明挖法隧道標準矩形結構與折板拱結構選取分析

楊 旭

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京市 102600)

0 引言

市政隧道覆土厚度一般較小，多采用明挖法[1]或盾構法[2]施工。明挖段隧道橫斷面型式主要為標準的矩形箱涵斷面和折板拱斷面。

矩形箱涵斷面構造簡單、受力明確，結構“內力—變形”計算理論和分析方法成熟；隧道橫斷面的結構外包高度相對較小，可充分利用結構自重和頂板上覆土自重實現抗浮，有利于減少抗浮工程措施、施工方便。但在相同豎向荷載作用下，頂板撓度較大，施工時，需進行預起拱。它是明挖法隧道中應用最廣泛的斷面形式。

折板拱斷面可充分利用建筑限界，斷面利用率高；當隧道埋深較大時，可有效減少頂板上覆土厚度；在車道頂局部設置“折板”，形成折板拱形結構，可減小頂板跨度，改善頂板結構受力，進而合理控制結構構件厚度，減小結構自重，降低造價。當隧道頂板跨度較大、頂板上覆土較厚時，經濟效益明顯。劉發前[3]以覆土3m，52m跨隧道為例進行了矩形斷面與折板拱斷面的力學反應與經濟性分析，折板拱結構能節約約35%的鋼筋混凝土量。折板拱結構構造較復雜，施工難度較大，但在部分隧道中也有應用，如蘇州陽澄西湖二通道、蘇州金雞湖隧道、蘇錫常高速太湖隧道等采用了折板拱斷面，無錫蠡湖隧道[4]、蘇州桐涇路北延隧道(盾構隧道的明挖段)等采用了雙折板拱斷面。

斷面形狀對結構受力、經濟性影響較大，而目前多以經驗判斷，無一個合理的劃分依據，如《公路水下隧道設計規范》JTG D71(報批稿)中以埋深大于5m可采用拱形(指折板拱)斷面，該分界埋深值的選取有待商榷。結合蘇州陽澄西湖第三通道工程情況，進行矩形箱涵斷面、折板拱斷面的受力與經濟性分析，確定合理的斷面選取分界埋深。

1 工程概況

1.1 隧道概況

蘇州市陽澄西湖第三通道工程位于蘇州市相城區與工業園區，以圍堰明挖隧道形式下穿陽澄西湖，主線隧道為雙向六車道，設計時速50km/h的城市主干路，隧道長度1765m；支線匝道隧道為雙向四車道，設計時速40km/h的城市主干路，隧道長1472m(以南側匝道計)。南、北側匝道于湖中分別并入主線隧道的西側行車孔與東側行車孔。

1.2 地質概況

本次研究主要研究陸域范圍的情況，根據地勘報告，陽澄西湖第三通道自上而下主要的地層情況與參數見表1。

表1 陽澄西湖第三通道工程地層參數表

蘇州地區隧道設計時，地下水位一般按地表以下0.5m計。

2 選取計算斷面

本隧道主線普通段為雙向六車道，行車孔凈跨度為12.1m；匝道隧道為雙向四車道，行車孔凈跨度為8.6m，跨度較小，其起折板拱空間有限，且在一般明挖隧道的覆土范圍內受力較好，因此本次研究僅對主線標準六車道斷面進行研究分析，見圖1。

圖1 主線雙向六車道標準矩形斷面圖

3 結構分析

3.1 結構優劣的評價標準

對工程而言，在滿足安全、功能、工程可行性前提下，必然優選經濟性較好的方案。但經濟性并不作為唯一指標，需綜合考慮別的影響因素，對于隧道折板拱斷面而言，其相較于矩形箱涵斷面最主要的缺點在于施工難度較大，主要體現在一為折板段混凝土的澆注，其表面為非水平，需要設置外側模板；二為圍護結構橫支撐的布置與換撐需避開折板，增加設計與施工難度。

因此，以考慮施工難度后的經濟性作為判別標準，引入施工難度系數λ，根據施工現場反饋的結果，矩形箱涵斷面取為1.0，折板拱1.1。結構的主要工程數量A，考慮施工難度后的數量為M。

M=λA

(1)

對于隧道主體結構的工程數量主要包含混凝土數量T(體積，m3)與鋼筋數量G(重量，t)，根據市場調研，一般情況下，每噸鋼筋的價格約為每立方米混凝土價格的8倍，定義A為混凝土數量與鋼筋數量的數量和，如式(2)所示，其意義為將鋼筋、混凝土數量全部折算為混凝土的數量。

A=T+8G

(2)

本次分析，以覆土厚度為變量，分別計算對應的矩形箱涵斷面、折板拱斷面的結構厚度與配筋，估算主體結構的工程數量T與G，進而根據式(1)、式(2)，以考慮了施工難度系數后的造價M作為判斷依據，取考慮施工難度后的最經濟的斷面(M最小)作為該跨度、覆土條件下的推薦斷面。

