明挖超大跨度疊層隧道結構受力分析及斷面優化設計

張光偉，孫 超，答武強，余祖峰

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津市 300000）

0 引言

自改革開放以來，人口和資源在時空上的高度聚集，我國城鎮化進程加速推進[1]。在此背景下，人們對采用隧道與地下工程解決人類生存與地面環境矛盾的認識也越來越深刻。而隨著我國城市面積的擴容及人口的增長，在人口及交通密集區域，雙向六車道以及雙向八車道的超大跨度明挖隧道屢見不鮮，該類型隧道以箱涵框架結構為主，從較為簡單的單層箱型結構逐漸發展為單層雙跨、疊層單跨、疊層多跨[2-3]等多種結構形式，跨度也隨之逐漸增大。

針對明挖超大跨度隧道結構受力分析及斷面設計，已有部分學者對此做了相關研究。例如：林永貴[4]借助有限元法建模計算,認為矩形框架最優斷面形式為直墻折板式斷面，并提出抬高頂板高度、采用空心頂板結構的設計方案以滿足結構受力要求；付大喜[5]分析了三種斷面形式的受力特點，并對直墻折板斷面形式進行了參數優化；唐鵬[6]通過對現場實測數據分析，認為大跨度框架式隧道受力薄弱點為結構跨中和邊墻拐角處，可通過設置變截面的方法優化結構受力薄弱處的設計；周倩茹[7]結合深圳媽灣跨海通道工程，分別建立梁、板單元二維模型模擬框架結構受力，發現斷面頂板設置折板可以顯著優化頂板受力，但對于底板的內力基本無影響。歐孝奪[8]認為結構自重與超載貢獻了箱型大跨度框架結構內力較大的比重，應嚴格控制回填及拆模時機。

綜合上述研究發現，目前研究主要針對明挖大跨度單層隧道結構，以超大跨度明挖疊層隧道結構作為研究對象的很少。依托深圳望海路隧道工程實例，分析超大跨度疊層明挖隧道結構受力特征，探討超大跨度疊層明挖隧道的優化設計，為類似工程設計提供參考。

1 工程概況

望海路快速化改造工程西起興海大道高架，東接沙河西路，地下快速路為雙向4～6 車道，全長約7.64 km，郵輪大道以東為雙向6 車道，以西段雙向4車道，通過路基段及橋梁改造與興海大道高架銜接。道路等級為城市快速路（小客車專用），設計速度主線60 km/h（匝道40 km/h）。起點—微波山段主線隧道長約1 528 m，受興海大道接地點及沿線建筑物限制，隧道在郵輪大道位置平面曲線半徑小，礦山法及盾構法均不具備實施條件，本段隧道采用明挖法施工。標準疊層段隧道斷面凈跨達12.4 m,為疊層雙向六車道隧道，因在疊層隧道內設置匝道進出口車道及分合流車道，隧道斷面凈跨最大達27.6 m，跨度在大跨度明挖隧道里居于前列。超大跨段隧道結構頂覆土厚2.0～ 3.5 m，計算抗浮水位按最不利工況考慮,取建成后地面標高。

起點—微波山段場區地勘揭示,土層類別由上到下依次為填石、素填土、淤泥、含黏性土礫砂、強～ 中風化巖花崗，隧道基底主要位于塊狀強風化花崗巖巖層。地下水位的變化受季節、大氣降雨和海水潮汐等因素影響，詳勘測得場地混合穩定水位埋深為1.2～5.2 m。

2 疊層隧道結構受力特征分析

2.1 疊層隧道結構受力特征

以“直墻平頂”斷面形式為例，擬定研究段隧道斷面結構尺寸見圖1，計算參數見表1。

圖1 “直墻平頂”斷面（單位：mm）

表1 計算參數

計算結果見圖2。

圖2 “直墻平頂”斷面內力圖

由圖2 可知，大跨度隧道結構受力左右對稱，其規律較明顯。最大彎矩值出現在板跨中及墻板交界處,頂板跨中最大值為5 250 kN·m，按照正常使用極限狀態要求（最大裂縫寬度0.2 mm）計算出的鋼筋截面面積為22 231 mm2，遠超施工鋼筋排布極限；最大剪力值在兩側邊墻與頂底板交界處；結構頂、底板、側墻構件均處于偏心受壓狀態，中板處于偏心受拉狀態。超大跨度疊層隧道存在頂底板彎矩過大、中板承受拉應力的問題，結構斷面設計不合理、且存在安全隱患。

