的50%，即工后沉降为11.4mm。

综上所述，认为恒载引起的工后沉降可忽略。

本次计算仅考虑有轨电车及平交口汽车通过隧道节段时，活载引起的地基变形。

4.2 计算模型

采用有限元软件midas建立空间分析模型，隧道结构采用板单元，有轨电车及汽车车辆荷载的行车轨迹线采用无质量和刚度的虚拟梁单元模型，隧道底板按地质资料取土弹簧基床系数，分析活载作用下的地基变形。

模型中的计算荷载包括通过平交口隧道节段的两组有轨电车车列和八组“城-A级”车列，对于“城-A级”车列考虑横向车道折减系数ξ=0.5。

模型中的边界条件按如下方式处理：隧道底板底面的竖向基床系数：对于薄压缩层（压缩层厚度H＜B/2，B为结构宽度），取基床系数k=ES/H，其中ES为地基压缩模量，按详勘取砾质粘性土的ES=4.9MPa，压缩层厚度H按隧道节段底最大压缩层厚度取H=8m。基床系数k=ES/H=4900kPa/8m=612.5kN/m3。

4.3 计算结论

计算结果显示，隧道底板的活载位移效应标准值包络如图6所示，最大竖向位移为15.7mm。因此，有轨电车上跨城市下穿隧道采用路基方案满足有轨电车的行车舒适性的要求。

图6