王 霞

（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京市 100044）

0 引言

為推動(dòng)北京市政府和相關(guān)市屬企業(yè)單位有序向通州搬遷，北京城市副中心的市政道路、軌道交通及博物館、大劇院、圖書館等生活配套工程正在加速建設(shè)，建設(shè)的成果將進(jìn)一步帶動(dòng)中心城區(qū)人口和其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)向副中心有效疏解。城市副中心的空間布局是“一軸、一帶、多組團(tuán)”（見圖1）?！耙惠S”即創(chuàng)新發(fā)展軸依托東六環(huán)入地改造工程，地面修建六環(huán)高線公園，以達(dá)到有效縫合城市空間的目的。副中心行政辦公區(qū)、城市綠心森林公園、北京環(huán)球主題公園及度假區(qū)、宋莊文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)等多個(gè)功能中心在創(chuàng)新發(fā)展軸的作用下均能夠有效串聯(lián)。

圖1 副中心項(xiàng)目規(guī)劃圖

東六環(huán)入地改造工程作為北京城市副中心部署的重點(diǎn)項(xiàng)目，意義重大。在該隧道明挖閉合框架主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)凈跨長達(dá)15～18.6 m，為滿足結(jié)構(gòu)承載力要求，高強(qiáng)度的鋼筋和混凝土在隧道工程中的使用越來越頻繁，強(qiáng)度等級(jí)越高的鋼筋和混凝土，其結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)尺寸會(huì)相對(duì)減小，就會(huì)容易忽視鋼筋混凝土受彎構(gòu)件在正常使用階段的結(jié)構(gòu)剛度問題，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件可能產(chǎn)生過大的撓曲變形，最終影響結(jié)構(gòu)的正常使用[1]，比如造成結(jié)構(gòu)裂縫的增加、防水的失效、懸掛設(shè)備侵限、感官體現(xiàn)差等問題。因此為保證隧道正常運(yùn)營使用，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的撓度變形控制同樣重要，針對(duì)結(jié)構(gòu)撓度驗(yàn)算，最大撓度值不超過允許限值，目前可以依據(jù)的規(guī)范有《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）（以下稱《混規(guī)》）、《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》（JTG 3370.1—2018）（以下稱《隧道規(guī)范》）、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）（以下稱《橋涵規(guī)范》），撓度限值要求不盡相同，不同規(guī)范的采用，都可能造成結(jié)構(gòu)不同的設(shè)計(jì)結(jié)果，因此本文以東六環(huán)入地改造項(xiàng)目為工程背景，對(duì)鋼筋混凝土受彎構(gòu)件采用不同規(guī)范時(shí)的撓度驗(yàn)算進(jìn)行了對(duì)比分析，分析結(jié)果可為相似明挖隧道工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有效借鑒。

1 工程背景

東六環(huán)入地改造項(xiàng)目為高速公路改擴(kuò)建工程，包含改擴(kuò)建部分（直接加寬段）與新建部分（入地改造段），道路全長約16 km，道路閃設(shè)計(jì)起點(diǎn)位于現(xiàn)狀東六環(huán)上跨西下營路分離式立交南側(cè)約60 m 處，設(shè)計(jì)終點(diǎn)位于現(xiàn)狀東六環(huán)上跨疃里新村路分離式立交北側(cè)約220 m 處，工程平面見圖2。入地改造隧道段為規(guī)劃萬盛南街至規(guī)劃潞苑二街，全長約9.2 km，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，采用明挖法與盾構(gòu)法相結(jié)合的施工工法，其中盾構(gòu)段7.4 km。全線隧道下穿鐵路、軌道交通、房屋建筑、河流、橋梁、道路、綜合管廊、高壓電塔、燃?xì)夂接凸芫€等眾多風(fēng)險(xiǎn)源。

圖2 工程平面圖

本工程隧道工程場區(qū)內(nèi)主要為第四紀(jì)沉積層，主要以高密實(shí)砂層為主，局部分布有粉土、粉質(zhì)黏土并存在少量圓礫、卵石層，粒徑不大于20 cm。地表以下9.0～10. 0 m 進(jìn)入潛水層，隧址區(qū)砂、卵礫石層內(nèi)分布有多層承壓水。

2 明挖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

東六環(huán)隧道共設(shè)置南、中、北三處盾構(gòu)井，為適應(yīng)盾構(gòu)機(jī)后配套臺(tái)車工作或考慮到盾構(gòu)井消防、通風(fēng)、電氣等附屬設(shè)備布設(shè)空間有限，南井、北井均設(shè)置了后配套段。本文以南側(cè)盾構(gòu)井后配套段64 m 明挖結(jié)構(gòu)為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，隧道結(jié)構(gòu)平面、縱斷面見圖3、圖4。該節(jié)點(diǎn)設(shè)置為三層閉合框架結(jié)構(gòu)，利用第一層空腔作為隧道設(shè)備用房和儲(chǔ)物空間，第二層空間為電纜夾層和空氣凈化通風(fēng)風(fēng)道，第三層空間為行車層、疏散救援層，同時(shí)為減少后配套段閉合框架結(jié)構(gòu)側(cè)墻高度，在閉合框架內(nèi)部間距3 m 設(shè)置4 m×4 m 三角肋板撐，形成穩(wěn)定的閉合框架空間受力體系。