2.2 中板偏心受拉原因分析

（1）結構跨度過大。

以“直墻平頂”斷面形式為例，在結構高度不變的情況下，通過對比分析不同跨度結構受力情況，歸納不同跨度隧道結構軸力變化規律見圖3。

圖3 不同跨度下中板軸力

由圖3 知隧道結構側墻高度不變的情況下，結構中板軸力值隨著跨度增加，構件由偏心受拉向偏心受壓轉變；隨著跨度增加隧道結構高跨比逐漸減小，結構愈加“扁坦”，中板軸力逐漸增大。分析其原因，扁平隧道結構左右側墻變形呈現對稱的“8”字形，中板約束了左右側墻中部凸起變形，承受側墻的牽引，中板結構偏心受拉；隨著跨度的減小，頂底板剛度逐漸增加，跨中豎向變形顯著減小，其對側墻的“牽引”作用減弱，牽引作用不足以抵消側墻水土壓力作用，中板由偏心受拉向偏心受壓轉變。

（2）側向土體對結構約束不足。

將側墻土體對結構約束作用簡化為僅受壓的彈簧，以“直墻平頂”斷面形式為例，通過對比分析不同地基反力系數下結構受力情況，歸納結構軸力變化規律見圖4。

圖4 不同基床系數下中板軸力

由圖4 可見，結構高跨比不變的情況下，隨著基床系數增加，側向土體對結構變形約束作用更加明顯，中板軸力值隨基床系數增大逐漸減小，構件由偏心受拉向偏心受壓構件轉變。結構中板軸力值隨著地基反力系數變化明顯，分析其原因，在結構高跨比不變的情況下，隨著基床系數增加，側向他土體對結構變形約束作用更加明顯，側墻的凸起變形受到抑制，中板軸力逐漸向偏心受壓轉變。

3 斷面結構形式選擇

根據頂、底板形式不同，大跨度明挖隧道結構斷面形式主要有直墻拱形斷面、直墻微拱形斷面、直墻折板斷面、直墻平頂斷面[5]等類型，其中直墻平頂斷面在實際工程中應用最多。而直墻拱形斷面雖然受力性能出眾,但是存在斷面利用率低淺覆土情況下拱矢高受限[9-10]及鋼筋綁扎困難等問題。考慮到依托工程大跨段覆土厚度無起拱條件，本次設計采取其余3種斷面形式優化設計，具體斷面形式及尺寸參數見圖5。

圖5 2 種斷面形式

定義隧道斷面利用率為建筑限界面積與斷面內輪廓面積的比值，則三種斷面的利用率分別為0.484，0.487 和0.414。“直墻折板”斷面利用率高于“直墻平板”斷面，“直墻微拱”斷面利用率最低。

由表2 可知，三種斷面結構形式頂、底板均處于偏心受壓狀態，中板處于偏心受拉狀態；斷面結構受力左右對稱，最大彎矩值均出現在頂底板跨中及墻板交接位置；微拱形斷面頂、底板受力性能明顯優于另兩種斷面,結構斷面尺寸和配筋面積最經濟，直墻折板斷面頂板受力明顯優于直墻平頂斷面，三種斷面形式中板內力差距較小。

表2 3 種斷面形式結構內力

就施工難度及經濟性方面而言,微拱形斷面工程量＜直墻折板形斷面＜直墻平頂斷面，微拱形斷面最具優勢。但微拱形斷面結構除拱頂和底部板厚較薄外，需加大頂、底部的空間2.2 m，增加造價的同時斷面利用率低；同時微拱形斷面形式存在澆筑及支模困難等問題，大大降低其實用性。