3.2 結構分析

3.2.1隧道斷面

隧道采用三框形式，行車孔凈寬12.1m，上下行行車孔間上層為電纜廊道，下層為疏散通道，凈寬2.4m，中隔墻厚0.6m，矩形斷面與折板拱型斷面示意如圖2。

圖2 隧道橫斷面示意圖(左：矩形斷面，右：折板拱斷面)

3.2.2計算工況

因折板拱斷面起拱情況，在相同的道路路面設計標高情況下，折板拱斷面可減少覆土1.35m，計算時分別取矩形斷面的覆土H=4m、5m、6m，采用Midas GTS分析軟件，以“荷載-結構”模型對兩種斷面進行結構受力分析，獲取各種斷面在覆土條件下的滿足結構受力的受力情況與鋼筋混凝土數量A。

3.2.3計算結果

(1)受力分析

對各覆土情況下，分別采用不同的結構厚度進行計算，各自選取工程數量A最小的作為該覆土情況下的最優結構參數，再進行矩形斷面與折板拱斷面的對比分析。

以覆土H=5m為例，矩形斷面分別計算了頂板厚度為1.0m、1.1m、1.2m、1.3m的情況，折板拱斷面分別計算了0.7m、0.8m、0.9m、1.0m的情況。均取頂板厚度為1m的情況，矩形斷面與折板拱斷面的受力云圖對比如圖3，由于結構對稱，僅顯示一半。

如圖3所示，在道路設計縱斷面相同的情況下，采用相同厚度的結構時，折板拱斷面最大彎矩為1410kN·m，軸力為559kN·m；矩形斷面最大彎矩為1931kN·m，軸力為446kN。對混凝土框架結構而言，結構安全主要受彎矩控制，一般均將其按照純彎結構進行結構強度與裂縫驗算[5]。

圖3 覆土H=5m，結構厚度B1=1m時的斷面受力云圖

通過受力對比分析，可看出，在其他條件相同的情況下，由于折板拱結構減小了覆土厚度，同時折板拱型結構對受力分布更為有利，因此，折板拱斷面結構可有效改善結構的受力(減小結構彎矩)。

對覆土H=5m情況，矩形斷面與折板拱斷面的各厚度進行結構強度與裂縫檢算后，各斷面的結構厚度、配筋與工程數量如表2所示，選取工程量最小的作為該覆土情況下的推薦結構設計參數。

表2 覆土H=5m時矩形與折板拱斷面各結構厚度設計情況統計表

圖4 覆土5m時采用不同頂板厚度的工程數量(左：矩形斷面，右：折板拱斷面)

因此，在覆土H=5m時，矩形框結構采用頂板厚度為1.1m時，工程數量最少，為最經濟的設計參數；折板拱結構采用頂板厚度為0.8m，為最經濟的設計參數。

(2)結構參數與工程數量

按前述方法對覆土H=4m、5m、6m的最經濟的結構設計參數與工程數量匯總如表3。

表3 各覆土情況下矩形與折板拱斷面結構設計參數與工程數量表

分別以矩形框與折板拱的工程數量A或M作為縱坐標，覆土情況H作為橫坐標做折線圖進行對比分析。通過對比圖(圖5)可看出：

圖5 工程數量A、M與結構覆土H的關系

①在不考慮施工難度系數λ時，折板拱結構的工程數量A均小于矩形框結構，說明采用折板拱結構能有效減少工程量；

②考慮施工難度系數λ后，折板拱與矩形框結構的工程數量線存在交點，按差值法，交點約在H=4.3m處，說明綜合考慮工程數量與施工難度，H<4.3m時，矩形框結構更經濟合理；在H>4.3m時，采用折板拱結構更經濟合理；

③為便于后期實施，取覆土厚度H=4.5m分界線，即H≤4.5m時，推薦采用矩形框結構；H>4.5m時，推薦采用折板拱結構。

4 結論與討論

以蘇州市陽澄西湖第三通道主線雙向六車道明挖隧道為依托，研究標準矩形結構與折板拱結構的受力特點與經濟性。主要得出以下結論：

(1)折板拱結構可減小覆土厚度，同時折板拱型結構對受力更為有利。

(2)在相同情況下，矩形斷面結構工程量較大，但施工簡單；折板拱斷面結構工程量更少，但構造較復雜，施工難度較大。本次研究引入了施工難度系數λ，綜合考慮實際工程量與施工難度，對矩形斷面與折板拱斷面進行研究比選。

(3)在不考慮施工難度系數λ時，折板拱結構的工程數量A均小于矩形框結構；考慮施工難度系數λ后，折板拱與矩形框結構的工程數量線存在交點，交點約在H=4.3m處。說明綜合考慮工程數量與施工難度，H<4.3m時，矩形框結構更經濟合理；在H>4.3m時，折板拱結構更經濟合理。本項目取覆土厚度H取4.5m分界線，H≤4.5m時，推薦采用矩形框結構；H>4.5m時，推薦采用折板拱結構。

(4)矩形框結構與折板拱結構的分界覆土厚度H受跨度影響較大。后續需進一步研究不同跨度情況下的分界覆土厚度。