付大喜

(河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 河南 鄭州 450052)

城市大斷面明挖隧道斷面形式研究

付大喜

(河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 河南 鄭州 450052)

斷面形式對(duì)城市大斷面明挖隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力、施工方案、工程造價(jià)等有較大影響，在統(tǒng)計(jì)分析我國(guó)已建成城市大斷面明挖隧道斷面形式特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)鄭州市渠南路隧道工程可能采取的斷面形式進(jìn)行研究，分析直墻平頂、直墻圓頂和直墻折板3種斷面形式的受力和斷面特點(diǎn)，并采用荷載-結(jié)構(gòu)模型對(duì)影響直墻折板隧道斷面內(nèi)力的參數(shù)，如折板折起角度、斜板跨度和結(jié)構(gòu)自重等進(jìn)行研究。結(jié)果表明： 渠南路隧道采用直墻折板斷面可提高斷面利用率，改善結(jié)構(gòu)受力條件，且上述3個(gè)參數(shù)均會(huì)影響直墻折板斷面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果。

城市大斷面明挖隧道； 斷面形式； 折起角度； 斜板跨度； 結(jié)構(gòu)自重

0 引言

隨著人們對(duì)城市環(huán)境和景觀要求的不斷提高，城市道路交通量增大，城市下穿隧道越來越多，斷面尺寸也越來越大，并出現(xiàn)了一些城市大斷面明挖隧道。這些隧道一般為單向4車道或單向5車道隧道，施工方法以明挖法為主，采用箱涵框架結(jié)構(gòu)形式。一些學(xué)者對(duì)此類隧道進(jìn)行了研究。例如： 文獻(xiàn)[1]采用破損階段法和極限狀態(tài)法對(duì)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行了解讀和分析，得出城市明挖道路隧道采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法是合理的；文獻(xiàn)[2]通過詳細(xì)的對(duì)比分析，認(rèn)為明挖隧道主體框架采用折板拱形結(jié)構(gòu)具有很大的經(jīng)濟(jì)效益；文獻(xiàn)[3]以北京成府路隧道設(shè)計(jì)為例，闡述了平頂隧道主體結(jié)構(gòu)的確定及其計(jì)算；文獻(xiàn)[4]結(jié)合超大斷面4孔箱型明挖隧道的施工過程，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力、結(jié)構(gòu)沉降及變形等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得出超大斷面箱型明挖隧道主體結(jié)構(gòu)各部位隨施工過程的內(nèi)力變化情況；文獻(xiàn)[5]現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了方興湖雙向8車道湖底隧道地層下孔隙水壓力、抗拔樁樁頂應(yīng)力和框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力，研究了隧道結(jié)構(gòu)受力隨施工工序的變化情況；文獻(xiàn)[6]總結(jié)歸納了廣州市城市車行隧道建設(shè)工程經(jīng)驗(yàn)，分析了存在的問題，提出了車行隧道建設(shè)技術(shù)發(fā)展的方向。

以上文獻(xiàn)基本是針對(duì)城市明挖隧道進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算方法、結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形以及隧道總體設(shè)計(jì)等方面的研究； 但這些文獻(xiàn)對(duì)隧道斷面形式研究較少，而隧道斷面形式對(duì)城市大斷面明挖隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力、施工方案、工程造價(jià)等有較大影響。本文在以上文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)國(guó)內(nèi)已建成城市大斷面明挖隧道斷面特點(diǎn)，比選分析適合渠南路隧道工程的斷面形式，進(jìn)一步深入分析城市大斷面明挖隧道各類斷面形式受力特點(diǎn)和直墻折板斷面受力特點(diǎn)影響因素，以期為類似工程建設(shè)提供參考。

1 已建成城市大斷面明挖隧道斷面特點(diǎn)分析

表1對(duì)我國(guó)已建成的7座城市大斷面明挖隧道案例進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)[7-9]，可以得出以下主要結(jié)論。

