大跨度城市明挖隧道閉合框架計算研究分析

周倩茹

（深圳市綜合交通設計研究院有限公司，廣東 深圳 518003）

0 引言

近年來伴隨著城市發展的步伐及人口密度不斷增大的壓力，國內大中城市均修建大型立交橋、高架橋以緩解城市交通壓力，然而，隨著我國由發展中國家向發達國家邁進，綠色道路及工程項目節能環保理念進一步被重視，因此以一線城市為主的北京、上海、深圳等國內大中城市紛紛將目光從地上轉到地下，開始尋求地下結構的幫助解決人們交通需求。

城市建設中的新建大型工程往往會碰到拆遷難的問題，嚴重影響城市整體規劃及工程總體進度，因此如果設計院從工程項目方案階段開始，將地下方案與地上方案進行比選，短期來看可能工程造價稍高，然而從長遠角度出發，也許是個解決問題的良好途徑。

城市中地下結構按照施工工藝的不同主要分為明挖隧道、暗挖隧道。明挖隧道主要適用于埋深相對較淺的區域，在城市地下結構中應用較廣。由于地下道路出入口較多，因此，不可避免的會出現一些不規則的、大跨度的閉合框架結構，目前國內較少針對這類結構進行特定的研究與分析，綜上所述，本文將從實際工程出發，選取深圳媽灣跨海通道工程實例建立有限元分析模型，剖析大跨度閉合框架重難點，得到結構受力特點，總結結構受力規律，配筋特點，為今后的城市地下閉合框架結構設計與施工提供相應的工程經驗和理論依據[1-6]。

1 工程概況

深圳市媽灣跨海通道（月亮灣大道～沿江高速）工程大鏟灣側明挖隧道主體結構，路線全長3.34km。主線單洞長6040.9m，匝道單洞長1090m，主線U槽長200 m，匝道U槽長940 m。

大鏟灣側明挖隧道最大跨度處為主線CR59節段與匝道SA交叉處，該處閉合框架為雙層大折板結構，結構最大總寬為29.92 m，最大凈寬為27.12 m。

2 計算理論及模型建立

2.1 計算理論與方法

（1）城市地下閉合框架結構在主動荷載作用下發生彈性變形的同時，將受到地層變形對其約束作用。將此類約束作用假設為彈性抗力，即為彈性地基梁理論。

（2）對于自身結構條件不滿足閉合框架結構抗浮計算的節段，需設置抗浮樁，模型中應加入抗浮樁的抗拉剛度。

（3）根據《公路隧道設計規范》（JTG D70—2004）要求，作用在隧道結構上的荷載主要分為永久荷載、可變荷載、偶然荷載。

荷載形式主要包括永久荷載：結構自重、結構附加恒載、側墻土壓力、側墻水壓力、混凝土收縮和徐變影響力、水浮力。可變荷載：地面車輛荷載及超載、地下道路車輛荷載、風機等設備引起的動荷載、地面車輛荷載及超載引起的側墻土壓力、溫度作用、施工臨時荷載。偶然荷載：地震力、汽車對結構的沖撞力等偶然發生的荷載。本文計算中主要考慮永久荷載與可變荷載的作用。

2.2 設計要點分析

2.2.1 大跨度閉合框架結構斷面優化設計

本工程地下閉合框架結構采用明挖法施工，隧道主體結構根據覆土厚度、結構跨度分別采用單洞單層、單洞雙層、雙洞雙層、雙洞單層、單洞雙層、單洞單層等閉合框架結構。

本文選取媽灣跨海通道大鏟灣側最大跨徑節段CR59，見圖1，進行結構斷面型式的分析比選。結合受力特點，對于跨度較大的閉合框架一般通過增加結構高度減小覆土厚度，如從單層結構加至雙層結構，同時在頂板設置大折板，見圖2、圖3。

圖1 CR59節段平面圖

圖2 橫斷面布置方案一（單位：cm）

圖3 橫斷面布置方案二（單位：cm）

根據以上兩種結構形式進行建模分析，考慮有水工況得出荷載基本組合下結構頂、底板最大彎矩，見表1。

表1 基本組合內力對比

由表1可知，大跨度閉合框架頂板設置大折板，主要作用是減少了頂板的覆土厚度，同時折板作為偏心受壓構件減少了分配至跨中的彎矩，這兩點對改善頂板受力具有顯著的作用，而對于底板受力的改善效果則不明顯。

2.2.2 梁單元與板單元的模型對比

實際工程中，對于城市閉合框架模型的建立，通常有兩種方式，其一，建立梁單元模型，其二，建立板單元模型。對于梁單元，選取縱向1m長節段建立桿系閉合框架模型，這種建模方法在實際工程中主要優點為建模及分析速度快，對于常規跨徑閉合框架的內力分析及配筋設計具有一定的優勢。下文將閉合框架分為非大跨標準段及大跨段閉合框架分別進行梁單元與板單元的模型的模擬得出兩種建模方法的適用范圍。

