城市大斷面明挖隧道斷面形式研究

付大喜

(河南省交通規劃設計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

(河南省交通規劃設計研究院股份有限公司， 河南 鄭州 450052)

斷面形式對城市大斷面明挖隧道結構內力、施工方案、工程造價等有較大影響，在統計分析我國已建成城市大斷面明挖隧道斷面形式特點的基礎上，對鄭州市渠南路隧道工程可能采取的斷面形式進行研究，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，并采用荷載-結構模型對影響直墻折板隧道斷面內力的參數，如折板折起角度、斜板跨度和結構自重等進行研究。結果表明： 渠南路隧道采用直墻折板斷面可提高斷面利用率，改善結構受力條件，且上述3個參數均會影響直墻折板斷面內力計算結果。

城市大斷面明挖隧道； 斷面形式； 折起角度； 斜板跨度； 結構自重

0 引言

隨著人們對城市環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，采用箱涵框架結構形式。一些學者對此類隧道進行了研究。例如： 文獻[1]采用破損階段法和極限狀態法對相關規范進行了解讀和分析，得出城市明挖道路隧道采用極限狀態設計方法是合理的；文獻[2]通過詳細的對比分析，認為明挖隧道主體框架采用折板拱形結構具有很大的經濟效益；文獻[3]以北京成府路隧道設計為例，闡述了平頂隧道主體結構的確定及其計算；文獻[4]結合超大斷面4孔箱型明挖隧道的施工過程，對隧道結構內力、結構沉降及變形等指標進行監測，得出超大斷面箱型明挖隧道主體結構各部位隨施工過程的內力變化情況；文獻[5]現場測試了方興湖雙向8車道湖底隧道地層下孔隙水壓力、抗拔樁樁頂應力和框架結構應力，研究了隧道結構受力隨施工工序的變化情況；文獻[6]總結歸納了廣州市城市車行隧道建設工程經驗，分析了存在的問題，提出了車行隧道建設技術發展的方向。

以上文獻基本是針對城市明挖隧道進行結構計算方法、結構內力和變形以及隧道總體設計等方面的研究； 但這些文獻對隧道斷面形式研究較少，而隧道斷面形式對城市大斷面明挖隧道結構內力、施工方案、工程造價等有較大影響。本文在以上文獻的基礎上，總結國內已建成城市大斷面明挖隧道斷面特點，比選分析適合渠南路隧道工程的斷面形式，進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和直墻折板斷面受力特點影響因素，以期為類似工程建設提供參考。

1 已建成城市大斷面明挖隧道斷面特點分析

表1對我國已建成的7座城市大斷面明挖隧道案例進行了統計[7-9]，可以得出以下主要結論。

1)國內已建成城市大斷面明挖隧道單孔凈跨為16.45～17.6 m(鄭州市北三環隧道結構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構內力，綜合考慮結構設計和工程造價要求，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計

2)隨著隧道埋深的增大，結構構件尺寸也隨之增大。結構頂板和底板尺寸為1.2～1.6 m，中墻厚度為 0.7～0.9 m，側墻厚度為0.8～1.2 m，部分結構構件混凝土澆筑量已達到大體積混凝土標準，對混凝土結構設計和施工提出了更高的要求。

3)結構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構斷面形式

鄭州市渠南路1號隧道工程位于鄭州市西部常西湖新區內，隧道全長3 520 m，為明挖現澆淺埋隧道，隧道全長共設置4處進出匝道。在渠南路右側設置常西湖新區地下空間集散車道，為降低工程造價，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置[10]。渠南路隧道暗埋段結構長3 080 m，共分為77個節段，每個節段長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21.45 m，跨度之大為國內同類工程罕見。為滿足隧道自流排水要求，大跨段隧道埋深約為2.7 m。隧道主體結構采用C35混凝土，防水等級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)

計算參數數值埋深h/m2.7土體重度γ/(kN/m3)20側壓力系數ν0.5地面超載p/kPa20側向超載q/kPa10裂縫控制等級三級

注： 1)由于地下結構承受荷載大，鋼筋用量多，配筋大多有裂縫要求控制，故直接按荷載準永久組合計算結構內力和配筋； 2)混凝土保護層實際厚度大于30 mm時，保護層厚度計算值取為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，大跨斷面構件截面為結構計算控制截面。大跨斷面構件截面按裂縫限值要求的內力及配筋計算結果如表3所示。