基于上述分析，本次設計選用直墻折板斷面。

4 跨度優化

隨著跨度的增加頂底板剛度逐漸減小，疊層隧道頂底板承受小荷載即會產生較大的截面內力，為保證結構安全性，一般通過增加板厚和配筋量滿足正常使用極限狀態要求，但一味增加板厚和配筋量是不合理的也是不經濟的。同時中板處于偏心受拉狀態，裂縫寬度受限的情況下中板配筋尤其大，在中板板厚難以增加的條件下鋼筋排布無法實現。

望海路明挖隧道在明挖隧道內設置進出口匝道，隧道需從標準單洞雙線六車道過渡到雙線八車道加寬斷面分合流車道，由于隧道疊層布置，跨徑凈跨最大達27.68 m，結構覆土為2.0～3.5 m。以覆土2 m斷面為例，以最大跨度斷面為例，擬定3 種超大跨斷面減跨形式，分別在計算模型的頂、底板及側墻上選取跨中和支座位置內力值進行分析。具體斷面設置見圖6，結構內力見表3。

圖6 3 種跨度優化斷面（單位：mm）

三種超大跨斷面結構減跨形式對結構跨度做了一定程度的削弱，斷面一、二減少了中板和底板跨度，斷面三減少了中板和頂、底板跨度。

由表3 內力計算結果可知，各斷面板厚不變的情況下，跨度優化設計后頂板彎矩小幅度增加，中、底板撓度和彎矩降幅明顯，尤其是中板彎矩降幅達50%以上；在跨度優化斷面形式中，中板仍承受拉應力，處于偏心受拉狀態，結構軸力均較直墻折板形式減小；斷面一中、底板受力性能較斷面二更優，但頂板彎矩較其余斷面更大；斷面三和斷面二相比，頂底板受力差距較小，斷面三中板由于傳遞頂板荷載，受力大幅度增加。

表3 不同斷面形式結構內力

對超大跨度疊層隧道結構而言，跨度的大小貢獻了結構內力較大的比重，跨度優化措施對結構受力改善明顯；綜合來講，斷面一在受力性能及工程用量方面綜合優勢最大。

5 覆土影響及優化措施

為改善結構受力條件，進一步進行斷面結構優化，根據現有文獻資料[11-12]，設計方多通過加高側墻結構高度（抬高頂板）以減小覆土的厚度，高度整體加高后，頂板受力將會減小，側墻及底板的受力基本不變。依托工程由于線位影響，頂板最小覆土僅2 m，頂板無抬高條件。頂板上覆土采用部分換填泡沫混凝土的方式減少容重，改善頂板受力。在頂、底板埋深不變的情況下，選用輕質混凝土（泡沫混凝土），密度等級為A10，即干密度標準值為100 kg/m3，強度等級為CF0.9，即抗壓強度不小于0.9 MPa[13-14]。本次設計選用埋深3.5 m 斷面，分別換填1.0、1.5、2.5 m 厚的輕質混凝土進行結構受力分析。

從圖7 可知，換填上覆土為輕質混凝土后，隧道頂板結構承受豎向荷載減小，受力條件得到明顯改善，頂板結構承受內力隨換填比例增加逐漸減小。可見，在抬高頂板高度條件受限的情況下,換填上覆土為輕質混凝土不失為有效優化頂板受力條件的措施，考慮地上路面鋪裝厚度和抗浮需要要求，換填層宜控制在1～1.5 m。

圖7 頂板內力

6 結論及建議

（1）超大跨度疊層隧道存在頂底板彎矩過大、中板承受拉應力的問題；其中中板受拉原因歸因于跨度過大及側向側向土體對結構約束不足。

（2）在受力性能上,明挖隧道框架結構微拱形斷面優于直墻折板斷面,直墻折板斷面優于直墻平頂斷面。綜合考慮結構受力性能、斷面利用率、經濟指標，對于明挖大跨度疊層隧道推薦采用直墻折板斷面。

（3）超大跨度疊層隧道結構而言，跨度的大小貢獻了結構內力較大的比重，跨度優化措施對結構受力改善明顯；綜合來講，斷面一在受力性能及工程用量方面綜合優勢最大。

（4）在不具備抬高頂板的淺埋條件下，推薦頂板上覆土采用換填泡沫混凝土的方式減少上覆土容重，從而降低隧道結構頂板截面內力，改善頂板受力條件。