大跨度城市明挖隧道閉合框架計(jì)算研究分析

周倩茹

（深圳市綜合交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518003）

0 引言

近年來伴隨著城市發(fā)展的步伐及人口密度不斷增大的壓力，國(guó)內(nèi)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(guó)由發(fā)展中國(guó)家向發(fā)達(dá)國(guó)家邁進(jìn)，綠色道路及工程項(xiàng)目節(jié)能環(huán)保理念進(jìn)一步被重視，因此以一線城市為主的北京、上海、深圳等國(guó)內(nèi)大中城市紛紛將目光從地上轉(zhuǎn)到地下，開始尋求地下結(jié)構(gòu)的幫助解決人們交通需求。

城市建設(shè)中的新建大型工程往往會(huì)碰到拆遷難的問題，嚴(yán)重影響城市整體規(guī)劃及工程總體進(jìn)度，因此如果設(shè)計(jì)院從工程項(xiàng)目方案階段開始，將地下方案與地上方案進(jìn)行比選，短期來看可能工程造價(jià)稍高，然而從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度出發(fā)，也許是個(gè)解決問題的良好途徑。

城市中地下結(jié)構(gòu)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(duì)較淺的區(qū)域，在城市地下結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較廣。由于地下道路出入口較多，因此，不可避免的會(huì)出現(xiàn)一些不規(guī)則的、大跨度的閉合框架結(jié)構(gòu)，目前國(guó)內(nèi)較少針對(duì)這類結(jié)構(gòu)進(jìn)行特定的研究與分析，綜上所述，本文將從實(shí)際工程出發(fā)，選取深圳媽灣跨海通道工程實(shí)例建立有限元分析模型，剖析大跨度閉合框架重難點(diǎn)，得到結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，總結(jié)結(jié)構(gòu)受力規(guī)律，配筋特點(diǎn)，為今后的城市地下閉合框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工提供相應(yīng)的工程經(jīng)驗(yàn)和理論依據(jù)[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(cè)明挖隧道主體結(jié)構(gòu)，路線全長(zhǎng)3.34km。主線單洞長(zhǎng)6040.9m，匝道單洞長(zhǎng)1090m，主線U槽長(zhǎng)200 m，匝道U槽長(zhǎng)940 m。

大鏟灣側(cè)明挖隧道最大跨度處為主線CR59節(jié)段與匝道SA交叉處，該處閉合框架為雙層大折板結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)最大總寬為29.92 m，最大凈寬為27.12 m。

2 計(jì)算理論及模型建立

2.1 計(jì)算理論與方法

（1）城市地下閉合框架結(jié)構(gòu)在主動(dòng)荷載作用下發(fā)生彈性變形的同時(shí)，將受到地層變形對(duì)其約束作用。將此類約束作用假設(shè)為彈性抗力，即為彈性地基梁理論。

（2）對(duì)于自身結(jié)構(gòu)條件不滿足閉合框架結(jié)構(gòu)抗浮計(jì)算的節(jié)段，需設(shè)置抗浮樁，模型中應(yīng)加入抗浮樁的抗拉剛度。

（3）根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70—2004）要求，作用在隧道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)自重、結(jié)構(gòu)附加恒載、側(cè)墻土壓力、側(cè)墻水壓力、混凝土收縮和徐變影響力、水浮力?？勺兒奢d：地面車輛荷載及超載、地下道路車輛荷載、風(fēng)機(jī)等設(shè)備引起的動(dòng)荷載、地面車輛荷載及超載引起的側(cè)墻土壓力、溫度作用、施工臨時(shí)荷載。偶然荷載：地震力、汽車對(duì)結(jié)構(gòu)的沖撞力等偶然發(fā)生的荷載。本文計(jì)算中主要考慮永久荷載與可變荷載的作用。

2.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.2.1 大跨度閉合框架結(jié)構(gòu)斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)

本工程地下閉合框架結(jié)構(gòu)采用明挖法施工，隧道主體結(jié)構(gòu)根據(jù)覆土厚度、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。

