复杂环境高铁咽喉区隧道下穿机场段结构设计研究.pdf
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1、复杂环境高铁咽喉区隧道下穿机场段结构设计研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版文章编号:1009-6582(2023)04-0213-09DOI:10.13807/ki.mtt.2023.04.024收稿日期:2023-03-23修回日期:2023-04-11作者简介:宋 艺(1989-),男,硕士,高级工程师,主要从事高铁隧道、城际铁路隧道、城市轨道交通地下工程勘察及设计方面的工作及研究,E-mail:.复杂环境高铁咽喉区隧道下穿机
2、场段结构设计研究宋 艺1,2(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043;2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),西安 710043)摘要:为确保复杂环境下高铁咽喉区隧道下穿机场航站楼段结构安全,依托津潍高铁济南联络线下穿GTC、遥墙国际机场T2航站楼工程,对隧道结构形式、结构受力、桩基础布置、沉降变形控制及构造加强措施等进行研究,提出直墙平顶圆拱结构形式、大跨直墙拉杆拱结构形式、桩基础均匀布置形式以及整体纵横向暗梁局部加强环梁的构造措施,并对各结构形式进行分析。结果表明:下穿段隧道采用直墙平顶圆拱结构形式、大跨直墙拉杆拱结构形式可满足受力要求;复杂断面隧道结构二维计算
3、结果与三维结果偏差仅为14%,设计时可根据二维计算结果进行配筋,根据三维计算结果进行校核;桩基础均匀布置方案更利于控制隧道结构变形沉降,设置纵横向暗梁的措施能够增加隧道结构刚度及稳定性。关键词:高铁隧道;下穿机场;结构设计;变形控制;桩基布置;纵横向暗梁中图分类号:U451+.4文献标识码:A引文格式:宋 艺.复杂环境高铁咽喉区隧道下穿机场段结构设计研究J.现代隧道技术,2023,60(4):213-221.SONG Yi.Study on the Structural Design for Tunnels Undercrossing Airport Section in High-speed
4、 Railway Throat Area under a Complex EnvironmentJ.Modern Tunnelling Technology,2023,60(4):213-221.1引 言随着国家“综合交通枢纽一体化”战略的实施,机场、高铁、地铁一体化的大型综合交通枢纽建造及综合开发等重大项目日益增加。综合交通枢纽中的铁路隧道工程建设将面临交叉工程多、结构受力大、明挖段落长、周边风险高、地质复杂多变等众多工程技术难题13。目前国内关于铁路隧道下穿航站楼的工程案例不多,其中在建或建成的工程案例主要有:(1)9条交通隧道下穿武汉天河国际机场T3航站楼。其中T3航站楼中部地下室以下有
5、3条汉孝城际铁路隧道、2条武汉地铁隧道沿南北主轴线横向穿过,为保证T3航站楼结构在城铁、地铁运营状态下的振动舒适度,采用T3航站楼结构与城铁、地铁结构完全分开,各自独立传力的结构设计方案4,5。(2)郑州至新郑机场城际铁路下穿新郑国际机场T2航站楼。共建区上部设计大跨度转换梁,将跨度范围内航站楼荷载通过转换梁传至地下承台,与隧道结构分离。隧道采用直墙拱形结构,盖挖法施工6。(3)济青高铁、地铁8号线下穿青岛胶东国际机场航站楼。地铁穿越航站楼所有区段及高铁穿越航站楼大部分区段均为隧道段,隧道结构可以从航站楼柱网间穿越通过,两结构受力互不干扰7。(4)成都至自贡客运专线下穿新建天府国际机场。隧道与
6、上部结构整体在平面上呈55斜交,且上部结构柱网不规则,而隧道结构平面为“喇叭口”型,区间隧道结构顶板采用转换厚板直接承担航站楼上部结构荷载,并加厚隧道边墙、中隔墙及底板,隧道底板持力层为中风化泥岩、砂岩,承载力较好8。由以上案例可知,高铁下穿航站楼一般有三种方案,第一种是高铁从航站楼柱网间穿越,隧道结构与航站楼结构完全分离;第二种是采用转换梁的方式,将航站楼上部结构荷载通过转换大梁一跨跨越高铁隧道结构;第三种是航站楼基础柱直接落在高铁隧道顶板上。前两种方案中航站楼结构和高铁隧道结构各自独立传力,受力体系比较清晰,第三种方案中隧道结构直接承受上部航站楼等结构荷载,受力体系较为复杂,需要调整隧道结
