明挖下穿隧道計算方法探討

樊長剛

(中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川成都 610081)

隨著生活水平的不斷提高，城市車行交通壓力不斷加大，特別是中心城區平交路口已不能滿足發展的需要，城市中重要的交叉路口常采用立交方式處理，主交通流方向采用跨線高架橋或下穿隧道。由于修建高架橋會帶來道路景觀、行車視線、汽車噪聲的問題，影響周邊地塊的商業價值和居住環境，現越來越多平交路口改造采用下穿隧道的方式。

明挖下穿隧道閉口段多采用鋼筋混凝土矩形框架斷面，隧道框架結構修建后，框架兩側基坑采用回填土回填夯實，雖采用人工夯實，在隧道建成后一定時間段內，其新近回填土的密實度以及回填土與框架側墻緊密度仍無法與原狀天然地基土比擬。根據回填土的特性，設計計算模擬時多采用不考慮框架側墻水平彈性約束的計算模型，少數情況計算模擬時采用考慮框架側墻水平彈性約束的計算模型。下面以雙向四車道的單箱雙室矩形框架為例，分別對采用不同水平彈性約束條件的模型進行分析計算，對比不同水平彈性約束條件下框架結構的內力分配，確定合理的計算模型。

1　隧道框架斷面

框架為單箱雙室斷面，單室凈高5.5 m，凈跨9 m，頂板厚度0.7 m，底板厚度0.8 m，側墻厚度0.7 m，中墻厚度0.5 m。頂板覆土等厚，厚度為2.5 m(圖1)。

圖1　框架結構斷面(單位:cm)

設計汽車荷載：城-A級；人群荷載：4.0 kPa；板頂覆土平均容重21 kN/m3；側墻回填土內摩擦角30°；整體升降溫10°；地下水位頂板頂處；基底持力層為稍密卵石層，豎向基床系數25 000 kN/m3；側墻兩側砂卵石回填，考慮水平彈性約束時，水平基床系數15 000 kN/m3。

2　計算模型

2.1　計算模型一

不考慮側墻水平彈性約束(圖2)。

圖2　框架結構計算模型一

2.2　計算模型二

考慮側墻水平受壓彈性約束(圖3)。

圖3　框架結構計算模型二

3　計算結果

兩種計算模型分布從承載能力極限狀態結構彎矩、軸力和剪力進行對比分析。

3.1　計算模型一

不考慮側墻水平彈性約束(圖4～圖6)。

3.2　計算模型二

考慮側墻水平受壓彈性約束(圖7～圖9)

3.3　計算結果對比

兩種計算模型計算結果對比見表1。

頂、底板彎矩、剪力(絕對值)模型一均較模型二大2 %～3 %；頂、底板剪力(絕對值)模型一較模型二大1.3 %；頂、底板軸力(絕對值)模型一較模型二小8 %～37 %。

圖4　承載力極限狀態結構彎矩包絡圖一

圖5　承載力極限狀態結構剪力包絡圖一

圖6　承載力極限狀態結構軸力包絡圖一

圖7　承載力極限狀態結構彎矩包絡圖二

圖8　承載力極限狀態結構剪力包絡圖二

結構部位模型一:不考慮側墻水平彈性約束模型二:考慮側墻水平受壓彈性約束彎矩/(kN·m)剪力/kN軸力/kN彎矩/(kN·m)剪力/kN軸力/kN最大最小最大最小最大最小最大最小最大最小最大最小頂板支點處-659-1061548371-97-270-646-1028541366-133-335跨中處41325400-97-27039824600-133-335底板支點處900611581403-165-519882598574398-206-562跨中處-340-50800-165-519-333-49400-206-562側墻支點處-348-601519165-401-561-380-652562206-356-511跨中處107-13900-351-500158-9000-407-572中墻支點處0000-823-11920000-813-1177跨中處0000-787-11480000-776-1134

側墻支點處彎矩(絕對值)模型一較模型二大8 %～9 %，側墻跨中處彎矩最大、最小值模型一均較模型二小48 %～54 %；側墻剪力(絕對值)模型一較模型二小8 %～24.8 %；側墻軸力(絕對值)模型一較模型二小10 %～16 %；。

中墻軸力(絕對值)模型一較模型二大1.3 %。

3.4　結果小結

3.4.1頂板和底板

明挖下穿蘇雕結構都設計有外防水體系及其保護層(聚乙烯泡沫板、磚砌墻等)，或采用支護樁結構對基坑開挖作臨時支護，以致水平向水、土壓力不能完全有效的作用于側墻，甚至水平向水、土壓力無法作用于側墻的情況也常出現。基于此，多數設計單位對頂板和底板設計驗算時，都不考慮頂、底板軸力的有利影響，偏安全的采用純彎構件進行設計驗算，這個也在JTG D61-2005《公路圬工橋涵設計規范》中7.0.6條對蓋板涵的蓋板也作了類似的規定。

頂板和底板采用模型一按純彎構件進行彎矩、剪力進行設計驗算是合理的，且偏安全。

3.4.2側墻

側墻是偏心受壓、受剪構件，側墻支點處采用模型一按壓彎構件進行設計是偏安全的；側墻跨中處采用模型一按偏心受壓構件進行設計是偏不安全的，但其彎矩絕對值較小，軸力計算值偏小，同時考慮水平向水、土壓力作用不確定性，側墻作適當加強設計，結構安全度也同樣可以保證。水平向水、土壓力完全有效作用于側墻時，其側墻剪力驗算采用模型一是不安全的，需特別注意抗剪的驗算。

3.4.3中墻

中墻是純壓或小偏心受壓構件，中墻結構安全富裕度通常較大，模型一內力較大，中墻采用模型一進行設計驗算是合理的，且偏安全。

4　結論

明挖下穿隧道結構閉口段多采用鋼筋混凝土矩形框架斷面，計算采用不考慮側墻水平彈性約束的模型大多數情況都可以取得較好的適用性和安全度，對類似明挖下穿隧道的計算提供借鑒和參考，減少對比設計計算的工作量。有如下幾點應引起注意：

(1)頂板和底板結構抗彎和抗剪驗算建議按純彎構件設計。

(2)側墻結構抗彎、抗壓和穩定性建議按偏心受壓構件設計；側墻抗剪驗算是偏不安全的，建議側墻不計軸力按照純彎構件進行抗剪驗算，其軸力作抗剪驗算的安全儲備。

(3)中墻結構抗彎、抗壓和穩定性建議按偏心受壓構件設計。