城市明挖道路隧道結構設計方法分析與研究

姚 堅

（上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092）

1 研究背景

隨著人們對城市環境和景觀要求的提高，越來越多的城市快速路或主干道穿越敏感區域的部分，采用地下隧道的方案，其連續長度甚至達到1～6 km，如：上海東西通道、外灘隧道、杭州紫荊港隧道，在建的彩虹快速路隧道等。這類道路隧道，施工工法以明挖法為主，結構形式為矩形箱涵結構。

此類工程在設計方法上由于國內規范行業多，體系復雜，相關的橋梁、公路、民建等行業規范都具有一定的適用性，但缺乏比較明確和系統的規定與要求，加上參與工程設計、咨詢等各方本身其背景或行業可能也不同，出現了對隧道結構設計中是按公路隧道破損階段法或按極限狀態法存在爭議的情況。在杭州彩虹路隧道段設計中，筆者對此類道路隧道的設計方法和概念進行了系統的梳理和分析，所闡述的內容可供類似工程參考和借鑒。

2 規范解讀與分析

2.1 規范背景

從行業上看，與該類工程相關的主要有民用建筑行業、市政公用行業和公路交通行業，涉及的規范有《建筑結構荷載規范2006年版》（GB 50009-2001）、《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2010）、《工程結構可靠性設計統一標準》（GB 50153-2008）、《公路工程結構可靠度設計統一標準》（GB/T 50283-1999）、《公路隧道設計規范》（JTG D70-2004）、《公路隧道設計細則》（JTG/T D70-2010）、《公路橋涵設計通用規范》（JTG/D60-2004）、《地下工程防水技術規范》（GB 50108-2008）等，上述規范的發布單位主要是建設部和交通部，建設部的大部分為國標，交通部的均為公路行業標準。

在城市路網規劃中，對城市道路和公路的區段劃分已有明確的規定，雖然這類地下道路采用了隧道的型式，但從道路的歸屬和服務功能上來看，仍屬城市道路的范疇，線型設計采用的是城市道路和快速路的相關規范，故應屬于市政公用行業。

由于市政公用行業并無專門的行業規范來指導此類道路隧道的設計，故在實際設計過程中，不得不應用其它相關行業的規范作為設計依據。各設計院往往根據自身的行業背景和經驗，選取認為合適的規范和設計方法。

2.2 設計方法和原則概述

上述規范中針對鋼筋混凝土結構的設計方法主要有極限狀態法、破損階段法和容許應力法。其中破損階段法和容許應力法僅是針對結構承載能力的設計方法；極限狀態法包括承載能力極限狀態（結構承載）和正常使用極限狀態（裂縫、撓度等）。

在公路行業的《公路橋涵設計通用規范》和《公路隧道設計細則》中都已采用了極限狀態法的概念；在《公路隧道設計細則》中，當進行承載能力極限狀態計算時，提到了綜合安全系數法和分項系數法，其中綜合安全系數法從表達式來看，與破損階段法是基本一致的。

按照《地下工程防水技術規范》的防水要求，明挖隧道的迎土面裂縫寬度要求小于0.2 mm，無論是按破損階段法，還是按極限狀態法進行設計的，裂縫寬度控制要求應該是一致的。

總結起來，該類明挖隧道在設計方法和原則的確定中應注意以下幾個方面：

（1）極限狀態法和破損階段法兩套計算體系是完全獨立的，其荷載、組合、材料強度的取值也完全不同。本文中提到的破損階段法是采用《公路隧道設計規范》中規定的要求和公式，而極限狀態法是采用《混凝土結構設計規范》中規定的要求和公式。

（2）即便都采取極限狀態法設計，不同行業、不同規范中，采用的設計基準期、可靠度和可靠指標也不相同。可靠指標β的功能主要有兩個：其一，是度量結構構件可靠性大小的尺度；其二，目標可靠指標是分項系數法所采用的各分項系數取值的基本依據，不同的可靠指標所對應的分項系數也是不同的。

（3）隧道結構設計中除承載安全外，迎土面的裂縫寬度還應滿足小于0.2 mm的要求，因此破損階段法設計時，除按破損階段法驗算承載能力外，還需驗算裂縫寬度；極限狀態法設計時，還應在正常使用極限狀態中驗算裂縫寬度。盡管破損階段法的計算配筋遠大于極限狀態法下的承載能力極限狀態的配筋（見本文第3節的計算結果），但最終的配筋還要綜合考慮裂縫的控制要求，不能簡單地下破損階段法安全于極限狀態法的結論。

（4）該類隧道結構構件除受彎外，還有軸力，因此鋼筋混凝土構件的計算模式又可分為純彎（不計軸力）和偏壓計算兩種。對此，要根據施工過程和工程經驗，合理選擇計算模式，兼顧安全性和經濟性。