7、构。213复杂环境高铁咽喉区隧道下穿机场段结构设计研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版Vol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023津潍高铁济南联络线下穿机场综合交通换乘中心(以下简称GTC)、遥墙国际机场T2航站楼。高铁咽喉区隧道宽度为从61 m渐变到16 m,结构在平面荷载上呈“喇叭口”型,GTC、航站楼结构基础荷载采用部分直接落于隧道结构上方,部分设置转换大梁一跨跨越的方式,单个基础荷载达30 000 kN,属于超大荷载。同时隧道所处地层为富水软黏土、粉土、粉细砂地层,地
8、基承载力低,隧道所处环境复杂,不利条件较多。以该工程为依托,对隧道结构受力以及沉降变形等分析,提出适用于大跨度大埋深及富水软弱地层条件下承受超大荷载的地下隧道组合结构,同时提出加强沉降变形控制的桩基础布置形式,并设置整体纵横向暗梁、局部加强环梁的构造以加强结构稳定性,并验证了结构形式、基础布置及各项措施的合理性,可为今后类似复杂地下工程设计提供参考。2工程概况2.1高铁概况天津至潍坊高铁济南联络线位于山东半岛城市群北部,作为山东半岛城市群城际铁路网的重要组成部分,线路全长145.299 km,设计速度为350 km/h,部分区域限速200 km/h。机场2号隧道自遥墙国际机场地下站引出,往北依
9、次下穿GTC综合交通中心、机场T2航站楼、停机坪、北垂滑跑道等,隧道全长3 390 m,全部采用明挖法施工。隧道在DK16+345.015DK16+887段与新建遥墙国际机场GTC及航站楼呈立体交叉,如图1所示。图1 机场2号隧道与GTC、T2航站楼平面位置关系Fig.1 Plane position relationship between Airport Tunnel 2 andGTC and T2 Terminal2.2工程地质与水文地质该隧道范围属中朝准台地一级构造单元,华北台坳二级构造单元,鲁西断隆三级构造单元,处于齐河-广饶大断裂以南,属鲁西台隆的淄博-茌平凹陷的一部分。地表沉积了
10、厚层的第四系土层,新构造活动不强烈,断裂、褶皱构造等不发育,基岩埋深约90100 m。隧道范围内的地层岩性按其成因和时代分类主要有:第四系全新统素填土、杂填土、填筑土(Q4ml)、淤泥质粉质黏土(Q4al(1)、粉质黏土(Q4al(1)、粉土(Q4al(2)、粉砂(Q4al(4)、细砂(Q4al(4),上更新统粉质黏土(Q3al(1)、粉土(Q3al(2)。隧道范围内地下水储量丰富,以第四系孔隙潜水及浅层微承压水为主,第四系孔隙潜水主要赋存于冲积粉土以及粉细砂层中。地下水主要补给来源为黄河的侧向补给、大气降水补给,以蒸发、地下水径流以及人工取水为主要排泄方式。勘察期间地下水位埋深2.57.6
11、m,地下水稳定水位高程为15.120.7 m,地下水年变化幅度25 m,呈自北向南逐渐降低的趋势,地下水流向整体上自北向南。3隧道结构设计3.1GTC、航站楼与隧道布置方案遥墙机场T2航站楼为地上3层、地下1层(局部地下2层)结构,航站楼柱网呈弧形散射状布置,柱跨为9/18 m,新建GTC综合交通中心为地面2/4层、地下1/2层建筑物,GTC综合交通中心柱网间距为9 m。下穿GTC段,隧道结构宽度从61 m变化至51 m,GTC基础柱不可避免地要落于隧道结构上方,为保证隧道结构受力均匀,且能够更好地承担上部荷载,减小变形,GTC结构基础通过设置转换梁,将上部结构荷载转换至下部基础支座,并将支座
12、设置于隧道中隔墙上方,如图2所示。图2 机场2号隧道下穿GTC段横断面Fig.2 Cross section of Airport Tunnel 2 undercrossing GTCSection下穿航站楼段,隧道结构宽度从51 m变化至16 m。航站楼平面呈海星状,隧道结构部分位于其214复杂环境高铁咽喉区隧道下穿机场段结构设计研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版正下方,部分位于航站楼结构平面外。因此,位于航站楼下方的隧道结构需
13、直接承受航站楼荷载,位于航站楼结构平面外的部分不承担航站楼荷载。下穿航站楼北指廊段隧道结构宽度窄,且穿越距离较短,航站楼基础采用设置转换大梁一跨跨越隧道的方式,如图3、图4所示。图3 机场2号隧道下穿航站楼段横断面Fig.3 Cross section of Airport Tunnel 2 undercrossing TerminalSection图4 机场2号隧道下穿北指廊段横断面Fig.4 Cross section of Airport Tunnel 2 undercrossing nothernairside concourse3.2隧道结构形式确定隧道下穿 GTC 段,隧道结构平面