圖3 隧道結(jié)構(gòu)平面設(shè)計(jì)圖（單位：m）

圖4 隧道結(jié)構(gòu)縱斷面設(shè)計(jì)圖（單位：cm）

該區(qū)段結(jié)構(gòu)凈跨15.5～18.6 m，結(jié)構(gòu)高度16.95～23.5 m，結(jié)構(gòu)頂板覆土2.6 m，結(jié)構(gòu)橫斷面設(shè)計(jì)見圖5，結(jié)構(gòu)頂板厚度為1.2 m，側(cè)墻厚度為1.3 m，中墻厚度為1.0 m，中板厚度為1 m，夾層板0.5 m，底板厚度為1.4 m。主體結(jié)構(gòu)采用C40 補(bǔ)償收縮混凝土，設(shè)計(jì)使用年限為100 a，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1。

圖5 隧道結(jié)構(gòu)橫斷面設(shè)計(jì)圖（單位：cm）

結(jié)構(gòu)所處土層從上到下分別為：①粉質(zhì)素填土、②粉土、③細(xì)砂、③2粉質(zhì)黏土、④細(xì)砂，結(jié)構(gòu)底部持力土層為④層細(xì)砂層，垂直基床系數(shù)30 MPa/m。地層參數(shù)詳見表1。

表1 地層參數(shù)表

3 相關(guān)規(guī)范要求

明挖隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)規(guī)范選用的不同，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的最大撓度值限值要求也不盡相同。

《混規(guī)》[2]中規(guī)定：對(duì)于正常使用極限狀態(tài)，鋼筋混凝土構(gòu)件應(yīng)按荷載的準(zhǔn)永久組合并考慮長期作用的影響進(jìn)行變形驗(yàn)算，其最大撓度值應(yīng)滿足表2 的撓度限值。如果結(jié)構(gòu)構(gòu)件運(yùn)營使用上允許，構(gòu)件制作時(shí)可設(shè)置預(yù)拱度，驗(yàn)算撓度時(shí)，可將計(jì)算所得的撓度值減去預(yù)拱值。

表2 受彎構(gòu)件的撓度限值

《隧道規(guī)范》[3]中規(guī)定：對(duì)于受彎構(gòu)件，按荷載的基本組合計(jì)算的最大撓度值不應(yīng)大于表3 規(guī)定的允許值。

表3 受彎構(gòu)件的撓度限值

《橋涵規(guī)范》[4]中規(guī)定：受彎構(gòu)件在使用階段的撓度應(yīng)考慮長期效應(yīng)的影響，即按規(guī)范頻遇組合和規(guī)范規(guī)定剛度計(jì)算的撓度值，乘以撓度長期增長系數(shù)ηθ。擾度長期增長系數(shù)ηθ：

（1）當(dāng)采用C40 以下混凝土?xí)r，ηθ=1.6；

（2）當(dāng)采用C40～C80 時(shí)，ηθ=1.45～1.35，中間強(qiáng)度等級(jí)可按直線內(nèi)插法取值。

鋼筋混凝土受彎構(gòu)件按上述計(jì)算的長期撓度值，由汽車荷載和人群荷載頻遇組合在梁式橋主梁產(chǎn)生的最大撓度不應(yīng)超過計(jì)算跨徑的1/600。

4 結(jié)構(gòu)撓度驗(yàn)算對(duì)比分析

本文采用MIDAS GEN/Civil 對(duì)南側(cè)盾構(gòu)井后配套段明挖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了二維、三維荷載- 結(jié)構(gòu)法模擬計(jì)算，計(jì)算將圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為一種永久性剛度儲(chǔ)備考慮，不考慮圍護(hù)樁對(duì)結(jié)構(gòu)的復(fù)合作用[5]。三維選取結(jié)構(gòu)縱向長度64 m，二維選取縱向長度1 m，彈性地基采用軟件中彈性連接進(jìn)行模擬，彈性剛度取為結(jié)構(gòu)底土層的基床系數(shù)。對(duì)各結(jié)構(gòu)的自重、水土壓力、設(shè)備荷載、地面超載等作用按照實(shí)際情況施加，同時(shí)考慮施工階段和使用階段，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的計(jì)算，計(jì)算模型見圖6、圖7，結(jié)構(gòu)變形計(jì)算云圖見圖8、圖9。

