關于明挖隧道閉合框架結構撓度驗算的設計思考

王 霞

（北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京市 100044）

0 引言

為推動北京市政府和相關市屬企業單位有序向通州搬遷，北京城市副中心的市政道路、軌道交通及博物館、大劇院、圖書館等生活配套工程正在加速建設，建設的成果將進一步帶動中心城區人口和其他相關產業向副中心有效疏解。城市副中心的空間布局是“一軸、一帶、多組團”（見圖1）。“一軸”即創新發展軸依托東六環入地改造工程，地面修建六環高線公園，以達到有效縫合城市空間的目的。副中心行政辦公區、城市綠心森林公園、北京環球主題公園及度假區、宋莊文化創意產業集聚區等多個功能中心在創新發展軸的作用下均能夠有效串聯。

圖1 副中心項目規劃圖

東六環入地改造工程作為北京城市副中心部署的重點項目，意義重大。在該隧道明挖閉合框架主體結構的設計過程中，結構凈跨長達15～18.6 m，為滿足結構承載力要求，高強度的鋼筋和混凝土在隧道工程中的使用越來越頻繁，強度等級越高的鋼筋和混凝土，其結構構件設計時尺寸會相對減小，就會容易忽視鋼筋混凝土受彎構件在正常使用階段的結構剛度問題，導致結構構件可能產生過大的撓曲變形，最終影響結構的正常使用[1]，比如造成結構裂縫的增加、防水的失效、懸掛設備侵限、感官體現差等問題。因此為保證隧道正常運營使用，鋼筋混凝土結構的撓度變形控制同樣重要，針對結構撓度驗算，最大撓度值不超過允許限值，目前可以依據的規范有《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）（以下稱《混規》）、《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》（JTG 3370.1—2018）（以下稱《隧道規范》）、《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）（以下稱《橋涵規范》），撓度限值要求不盡相同，不同規范的采用，都可能造成結構不同的設計結果，因此本文以東六環入地改造項目為工程背景，對鋼筋混凝土受彎構件采用不同規范時的撓度驗算進行了對比分析，分析結果可為相似明挖隧道工程結構設計提供有效借鑒。

1 工程背景

東六環入地改造項目為高速公路改擴建工程，包含改擴建部分（直接加寬段）與新建部分（入地改造段），道路全長約16 km，道路閃設計起點位于現狀東六環上跨西下營路分離式立交南側約60 m 處，設計終點位于現狀東六環上跨疃里新村路分離式立交北側約220 m 處，工程平面見圖2。入地改造隧道段為規劃萬盛南街至規劃潞苑二街，全長約9.2 km，設計時速80 km/h，采用明挖法與盾構法相結合的施工工法，其中盾構段7.4 km。全線隧道下穿鐵路、軌道交通、房屋建筑、河流、橋梁、道路、綜合管廊、高壓電塔、燃氣航油管線等眾多風險源。

圖2 工程平面圖

本工程隧道工程場區內主要為第四紀沉積層，主要以高密實砂層為主，局部分布有粉土、粉質黏土并存在少量圓礫、卵石層，粒徑不大于20 cm。地表以下9.0～10. 0 m 進入潛水層，隧址區砂、卵礫石層內分布有多層承壓水。

2 明挖結構設計概況

東六環隧道共設置南、中、北三處盾構井，為適應盾構機后配套臺車工作或考慮到盾構井消防、通風、電氣等附屬設備布設空間有限，南井、北井均設置了后配套段。本文以南側盾構井后配套段64 m 明挖結構為節點進行分析，隧道結構平面、縱斷面見圖3、圖4。該節點設置為三層閉合框架結構，利用第一層空腔作為隧道設備用房和儲物空間，第二層空間為電纜夾層和空氣凈化通風風道，第三層空間為行車層、疏散救援層，同時為減少后配套段閉合框架結構側墻高度，在閉合框架內部間距3 m 設置4 m×4 m 三角肋板撐，形成穩定的閉合框架空間受力體系。

圖3 隧道結構平面設計圖（單位：m）

圖4 隧道結構縱斷面設計圖（單位：cm）

該區段結構凈跨15.5～18.6 m，結構高度16.95～23.5 m，結構頂板覆土2.6 m，結構橫斷面設計見圖5，結構頂板厚度為1.2 m，側墻厚度為1.3 m，中墻厚度為1.0 m，中板厚度為1 m，夾層板0.5 m，底板厚度為1.4 m。主體結構采用C40 補償收縮混凝土，設計使用年限為100 a，結構安全等級為一級，結構重要性系數1.1。

圖5 隧道結構橫斷面設計圖（單位：cm）

結構所處土層從上到下分別為：①粉質素填土、②粉土、③細砂、③2粉質黏土、④細砂，結構底部持力土層為④層細砂層，垂直基床系數30 MPa/m。地層參數詳見表1。

表1 地層參數表

3 相關規范要求

明挖隧道結構設計時，依據規范選用的不同，鋼筋混凝土受彎構件的最大撓度值限值要求也不盡相同。

《混規》[2]中規定：對于正常使用極限狀態，鋼筋混凝土構件應按荷載的準永久組合并考慮長期作用的影響進行變形驗算，其最大撓度值應滿足表2 的撓度限值。如果結構構件運營使用上允許，構件制作時可設置預拱度，驗算撓度時，可將計算所得的撓度值減去預拱值。