由表3可知：

2)由強度計算可知，結構構件均處于大偏心受壓狀態，隨著構件軸力的增大，結構受彎承載能力也隨之增大。

表3 不同斷面形式結構內力計算

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

3)從正常使用極限狀態最大裂縫寬度限值要求計算出的鋼筋截面面積可以看出： 直墻圓頂受力性能較好，結構內力較小，結構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；直墻平頂斷面內力和配筋面積最大，且直墻平頂頂板左支座處由于內力太大，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)，這一配置基本已經達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角部產生較大壓力，容易導致脫模漏漿； ③鋼筋需預彎，難度較大； ④對于淺覆土情況，要保證隧道內凈空要求，拱矢高很有限，優化效率較低； ⑤為保證隧道上方市政管線敷設深度要求，采用直墻圓頂斷面時，隧道線路埋深較大，兩端接線困難，導致隧道長度增大、造價增加。直墻平頂結構有利于充分利用結構斷面空間，擴大斷面利用率，且結構設計和施工技術比較成熟； 但其結構受力性能較差，不能適應本工程大跨結構受力工況。

從結構受力性能和斷面利用率等方面考慮，本次設計選用直墻折板斷面。

3 直墻折板斷面參數敏感性分析

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折板內力的影響，折起角度越大，則結構總高度越大，埋深相同時，結構側向荷載越大。計算參數如表2所示，計算結果如表4所示。

表4 折起角度不同時的結構內力計算

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的計算結果可知，在結構埋深相同、結構高度不同時，隨折板折起角度的增大：

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

2)除底板右支座外，結構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；結構頂底板軸力均隨折起角度的增大而增大。對于頂板，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。

3)本次設計根據包絡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，以減小結構埋深和豎向荷載，使結構處于合理的受力狀態。

3.2 斜板折起跨度對結構內力的影響分析

現以相同埋深條件下，折起角度arctan 1/2，每側斜板跨度占結構凈跨1/6、1/5和1/4(大跨結構凈跨21.45 m，斜板跨度分別為3.575、4.290、5.362 5 m)為例，對斜板跨度引起的結構內力差異進行分析，其計算參數見表2所示。大跨結構內力計算結果如表5所示。

表5 折起跨度不同時的結構內力計算

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的內力計算結果可知，在相同埋深條件下，隨著斜板跨度的增大，頂板相應位置彎矩逐漸減小，底板相應位置彎矩逐漸增大，且頂板和底板軸力均呈增大趨勢。上述計算結果由3種斜板不同跨度、相同埋深條件下得出，實際上，當隧道線路埋深已經確定、斜板折起角度相同時，斜板跨度越大，隧道埋深越小； 但是斜板跨度越大，結構斷面尺寸也相應增大，斷面利用率減小，混凝土工程量增大，且應綜合考慮隧道埋深減小是否會造成隧道上方管線敷設困難。

3.3 結構自重對結構內力的影響分析

大跨結構由于跨度較大，在較小荷載下即會產生較大的截面內力，而結構斷面尺寸對裂縫寬度計算值影響較大，所以在裂縫寬度限值計算不滿足規范要求時，一般均通過增加板厚或者增大配筋面積來調整裂縫寬度計算值；但盲目增大斷面尺寸也會增加結構自重，使截面內力進一步增加。現以直墻折板斷面為例，對結構自重增加引起的結構內力進行分析，以期得到經濟合理的結構構件尺寸。

由前述計算可知，折板大跨結構內力控制部位為結構頂板，現以頂板厚度分別為1.0、1.2、1.4、1.6 m為例對折板結構進行計算，計算參數如表2所示，計算結果如表6所示。

表6 頂板厚度不同時的結構內力計算

注： 頂板混凝土造價按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，由表6計算結果可以看出：

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，但總造價呈現增大趨勢，尤其是跨中截面每m2的造價增加了40.4%，說明盲目增大斷面尺寸是不經濟的；故不建議過多增加斷面面積，而應有效增加截面抗彎慣性矩。空心板可作為研究方向之一。

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

4 結論與建議

1)我國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，直墻圓頂斷面優于直墻折板斷面，直墻折板斷面優于直墻平頂斷面，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)在結構埋深和結構高度相同條件下，直墻折板結構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；結構頂底板軸力均隨折起角度的增大而增大。

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

4)在淺埋條件下，隧道高度和跨度一定時，直墻折板結構單純增加構件尺寸不僅會增大結構內力，而且會增加結構造價，頂板跨中截面表現尤為明顯；因此，應考慮在保證結構自重不變的基礎上增大截面抗彎慣性矩，空心板可作為此類結構的研究方向。

上述內容為在抗浮設防水位位于主體結構底板以下時得出的結論，當抗浮設防水位位于主體結構底板以上或位于主體結構頂板以上時，由于結構所受水土壓力荷載進一步增大，結論或與上述分析會有所不同。水壓力對城市大斷面明挖隧道結構內力產生的影響有待進一步研究。

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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年畢業于湖南大學，交通土建專業，本科，高級工程師，從事隧道與地下工程設計和研究工作。E-mail: calm112@sina.com。

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

U 452.2

A

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