淺談城市明挖隧道斷面形式選擇

王山水

大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司廈門分公司，福建 廈門 361000

1 城市明挖通道斷面形式

根據(jù)對(duì)已建城市明挖隧道的調(diào)查分析和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，城市明挖隧道主要有矩形平頂斷面、折板拱頂斷面和圓弧拱頂（底）斷面三種形式，其中以矩形平頂斷面最為常見。

（1）矩形平頂斷面

2）折板拱頂斷面

（3）圓弧拱頂（底）斷面

（1）矩形平頂斷面為常規(guī)矩形框架結(jié)構(gòu)，具有施工方便、工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)相交道路橫穿管線敷設(shè)影響也最小，斷面利用率高，適用于各種中小跨度通道斷面。

（2）折板拱頂斷面施工工藝成熟，但由于結(jié)構(gòu)高度較高，板頂覆土淺時(shí)對(duì)橫穿管線敷設(shè)影響較大，覆土越深影響越小，同時(shí)折板高度較高時(shí)側(cè)墻施工應(yīng)多設(shè)一道施工縫，整體斷面利用率較低，景觀效果一般，適用于覆土較深的中大跨度斷面。

（3）圓弧拱頂（底）斷面由于是弧形面，施工上存在如下難點(diǎn)：①頂板施工需定做鋼拱架模板；②跨度大時(shí)混凝土澆筑困難，尤其是拱頂處混凝土將對(duì)兩側(cè)角部產(chǎn)生較大壓力，容易導(dǎo)致脫模漏漿；③頂（底）板主筋需預(yù)彎，施工難度較大。同樣由于結(jié)構(gòu)高度較高，板頂覆土淺時(shí)對(duì)橫穿管線敷設(shè)影響較大，覆土越深影響越小。景觀效果好，對(duì)各種跨徑均適用［1］。

因此，三種斷面形式均各有優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目具體情況進(jìn)行比選擬定，斷面形式不同對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力、施工方案、工程造價(jià)等均可產(chǎn)生影響。針對(duì)此問題，本文結(jié)合兩個(gè)工程案例進(jìn)行結(jié)構(gòu)斷面擬定和受力分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析斷面選擇的合理性。案例一為跨度較大的雙孔雙向六車道車行通道斷面，案例二為跨度較小的單孔人行通道斷面。

2 較大跨度明挖隧道的斷面擬定和受力分析

本文以晉江市東部快速通道一期工程的主線通道為例，主線隧道采用雙孔2～14.3m 斷面，雙向六車道，覆土厚度為1.2～11.2m，主體結(jié)構(gòu)采用C40 鋼筋混凝土，荷載等級(jí)為城-A，裂縫寬度按≤0.2mm 控制。施工方法采用明挖現(xiàn)澆工藝。

由于大跨度隧道采用圓弧拱頂斷面需定做大型鋼拱架模板，且混凝土澆筑困難，以及對(duì)頂板鋼筋預(yù)彎等導(dǎo)致施工效率降低，結(jié)合已建類似項(xiàng)目的調(diào)查分析和前期方案研究，不推薦采用圓弧拱頂斷面。因此，本隧道主要提出矩形平頂斷面和折板拱頂斷面兩種形式進(jìn)行計(jì)算分析［2-3］。根據(jù)本項(xiàng)目管線敷設(shè)需要，通道頂面覆土應(yīng)≮3.2m，因此以折板拱頂斷面覆土為3.2m為界進(jìn)行分析，此時(shí)矩形平頂斷面覆土為4.1m。兩種斷面尺寸如下：

主線隧道折板拱頂斷面

主線隧道矩形平頂斷面

計(jì)算方法：①內(nèi)力計(jì)算采用以結(jié)構(gòu)力學(xué)為基礎(chǔ)的有限元計(jì)算方法，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法；②標(biāo)準(zhǔn)橫斷面計(jì)算取每延米建立二維框架模型，采用梁?jiǎn)卧M。

計(jì)算原理及假定：①結(jié)構(gòu)假定為線彈性材料；②地層采用地基彈簧模擬，地層變形遵從溫克爾假定；③水土荷載計(jì)算采用水土分算原則。

采用邁達(dá)斯2019 建模計(jì)算，得到正常使用極限狀態(tài)下內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如下：

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，折板拱頂斷面相對(duì)矩形平頂斷面而言，由于覆土降低和頂板跨度減少等因素，頂板受力優(yōu)于矩形平頂斷面方案；底板中支座優(yōu)于矩形平頂斷面；而由于結(jié)構(gòu)高度增加，底板跨中、邊支點(diǎn)內(nèi)力略大于矩形平頂斷面。綜合比較，折板拱頂斷面形式受力優(yōu)于矩形平頂斷面，同樣隨著隧道埋深增加和折板高度增加，此差異更加明顯。

3 較小跨度明挖隧道的斷面擬定和受力分析

本案例以泉州某項(xiàng)目為例，斷面尺寸8m×3.3m 高，主體結(jié)構(gòu)采用C40 鋼筋混凝土，覆土厚度3m，汽車荷載等級(jí)城A 級(jí)，裂縫寬度按≤0.2mm控制。施工方法采用明挖現(xiàn)澆工藝。由于本通道跨度較小且覆土較薄，不宜采用折板拱頂斷面形式。從功能上和景觀等方面考慮，擬定常規(guī)矩形框架斷面和頂?shù)装逦⒐靶螖嗝鎯煞N斷面形式進(jìn)行分析比較。

矩形斷面方案

圓弧拱頂?shù)讛嗝?/p>

采用邁達(dá)斯2019 建模計(jì)算，得到正常使用極限狀態(tài)下內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如下：

由上可得，在相同荷載作用下，弧形斷面具有較優(yōu)的受力特性，提高了結(jié)構(gòu)效率，發(fā)揮了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受壓承載能力。從施工難度分析，頂?shù)装逦⒐靶螖嗝嫦鄬?duì)復(fù)雜，但由于拱起弧度不大，且均為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，因此施工難度較為相近。從景觀上分析，頂板弧形利于通道內(nèi)附屬設(shè)施的布置，穹形天花板也較為美觀。

4 結(jié)論

根據(jù)兩個(gè)工程實(shí)例受力分析和比較，總結(jié)如下：

（1）對(duì)于覆土較薄的隧道結(jié)構(gòu)，為施工方便和提高斷面利用率，可選用常規(guī)矩形斷面形式。

（2）對(duì)于覆土較厚且跨度較大的明挖隧道，在滿足管線敷設(shè)空間前提下，可優(yōu)先選用折板拱頂斷面。

（3）對(duì)于景觀要求較高，覆土足夠，結(jié)合附屬設(shè)施設(shè)計(jì)需要，可選用圓弧拱頂（底）斷面形式。

隧道斷面的選擇，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目具體情況，包括隧道使用功能、跨度大小、覆土厚度、管線敷設(shè)需要、施工工藝、工程造價(jià)等分析確定，不能一概而論。