城市淺埋明挖隧道合理結構斷面型式研究★

李 磊 磊

(江蘇中設集團股份有限公司，江蘇 無錫 214072)

0 引言

隨著我國社會經濟的快速發展，人民生活水平的不斷提高，城市汽車保有量的逐年增加，城市交通擁堵問題也日益嚴重。城市隧道具有以下優點：1)隧道建于地面以下，可充分利用地下空間，節省土地資源；2)隧道與地面形成立體交叉，交通互相干擾少，可快速通過，實現快速化；3)隧道內行車受環境氣候影響小；4)隧道對城市景觀破壞小，對周圍環境噪聲影響小，尤其是城市居民住宅區。鑒于以上優點，隧道是有效解決城市交通擁堵的重要途徑之一，尤其在環保和景觀要求比較高的地區，近些年越來越被廣泛應用。

市政道路隧道的斷面型式主要有：圓形斷面、矩形斷面、折板拱斷面及馬蹄形斷面，見圖1，圖2。斷面的選擇跟施工方法密切相關，盾構法和頂管法施工的隧道一般為圓形斷面和矩形斷面，明挖法施工的隧道一般為矩形斷面和折板拱斷面，鉆爆法施工的隧道一般為馬蹄形斷面。在城市快速路建設和快速化改造中，下穿交叉路口對埋深較淺的隧道一般采用明挖法施工，淺埋明挖隧道也因其施工簡單、快捷、安全、經濟等優點，成為城市隧道的首選方案。而隧道斷面一直是每個隧道設計的關鍵點，本文主要研究明挖隧道設計中斷面如何選擇，并針對常用的三種隧道斷面型式進行結構受力、經濟性和適用性的對比分析，為類似工程提供依據。

1 隧道結構斷面設計思路

隧道橫斷面設計是在滿足建筑限界條件下，通過合理布置充分利用空間，為通風、給排水、消防、供配電照明、監控、內裝修等配套附屬設施和安全疏散設施提供安裝空間，并預留結構變形、施工誤差、路面調坡等余量，同時根據結構受力需要確定結構厚度。

1)建筑限界：由道路凈高線和兩側側向凈寬線組成的空間界限，包括凈寬和凈高。一般由行車道、路緣帶和安全帶等組成，根據需要設置人行道及非機動車道，特殊斷面還應包括緊急停車帶以及檢修道等。隧道建筑限界內不得有任何物體侵入。

機動車道、非機動車道、人行道和檢修道的寬度根據道路功能定位、設計車速、交通需求確定，并應符合現行行業標準的規定。凈高：各種機動車為4.5 m，小客車為3.5 m(最小3.2 m)，行人和非機動車為2.5 m。城市地下快速路嚴禁在同孔內設置非機動車道和人行道，當城市地下主干路、次干路和支路同孔內需要設置非機動車道或人行道時，必須在機動車道外側設置隔離護欄。城市隧道考慮到可以在晚間車流量小的時候暫時封閉隧道進行檢修，一般可不設檢修道。

2)設備空間及余量。

設備空間及余量應滿足下列原則：

a.滿足各自設備工藝要求；

b.設備布置不得侵入建筑限界；

c.應方便設備的安裝和維護保養；

d.設備管線宜集中布置，可設置專用管廊；

e.預留結構變形和施工誤差富余量5 cm。

3)結構厚度。

斷面結構厚度根據結構受力計算確定，跟結構斷面型式、結構凈尺寸跨度、覆土厚度有直接關系。結構斷面的型式主要有矩形斷面、折板拱斷面和馬蹄形斷面，城市明挖隧道最常用的是矩形斷面，跨度較大時可采用折板拱斷面。

2 隧道斷面型式

本文為一條雙向六車道城市快速路，設計車速80 km/h，車道寬3.5 m+3.5 m+3.75 m。根據設計標準，建筑限界尺寸為12.25 m×5 m，具體如圖3所示。在滿足各功能要求下，擬定三種斷面進行結構比選。