1)國(guó)內(nèi)已建成城市大斷面明挖隧道單孔凈跨為16.45～17.6 m(鄭州市北三環(huán)隧道結(jié)構(gòu)21.5 m跨度處為匝道和主隧道匯合處斷面寬度)，為減小大跨條件下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，綜合考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程造價(jià)要求，隧道埋深一般均小于3.0 m。

表1 城市大斷面明挖隧道工程案例統(tǒng)計(jì)

2)隨著隧道埋深的增大，結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸也隨之增大。結(jié)構(gòu)頂板和底板尺寸為1.2～1.6 m，中墻厚度為 0.7～0.9 m，側(cè)墻厚度為0.8～1.2 m，部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土澆筑量已達(dá)到大體積混凝土標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工提出了更高的要求。

3)結(jié)構(gòu)斷面形式以直墻平頂斷面形式為主、直墻折板斷面形式為輔，直墻圓頂斷面形式未見采用。

2 渠南路隧道工程概況和結(jié)構(gòu)斷面形式

鄭州市渠南路1號(hào)隧道工程位于鄭州市西部常西湖新區(qū)內(nèi)，隧道全長(zhǎng)3 520 m，為明挖現(xiàn)澆淺埋隧道，隧道全長(zhǎng)共設(shè)置4處進(jìn)出匝道。在渠南路右側(cè)設(shè)置常西湖新區(qū)地下空間集散車道，為降低工程造價(jià)，滿足道路限界要求，局部地段渠南路隧道和集散車道隧道共墻設(shè)置[10]。渠南路隧道暗埋段結(jié)構(gòu)長(zhǎng)3 080 m，共分為77個(gè)節(jié)段，每個(gè)節(jié)段長(zhǎng)25～60 m。為溝通渠南路隧道和集散車道隧道交通，且為滿足渠南路隧道匝道和集散車道車輛匯入渠南路隧道的要求，渠南路隧道局部單孔凈跨達(dá)21.45 m，跨度之大為國(guó)內(nèi)同類工程罕見。為滿足隧道自流排水要求，大跨段隧道埋深約為2.7 m。隧道主體結(jié)構(gòu)采用C35混凝土，防水等級(jí)P8，抗浮水位位于底板以下，不需考慮抗浮措施。

初擬渠南路隧道3種斷面形式如圖1所示，采用的參數(shù)如表2所示。

(a) 直墻平頂(斷面凈面積195.2 m2)

(b) 直墻圓頂(斷面凈面積253.7 m2)

(c) 直墻折板(斷面凈面積204.9 m2)

計(jì)算參數(shù)數(shù)值埋深h/m2.7土體重度γ/(kN/m3)20側(cè)壓力系數(shù)ν0.5地面超載p/kPa20側(cè)向超載q/kPa10裂縫控制等級(jí)三級(jí)

注： 1)由于地下結(jié)構(gòu)承受荷載大，鋼筋用量多，配筋大多有裂縫要求控制，故直接按荷載準(zhǔn)永久組合計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力和配筋； 2)混凝土保護(hù)層實(shí)際厚度大于30 mm時(shí)，保護(hù)層厚度計(jì)算值取為30 mm。

若定義隧道斷面利用率μ=A′/A，其中A′ 為建筑限界面積，A為斷面內(nèi)輪廓面積，則3種斷面的利用率分別為0.662、0.509和0.630。

顯然，大跨斷面構(gòu)件截面為結(jié)構(gòu)計(jì)算控制截面。大跨斷面構(gòu)件截面按裂縫限值要求的內(nèi)力及配筋計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由表3可知：

2)由強(qiáng)度計(jì)算可知，結(jié)構(gòu)構(gòu)件均處于大偏心受壓狀態(tài)，隨著構(gòu)件軸力的增大，結(jié)構(gòu)受彎承載能力也隨之增大。