本文選取媽灣跨海通道大鏟灣側(cè)最大跨徑節(jié)段CR59，見圖1，進(jìn)行結(jié)構(gòu)斷面型式的分析比選。結(jié)合受力特點(diǎn)，對(duì)于跨度較大的閉合框架一般通過增加結(jié)構(gòu)高度減小覆土厚度，如從單層結(jié)構(gòu)加至雙層結(jié)構(gòu)，同時(shí)在頂板設(shè)置大折板，見圖2、圖3。

圖1 CR59節(jié)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(jù)以上兩種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行建模分析，考慮有水工況得出荷載基本組合下結(jié)構(gòu)頂、底板最大彎矩，見表1。

表1 基本組合內(nèi)力對(duì)比

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

2.2.2 梁?jiǎn)卧c板單元的模型對(duì)比

實(shí)際工程中，對(duì)于城市閉合框架模型的建立，通常有兩種方式，其一，建立梁?jiǎn)卧Ｐ?，其二，建立板單元模型。?duì)于梁?jiǎn)卧x取縱向1m長(zhǎng)節(jié)段建立桿系閉合框架模型，這種建模方法在實(shí)際工程中主要優(yōu)點(diǎn)為建模及分析速度快，對(duì)于常規(guī)跨徑閉合框架的內(nèi)力分析及配筋設(shè)計(jì)具有一定的優(yōu)勢(shì)。下文將閉合框架分為非大跨標(biāo)準(zhǔn)段及大跨段閉合框架分別進(jìn)行梁?jiǎn)卧c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(duì)比分析

本工程中大鏟灣側(cè)明挖隧道結(jié)構(gòu)非大跨標(biāo)準(zhǔn)段的總寬度為16.25 m，總高度為10.1 m，縱向分段長(zhǎng)度均為40 m，本文選取其中覆土厚度為8 m的節(jié)段進(jìn)行驗(yàn)算，通過建立梁?jiǎn)卧c板單元模型得出標(biāo)準(zhǔn)段非大跨閉合框架的內(nèi)力對(duì)比分析，見圖 4、圖 5。

圖4 非大跨標(biāo)準(zhǔn)段梁?jiǎn)卧?、板單元?duì)比模型

圖5 非大跨標(biāo)準(zhǔn)段梁?jiǎn)卧?、板單元橫向彎矩圖

通過兩種模型的對(duì)比可以得到非大跨標(biāo)準(zhǔn)段閉合框架較為準(zhǔn)確的內(nèi)力分布圖，梁?jiǎn)卧?jì)算結(jié)果無法得到內(nèi)力縱向分布趨勢(shì)，而板單元的優(yōu)勢(shì)在于，其結(jié)果可得到橫向及縱向內(nèi)力分布圖，板單元亦可以指導(dǎo)大跨閉合框架結(jié)構(gòu)的縱向配筋，本文通過兩種模型彎矩對(duì)比分析得出各關(guān)鍵位置處荷載基本組合下彎矩值。

由圖6可知，非大跨標(biāo)準(zhǔn)段用兩種方法建模得到的內(nèi)力分布基本一致，用梁?jiǎn)卧?jì)算得到的橫向內(nèi)力值比板單元稍微偏大一些，實(shí)際工程中對(duì)于這種非大跨標(biāo)準(zhǔn)段用梁?jiǎn)卧Ｋ俣瓤?，橫向配筋準(zhǔn)確率較高。

圖6 梁?jiǎn)卧鍐卧獌?nèi)力對(duì)比圖（單位：kN·m）

（2）大跨度閉合框架模型對(duì)比分析

本工程中大鏟灣側(cè)節(jié)段CR59段大跨度閉合框架結(jié)構(gòu)頂?shù)装搴穸染鶠?.6 m，側(cè)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(shí)際鉆孔資料進(jìn)行側(cè)墻土壓力計(jì)算。

通過計(jì)算分析得到梁?jiǎn)卧桶鍐卧Ｐ椭懈鳂?gòu)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?jiǎn)卧c板單元對(duì)比模型