方案A1：兩孔矩形斷面。

結構總寬度30 m，總高8.6 m，單孔結構凈尺寸13.4 m×6.1 m，建筑限界尺寸12.25 m×5 m。側墻1.2 m，中隔墻0.8 m，單孔左右側各留設備裝修層0.25 m和0.9 m。結構頂板厚1.2 m，底板厚1.3 m，鋪裝層厚度0.5 m，設備層0.6 m，如圖4所示。

方案A2：兩孔折板拱斷面。

結構總寬度30 m，總高9.3 m，單孔結構凈尺寸13.4 m×7.1 m，建筑限界尺寸12.25 m×5 m。側墻1.2 m，中隔墻0.8 m，單孔左右側各留設備裝修層0.25 m和0.9 m。結構頂板厚0.9 m，底板厚1.3 m，鋪裝層厚度0.5 m，設備層1.6 m，如圖5所示。

方案A3：兩孔一管廊箱型斷面。

結構總寬度31.6 m，總高8.6 m，單孔結構凈尺寸12.75 m×6.1 m，建筑限界尺寸12.25 m×5 m。側墻1.2 m，中隔墻0.6 m，管廊2.5 m，單孔左右側各留設備裝修層0.25 m。結構頂板厚1.2 m，底板厚1.3 m，鋪裝層厚度0.5 m，設備層0.6 m，如圖6所示。

3 隧道斷面計算配筋對比

針對以上三個斷面方案，在同等道路路面設計標高情況下，從結構受力、配筋情況、混凝土和鋼筋材料用量等方面進行定量比選，計算參數見表1。

表1 計算參數

1)正常使用極限狀態準永久組合下，方案A1截面計算內力包絡圖如圖7～圖9所示。

根據內力計算結果對結構進行配筋設計，計算結果見表2。

表2 方案A1截面配筋計算結果

根據配筋設計結果，單位米隧道結構C40混凝土共95.5 m3，鋼筋共18 451 kg，鋼筋量193 kg/m3。

2)正常使用極限狀態準永久組合下，方案A2截面計算內力包絡圖如圖10～圖12所示。

根據內力計算結果對結構進行配筋設計，計算結果見表3。

表3 方案A2截面配筋計算結果

根據配筋設計結果，單位米隧道結構C40混凝土共87.7 m3，鋼筋共13 903 kg，鋼筋量158 kg/m3。

3)正常使用極限狀態準永久組合下，方案A3截面計算內力包絡圖如圖13～圖15所示。

根據內力計算結果對結構進行配筋設計，計算結果見表4。

根據配筋設計結果，單位米隧道結構C40混凝土共101.9 m3，鋼筋共18 819 kg，鋼筋量185 kg/m3。

單位米隧道材料用量綜合對比結果見表5。

表4 方案A3截面配筋計算結果

表5 單位米隧道材料用量對比表

由表5可見，斷面彎矩方案A2最小，比方案A1在頂板跨中和支點處各減小50%以上，底板減小較小。方案A3比方案A1在頂底板跨中略大，中間支座處減小20%左右。在混凝土用量方案A3最多，方案A2最少；鋼筋用量方案A1最多，方案A2最少；含鋼量方案A1最多，方案A2最少。從結構受力、材料用量和經濟指標上可見，方案A2折板拱斷面相對方案A1矩形斷面和方案A3兩孔一管廊斷面均具有較大優勢，受力合理、經濟性最好。

4 結語

經本文的對比分析研究，頂板采用折板拱，可利用合理的拱軸設計，充分發揮拱效應，改善頂板受力，減小結構頂板厚度，優化結構配筋。頂部拱形結構的矢高部分，可作為隧道內部設備安裝空間。而當頂板覆土較厚時，在路面標高不變的前提下，可通過增加矢高，減小覆土，進一步優化結構受力條件。綜合考慮隧道功能要求、結構受力、材料用量、經濟性等因素，對斷面寬度30 m左右的雙向六車道明挖隧道推薦采用折板拱斷面型式。