2.3 規范條文解讀

（1）《公路隧道設計規范》1.0.1條指出：“為給山嶺公路隧道設計提供技術準則，制定本規范”。1.0.2條規定：“本規范適用于以鉆爆法為主要開挖手段的各級公路雙車道隧道，其它形式的公路隧道可參照執行”。《公路隧道設計規范》中9.1.1條文說明：“在結構設計領域，目前多數工程結構已采用概率極限狀態設計法……”，“公路隧道因建設時間尚短，尚未具備采用極限狀態設計法設計的條件”。《地鐵設計規范》第10.1.6條規定：“地下結構的設計，應根據施工方法、結構或構件類型、使用條件及荷載特征等，選用與其特點相近的結構設計規范和設計方法。”并在條文說明中明確：“……對于各類結構，目前尚不具備全部按以概率理論為基礎的極限狀態法進行設計的條件，……受力明確并具備條件的，宜按極限狀態法設計；荷載不甚明確或尚不具備條件的，可按破損階段或容許應力法設計。”

（2）《公路隧道設計細則答疑》P1：“山嶺公路隧道一般采用鉆爆法修建，也有少部分山嶺隧道采用掘進機法施工，而穿越土層及江河湖泊地段的公路隧道也有采用盾構法施工或沉管法施工的。采用不同施工方法建設的公路隧道，在設計方法上差異較大，但是仍具有較多的相同或相似之處，如平縱面設計標準、建筑限界、結構設計原則，以及運營管理系統等，因此采用其他方法修建的公路隧道仍可參照本細則，但應充分考慮各自的特殊性。”

（3）《公路隧道設計規范》8.5條規定：“以明挖法或在露天修建的隧道可稱為明洞。下穿公路、鐵路、建筑物、防雪棚、遮陽棚洞等以掘開地表土修建隧道結構后再在上面回填或修建其它建筑物的隧道都可稱為明洞”；9.3.1條又規定：“采用擋墻式洞門時，明洞結構的強度安全系數，本規范取與隧道襯砌相同的數值。”其理由是明洞屬于半隱蔽結構，其結構變形受周圍地層的約束小，且有受沖擊荷載作用的可能，從這一不利因素看，明洞安全系數應比隧道襯砌大。但明洞的有利因素是：外荷載較為明確，結構計算圖式與實際情況比較接近；采用明挖法施工，施工條件較隧道好，圬工質量易于保證，從這一方面看，安全系數取值可比隧道襯砌小。綜合以上有利及不利兩方面因素，其有利因素起主導作用，故對明洞取與隧道襯砌相同的結構強度安全系數值是較合適的。

對（1）～（3）所列條文進行分析和解讀：

a.首先《公路隧道設計規范》中提到了不同施工方法修建的公路隧道在設計方法存在著比較大的差異，并未要求山嶺公路隧道以外的公路隧道仍要采用破損階段法進行設計，反而提到要充分考慮各自的特殊性。

b.城市明挖隧道，按（3）所述，盡管從施工過程上來看可歸入公路隧道明洞的范疇，但是城市明挖隧道不存在按（3）所述的明洞條文中所提到的結構變形受周圍地層約束小，且有受沖擊荷載（落石荷載） 的可能，因此可完全從有利角度考慮，安全系數本身較隧道襯砌可降低；因此要求城市明挖法隧道完全遵照《公路隧道設計規范》破損階段法設計，偏于保守，不甚合理。

c.該類工程的結構形式為箱涵結構，施工方法為基坑支護結構下的明挖，與地鐵明挖車站和明挖區間類似，故在荷載分布、施工方法和使用條件上與地鐵明挖車站和明挖區間基本相同，在上述的結構設計中采用極限概率法恰恰是最常規的設計方法。而城市地下工程、如城市地鐵車站、區間隧道等設計已基本采用極限狀態法，應用《混凝土結構設計規范》，這些在《地鐵設計規范GB50157-2003》10.2.1條和10.3.2條中已明確反映。從工程類比的角度考慮，該工程為城市地下明挖通道，無論是結構型式、開挖型式還是所屬行業（市政）都與地鐵工程更為接近，故按《混凝土結構設計規范》采用極限狀態法更為合理。

2.4 極限狀態法的比較

在不同行業、不同規范中，極限狀態法設計采用的設計基準期、可靠度和可靠指標也不相同，如表1所列。

表1 不同結構中的設計基準期、可靠指標比較一覽表

（1）表1中的數據源自《工程結構可靠性設計統一標準》、《公路工程結構可靠度設計統一標準》。

（2）目標可靠指標是分項系數法所采用的各分項系數取值的基本依據，不同的可靠指標所對應的分項系數也是不同的。《建筑結構荷載規范》是按房屋建筑結構的設計基準期和可靠指標選取概率極限狀態法的分項系數的，其設計基準期和可靠指標都低于公路隧道結構。城市明挖隧道荷載作用中永久荷載起控制作用，對比《建筑結構荷載規范》和《公路隧道設計細則》中的概率極限狀態法的分項系數，荷載作用分項系數上，恒載系數接近，可變作用分項系數《公路隧道設計細則》中為1.4，不考慮組合值系數，而《建筑結構荷載規范》中考慮組合值系數0.7；在材料分項系數上，公路隧道偏安全，在該類工程中不建議取組合值系數。