14、呈“喇叭口”状,结构宽度逐渐缩小,由七箱(净宽61 m)逐渐变为五箱(净宽51 m),单孔最大跨度为11.6 m。隧道顶板上部承受43根基础柱,柱底荷载大,其中最大轴力标准值为36 624 kN,且同一断面内各柱荷载大小、数量及位置均不相同。借鉴复杂高层建筑结构设计案例及相关工程经验,结构形式可采用转换梁、转换厚板、转换桁架等912。因隧道结构跨度大,平面为“喇叭口”型,且上部结构柱网布置不规则,部分区域为弧形,转换梁与上部柱网及下部隧道结构难以完全对应,易导致受力不均,故布置转换梁不合适。根据地下结构受力特点,结合工程实际,隧道结构采用厚板较为合适。因隧道上方框架柱分布位置及荷载大小均不相同
15、,考虑到落于隧道上方支座的布置,同时满足隧道受力特点,结构采用直墙平顶圆拱方案。顶板顶面为平面,便于上部结构支座施作,顶板内侧为圆拱,利于结构受力。直墙平顶圆拱方案实际受力特性以拱的特性为主,结构横断面如图5所示。图5 主体结构横断面Fig.5 Cross section of main structure隧道下穿航站楼段,结构顺接下穿GTC段,采用直墙平顶圆拱方案,结构由五箱(净宽51 m)逐渐变为单箱(净宽16 m),单孔最大跨度为24.7 m。隧道顶板上部承受75根基础柱,柱底荷载大,其中最大轴力标准值为29 788 kN。到发线与正线交汇段线间距逐渐减小,导致难以设置中隔墙,隧道需采用
16、大跨度一跨方案。由于埋深大(覆土10 m左右),跨度大(一跨跨度为24.716.5 m),隧道结构需采用起拱方案,拱跨在地下结构建设中属于大跨,参考大跨建筑、桥梁、水利等工程设计思路1315,提出直墙拉杆拱结构,既保证了隧道受力,又保证了结构整体稳定性。结构横断面如图6所示。3.3隧道结构受力分析该隧道全部采用明挖法施工,底板持力层为粉图6 直墙拉杆拱结构横断面Fig.6 Cross section of straight wall tie-rod arch structure215复杂环境高铁咽喉区隧道下穿机场段结构设计研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHN
17、OLOGY第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版Vol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023质黏土、粉土、粉细砂,混凝土采用C45,结构计算尺寸见表1,地层主要物理力学性质指标见表2。表1 结构计算尺寸(单位:mm)Table 1 Structural calculation dimensions(Unit:mm)断面类型七箱五箱三箱直墙拉杆拱顶板宽度60 80044 28044 28039 70039 70026 30024 70016 500厚度1 1001 1001 100900侧墙高度12 20012 20012 20011 800厚度1 0001
18、0001 0001 200底板宽度43 56855 53638 10043 56826 70038 100247 0016 500厚度2 0002 0002 0001 8002 500中隔墙厚度1 0001 0001 000采用MIDAS-GTS分别对七箱、五箱、三箱以及直墙拉杆拱断面建立二维模型进行模拟分析。计算模型如图7所示。二维模型采用荷载-结构模型,选取最不利断面,上部基础荷载按照选取断面,采用节点荷载施加。各断面计算结果如图8所示。依据计算结果进行结构配筋及裂缝计算,结果见表3。由计算结果可知,各结构断面配筋率及裂缝均能满足规范要求。表2 地层主要物理力学性质指标Table 2 Ma
19、in physical and mechanical property indicatorsof strata岩土名称素填土2-2-1粉质黏土2-2-2粉质黏土2-3-1粉土2-3-2粉土2-4-1粉砂2-5-1细砂C45混凝土容重/(kNm-3)1.851.891.991.911.942.002.002.50变形模量、弹性模量/MPa6.210.47.4116.2833 500泊松比0.300.320.300.300.310.300.300.2黏聚力/kPa1513.815.421.121.710.011.0内摩擦角/()522.721.621.223.825.026.5同时对下穿段隧道建立
