一种下穿隧道与上跨桥墩合建结构及设计方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，尤其涉及一种下穿隧道与上跨桥墩合建结构，采用复合桩基，考虑桩和桩间土共同直接承担荷载，通过桩和桩间土的变形协调，在满足承载能力和变形控制标准的前提下，通过变刚度调平概念来减小差异变形、优化结构内力的设计方法。

背景技术

工程建设中，由于用地、线路走向，结构型式布设等原因，下穿隧道与上跨桥墩出现交叉节点，上跨桥墩需落入下穿隧道底板上。若采用两种结构型式的分开设计。一会影响隧道的平面走向，断面布置型式，增加设计及施工的难度；二若通过在隧道底板处局部设置变形缝预留上跨桥梁施工空间，使二者分开建设，由于二者荷载型式不同，产生的沉降也不同，且差别较大，差异沉降使得该节点在运营阶段存在渗漏水，隧道底板下的地基土向隧道内渗入，降低地基承载力，影响隧道内行车安全。

传统的桩基理论中，一般不考虑桩间土直接参与承担荷载，荷载全部由桩承担，这是因为不知如何评估桩和桩间土共同直接承担荷载的条件、确定桩土分担荷载的比例，而只是把桩间土当成承担荷载的一钟安全储备。桩长设计传统确定方法是在满足地基承载力的情况下，估算地基沉降，且通常以桩端进入一定的持力层依靠经验来研判，但往往桩长取值偏于保守，缺乏量化分析，易造成不必要的浪费。

均匀布桩的隧道，其底板沉降变形分布呈明显蝶形，隧道底板的蝶形沉降，降引起自身和上部结构的附加弯、剪内力乃至开裂。而桩顶反力，随荷载和结构刚度的增加，中、边桩反力差逐渐增大，呈明显马鞍形分布。由此引起的负面效应是将导致隧道底板的整体弯矩增大。

发明内容

基于此，根据本发明的一个实施方式，其目的在于，提供一种下穿隧道与上跨桥墩合建结构及设计方法。对落入隧道底板的上跨桥墩，采用上跨桥墩与隧道刚性连接，墩身及承台与隧道底板整体浇注的合建结构。隧道底板下采用复合桩基，考虑桩和桩间土共同直接承担荷载，通过桩和桩间土的变形协调，在满足承载能力和变形控制标准的前提下，通过变刚度调平概念来减小差异沉降、降低隧道底板内力和上部结构次内力。以节约资源，降低工程综合造价，提高建筑物使用寿命，确保正常使用功能。

为达到上述目的，本发明的下穿隧道与上跨桥墩合建结构，所述下穿隧道结构包括，包括隧道侧墙、隧道底板及桩基础；

所述上跨桥墩结构包括，包括墩柱、墩身及承台及桩基础；

其中，所述的上跨桥墩与隧道刚性连接，上跨桥墩的墩身及承台与隧道底板整体浇注；

隧道底板下设置复合桩基。

进一步的，在所述的隧道底板底部对应上跨桥墩区域一体设置加厚层；隧道底板加厚层与隧道底板之间做不大于45°角过渡衔接。

进一步的，沿隧道纵向设置横向变形缝。变形缝宽度为15-25mm，来控制合建结构对隧道其余槽段的影响。刚性垫块长度L＝隧道底板宽+400mm，即每边超出隧道边200mm，刚性垫块宽度为1000mm，高度为500mm。