3 兩套方法計算對比與分析

3.1 計算原則

（1）極限狀態設計分別對正常使用極限狀態和承載能力極限狀態進行驗算，構件裂縫寬度允許值：頂板、側墻、疊合墻地墻外側、底板為0.2 mm；《公路隧道設計規范》9.2.15條按荷載基本組合求得的最大裂縫寬度不應大于0.2 mm。分別計算了純彎、偏壓條件下強度、裂縫。

（2）破損階段法混凝土和鋼筋參數依據《公路隧道設計規范》和《公路隧道設計細則》規范條文，破損階段法的安全系數取2。

（3）極限狀態法和破損階段法驗算要求為強度滿足和裂縫寬度不大于0.2 mm，破損階段驗算時彎距等內力取極限狀態下的標準值。

（4）已對典型斷面根據彎距、軸力復核純彎、偏壓下的強度和裂縫，計算結果表明除中隔墻外主要受力構件均為大偏壓構件，考慮軸力對結構更有利；故在本文中未列入偏壓計算內容。

（5）計算結果表明混凝土等級C35，鋼筋等級HRB400條件下，極限狀態法與破損階段法相比，在滿足強度承載和裂縫寬度不大于0.2 mm的條件下，安全度更高。

3.2 抗剪強度

截面抗剪強度對比，采用《混規》6.3.3條在截面大于800的條件下，截面抗剪強度均比《公路隧道設計規范》K.0.7條計算的值要小，因此采用《混規》抗剪亦不低于《公路隧道設計規范》。比較結果如表2所列。

表2 結構抗剪強度值一覽表

3.3 抗彎強度

雙層雙跨結構頂板厚度為1 200 mm，中板厚度為600 mm，底板厚度為1 400 mm，側墻為疊合墻，為800 mm地墻+500 mm內襯墻，中隔墻厚度為600 mm。地下一層凈高3.23m，地下二層凈高6 m。頂板覆土厚度約3.15 m。

計算模型如圖1所示。

采用一次性加載和開挖回筑兩種計算模式進行計算，發現在底板中支座處，開挖回筑計算出的內力值大于一次加載法得出的內力值（前者約為后者的1.15倍），其余位置一次性加載計算出的內力值均大于開挖回筑模式的計算結果。因此在內力配筋時，采用一次加載法的計算結果，同時考慮將底板中支座內力放大15%。各層板跨中彎距增大15%。其計算結果見表3、表4所列。

圖1 結構計算模型

表3 雙層雙跨結構關鍵截面內力值計算結果一覽表

除該典型斷面外，還對單層雙跨結構、U型敞開段結構共10個不同的斷面進行了兩套體系的計算，由于篇幅所限，本文未全部引用。計算結果表明：在混凝土等級C35，鋼筋等級HRB400條件下，極限狀態法與破損階段法相比，在滿足強度承載和裂縫寬度不大于0.2 mm的條件下，安全度更高。

表4 結構配筋計算結果一覽表

4 結語

（1）城市明挖道路隧道從道路的歸屬和服務功能上來看，仍屬城市道路的范疇，線型設計采用的是城市道路和快速路的相關規范，故應屬于市政公用行業。由于市政公用行業并無專門的行業規范來指導此類道路隧道的設計，故在實際設計過程中，不得不應用其它相關行業的規范作為設計依據。各設計院往往根據自身的行業背景和經驗，選取認為合適的規范和設計方法。建設主管部門應盡快編制相關規范，以避免設計方法上的不統一。

（2）該類工程的結構形式為箱涵結構，施工方法為基坑支護結構下的明挖，與地鐵明挖車站和明挖區間類似，故在荷載分布、施工方法和使用條件上與地鐵明挖車站和明挖區間基本相同，在上述的結構設計中采用極限概率法恰恰是最常規的設計方法。無論是結構型式、開挖型式還是所屬行業（市政）都與地鐵工程更為接近，故按《混凝土結構設計規范》采用極限狀態法更為合理。

（3）計算結果表明：在混凝土等級C35，鋼筋等級HRB400條件下，極限狀態法與破損階段法相比，在滿足強度承載和裂縫寬度不大于0.2 mm的條件下，安全度更高。

（4）建議城市明挖道路隧道采用極限狀態法設計更為合理。

[1]GB50009-2001，建筑結構荷載規范（2006年版）[S].

[2]GB50010-2010，混凝土結構設計規范[S].

[3]GB50153-2008，工程結構可靠性設計統一標準[S].

[4]GB/T50283-1999，公路工程結構可靠度設計統一標準[S].

[5]JTG D70-2004，公路隧道設計規范[S].

[6]JTG/T D70-2010，公路隧道設計細則[S].

[7]JTG/D60-2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[8]GB50108-2008，地下工程防水技術規范[S].