圖6 三維模型圖

圖7 二維模型圖

圖8 三維模擬結(jié)構(gòu)變形圖（單位：mm）

圖9 二維模擬結(jié)構(gòu)變形圖（單位：mm）

受彎構(gòu)件長期撓度受環(huán)境加載齡期、環(huán)境溫度濕度的影響較大，當(dāng)環(huán)境較為干燥時(shí)，撓度增大系數(shù)增加20%～40%[1]，綜合考慮《橋涵規(guī)范》中C40 混凝土?xí)r撓度長期影響系數(shù)為1.45，該參數(shù)取用1.45。

經(jīng)過結(jié)構(gòu)計(jì)算，閉合框架頂板、中板、夾層板基本組合、頻遇組合、準(zhǔn)永久組合下的計(jì)算撓度值見表4，依據(jù)三本規(guī)范進(jìn)行撓度驗(yàn)算，可知：

表4 結(jié)構(gòu)撓度計(jì)算結(jié)果及驗(yàn)算匯總表

（1）依據(jù)《混規(guī)》，三維、二維I-I 結(jié)構(gòu)區(qū)段、II-II結(jié)構(gòu)區(qū)段，結(jié)構(gòu)頂板、中板準(zhǔn)永久組合并考慮長期影響下的撓度值滿足l0/300 限值要求，夾層板撓度不滿足要求；

（2）依據(jù)《隧道規(guī)范》，三維、二維I-I 結(jié)構(gòu)區(qū)段、II-II 結(jié)構(gòu)區(qū)段，中板基本組合情況下?lián)隙戎禎M足l0/400 限值要求，頂板、夾層板均不滿足規(guī)范要求；

（3）依據(jù)《橋涵規(guī)范》，三維、二維I-I 結(jié)構(gòu)區(qū)段、II-II 結(jié)構(gòu)區(qū)段，結(jié)構(gòu)頂板、中板、夾層板頻遇組合可變荷載（地面超載、溫度作用）下的撓度值考慮長期影響后均滿足l0/600 限值要求。

經(jīng)過對(duì)比分析可知：

《橋涵規(guī)范》只考慮了溫度作用、地面超載等可變荷載作用下的撓度限值，并不能全面考慮隧道覆土、水壓力等恒載對(duì)結(jié)構(gòu)撓度的影響，該規(guī)范撓度驗(yàn)算方法并不適用于隧道結(jié)構(gòu)工程；

《隧道規(guī)范》頂板、夾層板撓度不滿足限值要求，l0/400 限值要求針對(duì)隧道此類非特殊要求的結(jié)構(gòu)較為嚴(yán)格；

夾層板《隧道規(guī)范》、《混規(guī)》撓度驗(yàn)算均不滿足要求，針對(duì)15.5～18.6 的結(jié)構(gòu)跨徑，結(jié)構(gòu)厚度設(shè)置偏薄。

夾層板撓度不滿足規(guī)范要求的解決思路：

由于夾層板結(jié)構(gòu)到隧道行車限界僅有38 cm，此空間需預(yù)留部分管線、照明燈具、監(jiān)控等設(shè)備的布設(shè)，空間有限，設(shè)計(jì)考慮適當(dāng)增加夾層板結(jié)構(gòu)厚度到600 mm，同時(shí)夾層板施工時(shí)需預(yù)先起拱。預(yù)拱度可按結(jié)構(gòu)恒載和1/2 可變荷載頻遇值計(jì)算的長期撓度值之和采用，通過計(jì)算該結(jié)構(gòu)夾層板可設(shè)置2 cm 預(yù)拱度，驗(yàn)算夾層板撓度時(shí)，可將所得的撓度值減去預(yù)拱度即可滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論與建議

本文以高速公路東六環(huán)入地改造工程為分析案例，采用荷載- 結(jié)構(gòu)法對(duì)南側(cè)盾構(gòu)井后配套段多層閉合框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算，通過采用不同規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)頂板、中板、夾層板撓度驗(yàn)算進(jìn)行了對(duì)比分析，得出如下結(jié)論和建議：

（1）對(duì)明挖隧道受彎構(gòu)件進(jìn)行撓度驗(yàn)算時(shí)，《橋涵規(guī)范》并不適用于隧道工程，建議采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合理；

（2）明挖結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件控制撓度時(shí)，優(yōu)先考慮增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸進(jìn)一步增加構(gòu)件整體剛度來減小撓度變形，也可以通過增設(shè)斜撐等減跨方式控制；對(duì)于均無設(shè)置條件時(shí)，可考慮構(gòu)件施工時(shí)預(yù)先起拱的方式，預(yù)拱值需滿足規(guī)范要求。

（3）目前明挖隧道結(jié)構(gòu)凈跨徑越來越大，作為使用年限100 a 的結(jié)構(gòu)工程，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)撓度的驗(yàn)算，這將有利于提高隧道工程的主體結(jié)構(gòu)耐久性，并延長隧道的使用年限。