进一步的，在所述的横向变形缝下设刚性垫块。

进一步的，所述的刚性垫块长度L＝隧道底板宽+400mm；所述刚性垫块宽度为1000mm，高度为500mm。

为达到上述目的，本发明的下穿隧道与上跨桥墩合建结构的设计方法，所述设计方法包括如下步骤：

(1)根据下穿隧道及上跨桥墩的设计荷载、场地工程地质条件及水文条件、隧道断面尺寸及埋深、上跨桥梁桥墩型，确定隧道底板下桩型、桩长l及桩径d；

(2)根据桩长l及桩径d，确定各基桩单桩竖向承载力特征值Ra；

基桩单桩竖向承载力特征值Ra按下式预估：

式中：u为桩身周长(m)；q

(3)考虑先利用一定比例的天然地基承载力，不足部分采用桩的承载力来补足，则复合桩基中的桩数n按下式确定：

式中：n为复合桩基中的桩数；F

(4)建立三维有限元模型，对合建节点模型进行网格划分，地基土和桩底土等效为一系列独立的弹簧来模拟。设计荷载和弹簧作用于单元节点上，运用有限元分析程序进行内力和变形计算。

(5)根据隧道边超载q、隧道底板埋深H及地下水位h，确定隧道侧墙静止侧压力σ

隧道侧墙静止侧压力根据地勘报告按下式计算：

式中：σ

(6)根据隧道底板埋深H及地下水位h，确定隧道底板水浮力uf：

u

式中：γ

(7)隧道底板底地基土抗力系数ks按下式：

式中：k

(8)桩端土体抗力系数k

式中：k

进一步的，复合桩基在荷载作用下，荷载由桩和桩间土共同承担，设计中复合桩基中第i桩的桩顶荷载Qi不得大于对应的单桩竖向承载力特征值Rai。

即Q

进一步的，计算沉降在设计控制的沉降范围内，隧道底板桩间土顶面的沉降量Ss、桩顶沉降量Sp不得大于设计控制沉降量S0。

即s

进一步的，计算最大差异沉降在允许值范围内，最大差异沉降Δs

即Δs

式中：规定允许最大差异沉降[Δs

进一步的，考虑桩和桩间土共同直接承担荷载，通过桩和桩间土的变形协调，即通过调整复合桩基中基桩的桩长l、桩径d及桩间距S，来调整隧道底板下基桩的竖向支承刚度分布，促使隧道底板差异沉降减到最小，使隧道底板结构内力显著降低，有效减小隧道底板内力。隧道底板的设计差异沉降按下式确定：

式中：s

本发明在工程建设中下穿隧道与上跨桥墩出现交叉节点时，对落入隧道底板的上跨桥墩，采用上跨桥墩、墩身及承台与隧道底板刚性连接，结构整体浇注。隧道底板既作为上跨桥墩的墩身及承台，又作为隧道结构的一部分。隧道底板下采用复合桩基，考虑桩和桩间土共同直接承担荷载，通过桩和桩间土的变形协调，在满足承载能力和变形控制标准的前提下，通过变刚度调平概念来减小差异沉降、降低隧道底板内力和上部结构次内力，提高建筑物使用寿命，确保正常使用功能。从而实现下部隧道建筑限界与上跨桥墩的合理设置，提高了城市空间的综合利用效率，节约资源，解决了城市道路中大型交通枢纽的综合开发需求，降低工程综合造价。为大型交通枢纽地下空间的利用提供了可靠的保障，具有很好的推广性。

附图说明

图1为本发明一实施例中的下穿隧道与上跨桥墩合建结构工程平面布置示意图；

图2为图1中A-A剖面示意图；

图3为上跨桥墩剖面示意图；

图4为图1中B-B剖面示意图；

图5为本发明一实施例中的下穿隧道与上跨桥墩合建结构变形缝节点详图；

图6为本发明一实施例中的下穿隧道与上跨桥墩合建结构刚性垫块详图；

图7为本发明一实施例中的下穿隧道与上跨桥墩合建结构的设计方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的一实施例，下穿隧道与上跨桥墩合建结构中，下穿隧道结构包括，包括隧道侧墙、隧道底板及桩基础。所述上跨桥墩结构包括，包括墩柱、墩身及承台及桩基础。