20、三维模型,模拟整个施工过程,具体步骤如下:基坑地下连续墙施工、基坑第一层土体开挖、第一道支撑架设、第二层土体开挖、第二道支撑架设、第三层土体开挖、第三道支撑架设、开挖至基坑底、主体结构底板施工、拆除第三道支撑、主体结构侧墙施工、换撑架设、拆除第二道支撑、主体结构顶板施工、拆除第一道支撑、基坑回填。地层采用实体单元,结构采用板单元模拟,共建立两段模型,模型及计算结果如图9、图10所示。图7 不同类型断面二维计算模型Fig.7 2D calculation models for various section forms216复杂环境高铁咽喉区隧道下穿机场段结构设计研究现 代 隧 道 技 术MOD
21、ERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版表3 结构裂缝及配筋计算结果Table 3Calculation results of structural cracks andreinforcement断面类型七箱五箱三箱直墙拉杆拱顶板裂缝宽度/mm0.060.060.14配筋(配筋率)25100(0.45%)25100(0.38%)25100(0.44%)22100(0.42%)侧墙裂缝宽度/mm0.120.100.180.18配筋(配筋率)25100(0.49%)251
22、00(0.49%)25100(0.49%)28100(1.23%)底板裂缝宽度/mm0.070.100.110.17配筋(配筋率)28100(0.31%)28100(0.31%)28100(0.31%)28100+28100(0.49%)(a)模型一(b)模型二图9 三维计算模型Fig.9 3D calculation model图8 不同类型断面二维模型计算结果Fig.8 2D calculation results of various section forms图10 不同类型断面三维计算结果Fig.10 3D calculation results of various section
23、 forms217复杂环境高铁咽喉区隧道下穿机场段结构设计研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版Vol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023将三维计算结果与二维计算结果进行对比分析,如表4所示。从表4中可以看出,三维模拟结果与二维模拟结果相比整体偏小,但偏差不大,最大偏差14%,说明计算结果较为可靠,同时采用二维结果进行配筋计算,所得配筋面积比采用三维结果略偏大,更偏于安全。因此对于复杂地下结构设计可根据二维计算结果进行配筋,根据三维计算结果进行校核。表4 计算结果对比Tabl
24、e 4 Comparison of calculation results断面类型七箱五箱三箱二维模拟结果三维模拟结果偏差/(%)二维模拟结果三维模拟结果偏差/(%)二维模拟结果三维模拟结果偏差/(%)顶板跨中弯矩/(kNm)883861.592.41 2441 192.784.11 8821 701.79.6轴力/kN1 2401 139.98.12 0131 782.0211.52 0801 894.98.9侧墙角部弯矩/(kNm)1 2021 106.887.91 3141 169.1611.01 3041 255.33.7轴力/kN1 5621 341141 5021 363.89.2
25、1 3961 228.812底板跨中弯矩/(kNm)2 001.751 898.415.22 249.12 154.874.22 609.52 5034.1轴力/kN1 5621 500.63.91 7751 553.412.51 5711 401.110.84桩基础设计及变形沉降分析4.1桩基布置及承载力计算隧道下穿GTC、航站楼段所处地层为粉质黏土、粉土、粉砂等地层,地下水位埋深2.57.6 m。隧道结构均位于地下水位以下,地层承载力低。为控制下穿段隧道结构变形沉降,隧道结构底板下方需根据承受荷载情况设置桩基础。目前采用较多的桩基础设置方式主要有两种,一种是在上方结构柱下设置承台,桩基集中
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