表3 不同斷面形式結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

注： 1)彎矩M以迎土面受拉為負(fù)，背土面受拉為正； 2)軸力N以構(gòu)件受壓為正，受拉為負(fù)。

3)從正常使用極限狀態(tài)最大裂縫寬度限值要求計(jì)算出的鋼筋截面面積可以看出： 直墻圓頂受力性能較好，結(jié)構(gòu)內(nèi)力較小，結(jié)構(gòu)斷面尺寸和配筋面積均小于其余2種斷面；其次是直墻折板斷面；直墻平頂斷面內(nèi)力和配筋面積最大，且直墻平頂頂板左支座處由于內(nèi)力太大，配置2排直徑為32 mm、間距為100 mm的鋼筋也不能滿足最大裂縫寬度限值要求(0.2 mm)，這一配置基本已經(jīng)達(dá)到鋼筋排布施工的限值。

4)與直墻平頂和直墻折板斷面相比，直墻圓頂斷面受力條件較好，但直墻圓頂斷面存在以下問題[3]： ①施工困難，需要做大型鋼拱架模板； ②混凝土澆筑困難，尤其是拱頂處混凝土將對(duì)角部產(chǎn)生較大壓力，容易導(dǎo)致脫模漏漿； ③鋼筋需預(yù)彎，難度較大； ④對(duì)于淺覆土情況，要保證隧道內(nèi)凈空要求，拱矢高很有限，優(yōu)化效率較低； ⑤為保證隧道上方市政管線敷設(shè)深度要求，采用直墻圓頂斷面時(shí)，隧道線路埋深較大，兩端接線困難，導(dǎo)致隧道長(zhǎng)度增大、造價(jià)增加。直墻平頂結(jié)構(gòu)有利于充分利用結(jié)構(gòu)斷面空間，擴(kuò)大斷面利用率，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)比較成熟； 但其結(jié)構(gòu)受力性能較差，不能適應(yīng)本工程大跨結(jié)構(gòu)受力工況。

從結(jié)構(gòu)受力性能和斷面利用率等方面考慮，本次設(shè)計(jì)選用直墻折板斷面。

3 直墻折板斷面參數(shù)敏感性分析

3.1 折板折起角度分析

以折起角度分別為(斜板與水平面夾角)20°、30°、40°為例，分析折板折起角度對(duì)折板內(nèi)力的影響，折起角度越大，則結(jié)構(gòu)總高度越大，埋深相同時(shí)，結(jié)構(gòu)側(cè)向荷載越大。計(jì)算參數(shù)如表2所示，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 折起角度不同時(shí)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

Table 4 Calculation results of structural internal force for different deflection angles

折起角度/(°)位置彎矩M/(kN·m)軸力N/kN剪力F/kN203040頂板底板頂板底板頂板底板左支座-31061183876跨中2540812右支座-3389969821左支座-2363116954跨中1590116右支座-14391161147左支座-26441352669跨中2370837右支座-27071148784左支座-2381175963跨中1655175右支座-13931751176左支座-21151485458跨中2224843右支座-24331281655左支座-2455255993跨中1732255右支座-14182551225

由表4的計(jì)算結(jié)果可知，在結(jié)構(gòu)埋深相同、結(jié)構(gòu)高度不同時(shí)，隨折板折起角度的增大：

1)頂板剪力呈減小趨勢(shì)，底板剪力呈增大趨勢(shì)，且除底板右支座外，減小和增大趨勢(shì)均較明顯。

2)除底板右支座外，結(jié)構(gòu)頂板彎矩隨折起角度的增大而減小，底板彎矩隨折起角度的增大而增大；結(jié)構(gòu)頂?shù)装遢S力均隨折起角度的增大而增大。對(duì)于頂板，隨折起角度增大，彎矩減小，軸力增大，處于更有利的受力狀態(tài)。

3)本次設(shè)計(jì)根據(jù)包絡(luò)建筑限界頂角寬度和高度的要求，確定斜板折起角度為arctan 1/2，約為 26.5°，且抬高大跨斷面的高度，以減小結(jié)構(gòu)埋深和豎向荷載，使結(jié)構(gòu)處于合理的受力狀態(tài)。