（1）非大跨閉合框架模型對比分析

本工程中大鏟灣側明挖隧道結構非大跨標準段的總寬度為16.25 m，總高度為10.1 m，縱向分段長度均為40 m，本文選取其中覆土厚度為8 m的節段進行驗算，通過建立梁單元與板單元模型得出標準段非大跨閉合框架的內力對比分析，見圖 4、圖 5。

圖4 非大跨標準段梁單元、板單元對比模型

圖5 非大跨標準段梁單元、板單元橫向彎矩圖

通過兩種模型的對比可以得到非大跨標準段閉合框架較為準確的內力分布圖，梁單元計算結果無法得到內力縱向分布趨勢，而板單元的優勢在于，其結果可得到橫向及縱向內力分布圖，板單元亦可以指導大跨閉合框架結構的縱向配筋，本文通過兩種模型彎矩對比分析得出各關鍵位置處荷載基本組合下彎矩值。

由圖6可知，非大跨標準段用兩種方法建模得到的內力分布基本一致，用梁單元計算得到的橫向內力值比板單元稍微偏大一些，實際工程中對于這種非大跨標準段用梁單元建模速度快，橫向配筋準確率較高。

圖6 梁單元、板單元內力對比圖（單位：kN·m）

（2）大跨度閉合框架模型對比分析

本工程中大鏟灣側節段CR59段大跨度閉合框架結構頂底板厚度均為1.6 m，側墻厚度1.4 m，考慮抗浮樁的抗拉作用，覆土厚度為2 m。土體分布按照實際鉆孔資料進行側墻土壓力計算。

通過計算分析得到梁單元和板單元模型中各構件在荷載基本組合下的控制彎矩值，見圖7、圖8。

圖7 大跨段梁單元與板單元對比模型

圖8 梁單元、板單元內力對比圖（單位：kN·m）

由結果可知，兩種建模方式得到的結果總體來說是一致的，個別區域如底板跨中彎矩梁單元要結果要大于板單元，主要是由于邊界條件抗浮樁的作用導致。大跨度閉合框架結構用板單元建模較為精確，兩種方法可以互相驗證結果的正確性，最后用于實際設計中配筋取二者內力的包絡值。然而對于大跨度閉合框架而言，梁單元模型只能作為內力結果和配筋設計的參考，由于實際工程的大跨度地下隧道結構一般為主線與匝道交叉處，交叉點亦設置環形封堵墻等類似構造物，因此用板單元模擬這種空間復雜結構結果較為準確，見圖9。

圖9 大跨段梁單元、板單元橫向彎矩圖

由于這種精細化的板單元模型，對結構細部內力分布計算結果較準確，因此在實際工程中結構配筋應根據板單元模型中內力分布分區布設橫向鋼筋及縱向鋼筋。

3 大跨度閉合框架計算結果的實際應用

通過上述板單元計算我們可以得到大跨度閉合框架橫向彎矩分布圖。實際工程中，以頂板為例，我們將節段CR59結構頂板分為A、B、C三個區間進行合理配筋?；炷两Y構采用裂縫寬度0.2 mm內控制配筋，見表2。

表2 頂板分區配筋表 mm

在分叉處頂板平面鈍角區域橫向鋼筋應注意相互交叉布設。有別于非大跨區的標準段配筋，大跨度閉合框架應根據實際內力分布采用分區配筋法。

4 結語

本文首先根據理論分析，建立了城市地下隧道的計算理論體系，然后通過MIDAS軟件有限元計算分析方法，分別建立梁單元與板單元模型，研究了大跨度閉合框架的內力變化趨勢，通過總結分析，得出以下結論：

（1）大跨度閉合框架結構應從方案設計階段對斷面型式進行優化，通過設置大折板可以有效的減少頂板內力，但對于底板的內力影響不大，底板與側墻相接的角隅處可適當考慮加腋設計，本工程考慮0.9 m寬×0.3 m高加腋，增大截面高度，控制裂縫設計。

（2）城市地下閉合框架用梁單元與板單元均可以計算得到內力結果，對于非大跨標準段實際計算得出板單元計算內力稍低于梁單元計算結果，因此非大跨標準段閉合框架用梁單元計算內力結果較為準確，可以指導橫向配筋，但對于大跨度閉合框架，應分別建立梁單元與板單元模型，取內力結果的包絡值控制設計。

（3）實際工程中，大跨度閉合框架應考慮分叉處封堵墻的影響，實際配筋建議按照實際情況建立板單元模型，根據板單元計算結果分區進行合理配筋。這種設計方法符合內力分布規律，是較合理的配筋方法，可供實際工程參考借鑒。