圖8 梁?jiǎn)卧?、板單元?nèi)力對(duì)比圖（單位：kN·m）

由結(jié)果可知，兩種建模方式得到的結(jié)果總體來說是一致的，個(gè)別區(qū)域如底板跨中彎矩梁?jiǎn)卧Y(jié)果要大于板單元，主要是由于邊界條件抗浮樁的作用導(dǎo)致。大跨度閉合框架結(jié)構(gòu)用板單元建模較為精確，兩種方法可以互相驗(yàn)證結(jié)果的正確性，最后用于實(shí)際設(shè)計(jì)中配筋取二者內(nèi)力的包絡(luò)值。然而對(duì)于大跨度閉合框架而言，梁?jiǎn)卧Ｐ椭荒茏鳛閮?nèi)力結(jié)果和配筋設(shè)計(jì)的參考，由于實(shí)際工程的大跨度地下隧道結(jié)構(gòu)一般為主線與匝道交叉處，交叉點(diǎn)亦設(shè)置環(huán)形封堵墻等類似構(gòu)造物，因此用板單元模擬這種空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)結(jié)果較為準(zhǔn)確，見圖9。

圖9 大跨段梁?jiǎn)卧?、板單元橫向彎矩圖

由于這種精細(xì)化的板單元模型，對(duì)結(jié)構(gòu)細(xì)部?jī)?nèi)力分布計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確，因此在實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)配筋應(yīng)根據(jù)板單元模型中內(nèi)力分布分區(qū)布設(shè)橫向鋼筋及縱向鋼筋。

3 大跨度閉合框架計(jì)算結(jié)果的實(shí)際應(yīng)用

通過上述板單元計(jì)算我們可以得到大跨度閉合框架橫向彎矩分布圖。實(shí)際工程中，以頂板為例，我們將節(jié)段CR59結(jié)構(gòu)頂板分為A、B、C三個(gè)區(qū)間進(jìn)行合理配筋?；炷两Y(jié)構(gòu)采用裂縫寬度0.2 mm內(nèi)控制配筋，見表2。

表2 頂板分區(qū)配筋表 mm

在分叉處頂板平面鈍角區(qū)域橫向鋼筋應(yīng)注意相互交叉布設(shè)。有別于非大跨區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)段配筋，大跨度閉合框架應(yīng)根據(jù)實(shí)際內(nèi)力分布采用分區(qū)配筋法。

4 結(jié)語

本文首先根據(jù)理論分析，建立了城市地下隧道的計(jì)算理論體系，然后通過MIDAS軟件有限元計(jì)算分析方法，分別建立梁?jiǎn)卧c板單元模型，研究了大跨度閉合框架的內(nèi)力變化趨勢(shì)，通過總結(jié)分析，得出以下結(jié)論：

（1）大跨度閉合框架結(jié)構(gòu)應(yīng)從方案設(shè)計(jì)階段對(duì)斷面型式進(jìn)行優(yōu)化，通過設(shè)置大折板可以有效的減少頂板內(nèi)力，但對(duì)于底板的內(nèi)力影響不大，底板與側(cè)墻相接的角隅處可適當(dāng)考慮加腋設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)。

（2）城市地下閉合框架用梁?jiǎn)卧c板單元均可以計(jì)算得到內(nèi)力結(jié)果，對(duì)于非大跨標(biāo)準(zhǔn)段實(shí)際計(jì)算得出板單元計(jì)算內(nèi)力稍低于梁?jiǎn)卧?jì)算結(jié)果，因此非大跨標(biāo)準(zhǔn)段閉合框架用梁?jiǎn)卧?jì)算內(nèi)力結(jié)果較為準(zhǔn)確，可以指導(dǎo)橫向配筋，但對(duì)于大跨度閉合框架，應(yīng)分別建立梁?jiǎn)卧c板單元模型，取內(nèi)力結(jié)果的包絡(luò)值控制設(shè)計(jì)。

（3）實(shí)際工程中，大跨度閉合框架應(yīng)考慮分叉處封堵墻的影響，實(shí)際配筋建議按照實(shí)際情況建立板單元模型，根據(jù)板單元計(jì)算結(jié)果分區(qū)進(jìn)行合理配筋。這種設(shè)計(jì)方法符合內(nèi)力分布規(guī)律，是較合理的配筋方法，可供實(shí)際工程參考借鑒。