3.2 斜板折起跨度對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響分析

現(xiàn)以相同埋深條件下，折起角度arctan 1/2，每側(cè)斜板跨度占結(jié)構(gòu)凈跨1/6、1/5和1/4(大跨結(jié)構(gòu)凈跨21.45 m，斜板跨度分別為3.575、4.290、5.362 5 m)為例，對(duì)斜板跨度引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力差異進(jìn)行分析，其計(jì)算參數(shù)見表2所示。大跨結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 折起跨度不同時(shí)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

Table 5 Calculation results of structural internal force for different skew plate spans

斜板跨度占比位置彎矩M/(kN·m)軸力N/kN剪力F/kN1/61/51/4頂板底板頂板底板頂板底板左支座-32431310794跨中2377816右支座-32001082900左支座-30811661010跨中1498166右支座-19661661142左支座-30831386774跨中2183893右支座-29871080896左支座-31232111027跨中1506211右支座-20022111146左支座-29181455767跨中1877959右支座-27791047916左支座-32272621061跨中1524262右支座-20392621150

由表5的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果可知，在相同埋深條件下，隨著斜板跨度的增大，頂板相應(yīng)位置彎矩逐漸減小，底板相應(yīng)位置彎矩逐漸增大，且頂板和底板軸力均呈增大趨勢(shì)。上述計(jì)算結(jié)果由3種斜板不同跨度、相同埋深條件下得出，實(shí)際上，當(dāng)隧道線路埋深已經(jīng)確定、斜板折起角度相同時(shí)，斜板跨度越大，隧道埋深越小； 但是斜板跨度越大，結(jié)構(gòu)斷面尺寸也相應(yīng)增大，斷面利用率減小，混凝土工程量增大，且應(yīng)綜合考慮隧道埋深減小是否會(huì)造成隧道上方管線敷設(shè)困難。

3.3 結(jié)構(gòu)自重對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響分析

大跨結(jié)構(gòu)由于跨度較大，在較小荷載下即會(huì)產(chǎn)生較大的截面內(nèi)力，而結(jié)構(gòu)斷面尺寸對(duì)裂縫寬度計(jì)算值影響較大，所以在裂縫寬度限值計(jì)算不滿足規(guī)范要求時(shí)，一般均通過增加板厚或者增大配筋面積來調(diào)整裂縫寬度計(jì)算值；但盲目增大斷面尺寸也會(huì)增加結(jié)構(gòu)自重，使截面內(nèi)力進(jìn)一步增加。現(xiàn)以直墻折板斷面為例，對(duì)結(jié)構(gòu)自重增加引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行分析，以期得到經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸。

由前述計(jì)算可知，折板大跨結(jié)構(gòu)內(nèi)力控制部位為結(jié)構(gòu)頂板，現(xiàn)以頂板厚度分別為1.0、1.2、1.4、1.6 m為例對(duì)折板結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算參數(shù)如表2所示，計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 頂板厚度不同時(shí)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

注： 頂板混凝土造價(jià)按1 000元/m3估算，鋼筋按5元/kg估算。

在淺埋條件下，隧道高度和跨度一定時(shí)，由表6計(jì)算結(jié)果可以看出：

1)隨著頂板厚度由1.0 m增加至1.6 m，左支座、跨中和右支座的彎矩分別增大了25.6%、39.4%和10.4%，相應(yīng)位置的軸力卻減少了3.4%、17.2%和5%，說明隨著頂板厚度增大，頂板自重荷載增加，彎矩增大，軸力減小。

2)隨著頂板厚度增大，雖然截面配筋面積有所減小，但總造價(jià)呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，尤其是跨中截面每m2的造價(jià)增加了40.4%，說明盲目增大斷面尺寸是不經(jīng)濟(jì)的；故不建議過多增加斷面面積，而應(yīng)有效增加截面抗彎慣性矩?？招陌蹇勺鳛檠芯糠较蛑弧?/p>

