一种下穿隧道与上跨桥墩合建结构及设计方法与流程

本发明属于土木工程，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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、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；

3、所述上跨桥墩结构包括，包括墩柱、墩身及承台及桩基础；

4、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；

5、隧道底板下设置复合桩基。

6、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。

7、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。

8、进一步的，在所述的横向变形缝下设刚性垫块。

9、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。

10、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：

11、(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；

12、(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；

13、基桩单桩竖向承载力特征值ra按下式预估：

14、

15、式中：u为桩身周长(m)；qsik为桩周第i层土的极限侧阻力(kpa)；li为桩周第i层土的厚度(m)；α为桩端阻力修正系数；psk为桩端阻力(kpa)；ap为桩端面积(m2)。

16、(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：

17、

18、式中：n为复合桩基中的桩数；fk为相应于荷载效应标准组合时，作用于隧道底板顶面的竖向力(kn)；gk为隧道结构自重及隧道底板上上跨桥梁结构自重标准值(kn)；qca为基础下桩间土承担的荷载标准值(kn)；α为隧道底板下桩基土地基承载力的利用率，可取0.4～0.5；rai为复合桩基中单桩竖向承载力特征值(kn)。

19、(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。

20、(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σi。

21、隧道侧墙静止侧压力根据地勘报告按下式计算：

22、

23、式中：σi为计算点处的静止土压力(kpa)；γj为计算点以上第j层土的有效重度(kn/m3)；hj为计算点以上第j层土的厚度(m)；q为隧道边超载(kpa)；ki为计算点处的静止土压力系数；ui为计算点处的水压力(kpa)。

24、(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：

25、uf＝γw(h-h)                       (4)

26、式中：γw为水的重度，一般取10kn/m3。

27、(7)隧道底板底地基土抗力系数ks按下式：

28、

29、式中：ks为地基抗力系数(kn/m3)；e0为地基土变形模量(kpa)；a为隧道底板底面积；μ0为地基土的泊松比；i0为反应基础形状和刚度的系数，可取0.866。

30、(8)桩端土体抗力系数kb按下式：

31、

32、式中：kb为桩端土体抗力系数(kn/m3)；e为土变形模量(kpa)；d为桩径；μ为地基土的泊松比；ω为沉降影响系数。

33、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。

34、即qi≤rai(7)

35、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。

36、即ss≤s0且sp≤s0(8)

37、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δsmax不得大于[δsmax]。

38、即δsmax≤[δsmax](9)

39、式中：规定允许最大差异沉降[δsmax]＝0.002l0，l0为两测点间的水平距离。

40、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：

41、

42、式中：spi为第i次计算下桩顶沉降(mm)；ssi为第i次计算下桩间土顶面的沉降量(mm)；spi-1为第i-1次计算下桩顶沉降(mm)；ssi-1为第i-1次计算下桩间土顶面的沉降量(mm)；δ为差异沉降控制标准，可取0.01～0.05。

43、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。