表2 受彎構件的撓度限值

《隧道規范》[3]中規定：對于受彎構件，按荷載的基本組合計算的最大撓度值不應大于表3 規定的允許值。

表3 受彎構件的撓度限值

《橋涵規范》[4]中規定：受彎構件在使用階段的撓度應考慮長期效應的影響，即按規范頻遇組合和規范規定剛度計算的撓度值，乘以撓度長期增長系數ηθ。擾度長期增長系數ηθ：

（1）當采用C40 以下混凝土時，ηθ=1.6；

（2）當采用C40～C80 時，ηθ=1.45～1.35，中間強度等級可按直線內插法取值。

鋼筋混凝土受彎構件按上述計算的長期撓度值，由汽車荷載和人群荷載頻遇組合在梁式橋主梁產生的最大撓度不應超過計算跨徑的1/600。

4 結構撓度驗算對比分析

本文采用MIDAS GEN/Civil 對南側盾構井后配套段明挖結構進行了二維、三維荷載- 結構法模擬計算，計算將圍護結構作為一種永久性剛度儲備考慮，不考慮圍護樁對結構的復合作用[5]。三維選取結構縱向長度64 m，二維選取縱向長度1 m，彈性地基采用軟件中彈性連接進行模擬，彈性剛度取為結構底土層的基床系數。對各結構的自重、水土壓力、設備荷載、地面超載等作用按照實際情況施加，同時考慮施工階段和使用階段，對混凝土結構構件進行承載能力極限狀態和正常使用極限狀態的計算，計算模型見圖6、圖7，結構變形計算云圖見圖8、圖9。

圖6 三維模型圖

圖7 二維模型圖

圖8 三維模擬結構變形圖（單位：mm）

圖9 二維模擬結構變形圖（單位：mm）

受彎構件長期撓度受環境加載齡期、環境溫度濕度的影響較大，當環境較為干燥時，撓度增大系數增加20%～40%[1]，綜合考慮《橋涵規范》中C40 混凝土時撓度長期影響系數為1.45，該參數取用1.45。

經過結構計算，閉合框架頂板、中板、夾層板基本組合、頻遇組合、準永久組合下的計算撓度值見表4，依據三本規范進行撓度驗算，可知：

表4 結構撓度計算結果及驗算匯總表

（1）依據《混規》，三維、二維I-I 結構區段、II-II結構區段，結構頂板、中板準永久組合并考慮長期影響下的撓度值滿足l0/300 限值要求，夾層板撓度不滿足要求；

（2）依據《隧道規范》，三維、二維I-I 結構區段、II-II 結構區段，中板基本組合情況下撓度值滿足l0/400 限值要求，頂板、夾層板均不滿足規范要求；

（3）依據《橋涵規范》，三維、二維I-I 結構區段、II-II 結構區段，結構頂板、中板、夾層板頻遇組合可變荷載（地面超載、溫度作用）下的撓度值考慮長期影響后均滿足l0/600 限值要求。

經過對比分析可知：

《橋涵規范》只考慮了溫度作用、地面超載等可變荷載作用下的撓度限值，并不能全面考慮隧道覆土、水壓力等恒載對結構撓度的影響，該規范撓度驗算方法并不適用于隧道結構工程；

《隧道規范》頂板、夾層板撓度不滿足限值要求，l0/400 限值要求針對隧道此類非特殊要求的結構較為嚴格；

夾層板《隧道規范》、《混規》撓度驗算均不滿足要求，針對15.5～18.6 的結構跨徑，結構厚度設置偏薄。

夾層板撓度不滿足規范要求的解決思路：

由于夾層板結構到隧道行車限界僅有38 cm，此空間需預留部分管線、照明燈具、監控等設備的布設，空間有限，設計考慮適當增加夾層板結構厚度到600 mm，同時夾層板施工時需預先起拱。預拱度可按結構恒載和1/2 可變荷載頻遇值計算的長期撓度值之和采用，通過計算該結構夾層板可設置2 cm 預拱度，驗算夾層板撓度時，可將所得的撓度值減去預拱度即可滿足規范要求。

5 結論與建議

本文以高速公路東六環入地改造工程為分析案例，采用荷載- 結構法對南側盾構井后配套段多層閉合框架結構進行了計算，通過采用不同規范對結構頂板、中板、夾層板撓度驗算進行了對比分析，得出如下結論和建議：

（1）對明挖隧道受彎構件進行撓度驗算時，《橋涵規范》并不適用于隧道工程，建議采用《混凝土結構設計規范》進行結構設計更為合理；

（2）明挖結構受彎構件控制撓度時，優先考慮增加結構構件的尺寸進一步增加構件整體剛度來減小撓度變形，也可以通過增設斜撐等減跨方式控制；對于均無設置條件時，可考慮構件施工時預先起拱的方式，預拱值需滿足規范要求。

（3）目前明挖隧道結構凈跨徑越來越大，作為使用年限100 a 的結構工程，應重點關注結構撓度的驗算，這將有利于提高隧道工程的主體結構耐久性，并延長隧道的使用年限。