3)頂板厚度較小時(shí)，工程造價(jià)較低； 但由于配筋面積較大，鋼筋密集可能會(huì)對(duì)施工中的混凝土振搗、鋼筋綁扎等帶來不利影響。綜合考慮造價(jià)和施工等因素，本次設(shè)計(jì)折板斷面頂板采用1.4 m板厚。

4 結(jié)論與建議

1)我國(guó)已建成的城市大斷面明挖隧道以直墻平頂斷面形式為主，直墻折板形式為輔，直墻圓頂形式較少。在受力性能上，直墻圓頂斷面優(yōu)于直墻折板斷面，直墻折板斷面優(yōu)于直墻平頂斷面，但在斷面利用率上則排序相反。綜合考慮，渠南路隧道工程采用直墻折板斷面形式。

2)在結(jié)構(gòu)埋深和結(jié)構(gòu)高度相同條件下，直墻折板結(jié)構(gòu)頂板彎矩隨折起角度的增大而減小，底板彎矩隨折起角度的增大而增大；結(jié)構(gòu)頂?shù)装遢S力均隨折起角度的增大而增大。

3)在相同埋深條件下，對(duì)于直墻折板結(jié)構(gòu)斜板不同的折起跨度，隨著斜板跨度的增大，頂板相應(yīng)位置彎矩逐漸減小，底板相應(yīng)位置彎矩逐漸增大，且頂板和底板軸力均呈增大趨勢(shì)。

4)在淺埋條件下，隧道高度和跨度一定時(shí)，直墻折板結(jié)構(gòu)單純?cè)黾訕?gòu)件尺寸不僅會(huì)增大結(jié)構(gòu)內(nèi)力，而且會(huì)增加結(jié)構(gòu)造價(jià)，頂板跨中截面表現(xiàn)尤為明顯；因此，應(yīng)考慮在保證結(jié)構(gòu)自重不變的基礎(chǔ)上增大截面抗彎慣性矩，空心板可作為此類結(jié)構(gòu)的研究方向。

上述內(nèi)容為在抗浮設(shè)防水位位于主體結(jié)構(gòu)底板以下時(shí)得出的結(jié)論，當(dāng)抗浮設(shè)防水位位于主體結(jié)構(gòu)底板以上或位于主體結(jié)構(gòu)頂板以上時(shí)，由于結(jié)構(gòu)所受水土壓力荷載進(jìn)一步增大，結(jié)論或與上述分析會(huì)有所不同。水壓力對(duì)城市大斷面明挖隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生的影響有待進(jìn)一步研究。

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Study of Cross-section Shapes of Urban Open-cut Tunnel with Large Cross-section

FU Daxi

(HenanProvincialCommunicationsPlanning&DesignInstituteCo.,Ltd.,Zhengzhou450052,Henan,China)

The cross-section shape of urban open-cut tunnel with large cross-section has a significant effect on the structural internal force, construction scheme and project cost. The cross-section shapes probably used in tunnel on Qunan Road in Zhengzhou are studied based on the statistics and analysis of the cross-section shapes of urban open-cut large cross-section tunnel which have been constructed. The characteristics of stress and cross-section of 3 cross-section shapes of straight wall flat plate, straight wall circle plate and straight wall skew plate are analyzed. The parameters, i. e. deflection angle, skew plate span and structural dead weight, which affect the internal force of cross-section in straight wall and skew plate shape, are analyzed by load-structure model. The study results show that: the utilization rate of cross-section and the structure stressing conditions of tunnel on Qunan Road can be improved by using cross-section in straight wall skew plate shape; and the calculation results of internal force will be affected by deflection angle, skew plate span and structural dead weight.

urban open-cut tunnel with large cross-section; cross-section form; deflection angle; skew plate span; structural dead weight

2016-11-30;

2017-03-27

付大喜(1979—)，男，河南信陽人，2001年畢業(yè)于湖南大學(xué)，交通土建專業(yè)，本科，高級(jí)工程師，從事隧道與地下工程設(shè)計(jì)和研究工作。E-mail: calm112@sina.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.017

U 452.2

A

1672-741X(2017)08-1026-06