图1～图4示意性地示出了一实施方式中提供的一种下穿隧道与上跨桥墩合建结构。如图1～图4所示，该实施例中提供的一种下穿隧道与上跨桥墩合建结构，包括下穿隧道结构、上跨桥墩结构。通过对落入隧道底板的上跨桥墩，采用上跨桥墩与隧道刚性连接，墩身及承台与隧道底板整体浇注的合建结构。隧道底板下采用复合桩基，考虑桩和桩间土共同直接承担荷载，通过桩和桩间土的变形协调，在满足承载能力和变形控制标准的前提下，通过变刚度调平概念来减小差异沉降、降低隧道底板内力和上部结构次内力。以节约资源，降低工程综合造价，提高建筑物使用寿命，确保正常使用功能。

具体地，如图2所示，所述下穿隧道包括：隧道侧墙11、隧道底板12及桩基础13。

具体地，如图3所示，所述上跨桥墩包括：墩柱21、承台22及桩基础23。

图4示意性地示出了所述下穿隧道与上跨桥墩合建结构。包括隧道侧墙31、隧道底板32～34，桥梁墩柱35，隧道底板下设置复合桩基36。

具体地，采用将图2中的隧道底板12与图3中的上跨桥墩墩柱21、承台22整体浇注，刚性连接。对上跨桥墩区域隧道底板实施局部增强处理，即在合建节点中心线不小于2.5D+0.5m(D为上跨桥墩区域下桩基直径，单位m)范围内，下穿隧道底板局部加厚不小于1.0H，形成图4中的合建结构34。图4中隧道底板未加厚处32与隧道底板加厚处34，在隧道底板底以与水平线成不大于45°角过渡衔接33。

具体地，如图1、图5所示，通过沿隧道纵向在隧道底板12与隧道底板32位置处，沿隧道截面设置横向变形缝38，变形缝宽度为20mm，来控制合建结构对隧道其余槽段的影响。

具体地，如图1、图6所示，通过在隧道底板12、横向变形缝38、隧道底板32下设刚性垫块39来控制合建结构与隧道其余槽段的差异沉降，刚性垫块39长度L＝隧道底板宽+400mm，即每边超出隧道边200mm，刚性垫块宽度为1000mm，高度为500mm。

图7示意性示出了一实施例中下穿隧道与上跨桥墩合建结构的设计流程，如图7所示，下穿隧道与上跨桥墩合建结构的设计方法，包括以下步骤：

步骤S10，根据下穿隧道及上跨桥墩的设计荷载、场地工程地质条件及水文条件、隧道断面尺寸及埋深、上跨桥梁桥墩型，确定隧道底板下桩型、桩长l及桩径d；

步骤S20，根据桩长l及桩径d，确定各基桩单桩竖向承载力特征值Ra；

步骤S30，考虑先利用一定比例的天然地基承载力，不足部分采用桩的承载力来补足，则复合桩基中的桩数n按下式确定：

步骤S40，建立三维有限元模型，对合建节点模型进行网格划分，地基土和桩底土等效为一系列独立的弹簧来模拟。设计荷载和弹簧作用于单元节点上，运用有限元分析程序进行内力和变形计算。

步骤S50，根据隧道边超载q、隧道底板埋深H及地下水位h，确定隧道侧墙静止侧压力σ

步骤S60，首先，根据隧道底板埋深H及地下水位h，确定隧道底板水浮力uf：

u

然后按下式计算隧道底板底地基土抗力系数ks：

按下式计算桩端土体抗力系数k

步骤S70，验算桩基中单桩承载力，设计中复合桩基中第i桩的桩顶荷载Qi不得大于对应的单桩竖向承载力特征值Rai。

Q

步骤S80，首先验算计算沉降使其在设计控制的沉降范围内，即隧道底板桩间土顶面的沉降量Ss、桩顶沉降量Sp不得大于设计控制沉降量S0。

s

然后验算计算最大差异沉降在允许值范围内，即最大差异沉降Δs

Δs

最后，通过调整复合桩基中基桩的桩长l、桩径d及桩间距S，使得隧道底板的设计差异沉降满足下式要求：

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。