城市明挖道路隧道结构设计方法分析与研究

姚 坚

（上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海市 200092）

1 研究背景

随着人们对城市环境和景观要求的提高，越来越多的城市快速路或主干道穿越敏感区域的部分，采用地下隧道的方案，其连续长度甚至达到1～6 km，如：上海东西通道、外滩隧道、杭州紫荆港隧道，在建的彩虹快速路隧道等。这类道路隧道，施工工法以明挖法为主，结构形式为矩形箱涵结构。

此类工程在设计方法上由于国内规范行业多，体系复杂，相关的桥梁、公路、民建等行业规范都具有一定的适用性，但缺乏比较明确和系统的规定与要求，加上参与工程设计、咨询等各方本身其背景或行业可能也不同，出现了对隧道结构设计中是按公路隧道破损阶段法或按极限状态法存在争议的情况。在杭州彩虹路隧道段设计中，笔者对此类道路隧道的设计方法和概念进行了系统的梳理和分析，所阐述的内容可供类似工程参考和借鉴。

2 规范解读与分析

2.1 规范背景

从行业上看，与该类工程相关的主要有民用建筑行业、市政公用行业和公路交通行业，涉及的规范有《建筑结构荷载规范2006年版》（GB 50009-2001）、《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）、《工程结构可靠性设计统一标准》（GB 50153-2008）、《公路工程结构可靠度设计统一标准》（GB/T 50283-1999）、《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）、《公路隧道设计细则》（JTG/T D70-2010）、《公路桥涵设计通用规范》（JTG/D60-2004）、《地下工程防水技术规范》（GB 50108-2008）等，上述规范的发布单位主要是建设部和交通部，建设部的大部分为国标，交通部的均为公路行业标准。

在城市路网规划中，对城市道路和公路的区段划分已有明确的规定，虽然这类地下道路采用了隧道的型式，但从道路的归属和服务功能上来看，仍属城市道路的范畴，线型设计采用的是城市道路和快速路的相关规范，故应属于市政公用行业。

由于市政公用行业并无专门的行业规范来指导此类道路隧道的设计，故在实际设计过程中，不得不应用其它相关行业的规范作为设计依据。各设计院往往根据自身的行业背景和经验，选取认为合适的规范和设计方法。

2.2 设计方法和原则概述

上述规范中针对钢筋混凝土结构的设计方法主要有极限状态法、破损阶段法和容许应力法。其中破损阶段法和容许应力法仅是针对结构承载能力的设计方法；极限状态法包括承载能力极限状态（结构承载）和正常使用极限状态（裂缝、挠度等）。

在公路行业的《公路桥涵设计通用规范》和《公路隧道设计细则》中都已采用了极限状态法的概念；在《公路隧道设计细则》中，当进行承载能力极限状态计算时，提到了综合安全系数法和分项系数法，其中综合安全系数法从表达式来看，与破损阶段法是基本一致的。

按照《地下工程防水技术规范》的防水要求，明挖隧道的迎土面裂缝宽度要求小于0.2 mm，无论是按破损阶段法，还是按极限状态法进行设计的，裂缝宽度控制要求应该是一致的。

总结起来，该类明挖隧道在设计方法和原则的确定中应注意以下几个方面：

（1）极限状态法和破损阶段法两套计算体系是完全独立的，其荷载、组合、材料强度的取值也完全不同。本文中提到的破损阶段法是采用《公路隧道设计规范》中规定的要求和公式，而极限状态法是采用《混凝土结构设计规范》中规定的要求和公式。

（2）即便都采取极限状态法设计，不同行业、不同规范中，采用的设计基准期、可靠度和可靠指标也不相同。可靠指标β的功能主要有两个：其一，是度量结构构件可靠性大小的尺度；其二，目标可靠指标是分项系数法所采用的各分项系数取值的基本依据，不同的可靠指标所对应的分项系数也是不同的。

（3）隧道结构设计中除承载安全外，迎土面的裂缝宽度还应满足小于0.2 mm的要求，因此破损阶段法设计时，除按破损阶段法验算承载能力外，还需验算裂缝宽度；极限状态法设计时，还应在正常使用极限状态中验算裂缝宽度。尽管破损阶段法的计算配筋远大于极限状态法下的承载能力极限状态的配筋（见本文第3节的计算结果），但最终的配筋还要综合考虑裂缝的控制要求，不能简单地下破损阶段法安全于极限状态法的结论。

（4）该类隧道结构构件除受弯外，还有轴力，因此钢筋混凝土构件的计算模式又可分为纯弯（不计轴力）和偏压计算两种。对此，要根据施工过程和工程经验，合理选择计算模式，兼顾安全性和经济性。

2.3 规范条文解读

（1）《公路隧道设计规范》1.0.1条指出：“为给山岭公路隧道设计提供技术准则，制定本规范”。1.0.2条规定：“本规范适用于以钻爆法为主要开挖手段的各级公路双车道隧道，其它形式的公路隧道可参照执行”。《公路隧道设计规范》中9.1.1条文说明：“在结构设计领域，目前多数工程结构已采用概率极限状态设计法……”，“公路隧道因建设时间尚短，尚未具备采用极限状态设计法设计的条件”。《地铁设计规范》第10.1.6条规定：“地下结构的设计，应根据施工方法、结构或构件类型、使用条件及荷载特征等，选用与其特点相近的结构设计规范和设计方法。”并在条文说明中明确：“……对于各类结构，目前尚不具备全部按以概率理论为基础的极限状态法进行设计的条件，……受力明确并具备条件的，宜按极限状态法设计；荷载不甚明确或尚不具备条件的，可按破损阶段或容许应力法设计。”

（2）《公路隧道设计细则答疑》P1：“山岭公路隧道一般采用钻爆法修建，也有少部分山岭隧道采用掘进机法施工，而穿越土层及江河湖泊地段的公路隧道也有采用盾构法施工或沉管法施工的。采用不同施工方法建设的公路隧道，在设计方法上差异较大，但是仍具有较多的相同或相似之处，如平纵面设计标准、建筑限界、结构设计原则，以及运营管理系统等，因此采用其他方法修建的公路隧道仍可参照本细则，但应充分考虑各自的特殊性。”

（3）《公路隧道设计规范》8.5条规定：“以明挖法或在露天修建的隧道可称为明洞。下穿公路、铁路、建筑物、防雪棚、遮阳棚洞等以掘开地表土修建隧道结构后再在上面回填或修建其它建筑物的隧道都可称为明洞”；9.3.1条又规定：“采用挡墙式洞门时，明洞结构的强度安全系数，本规范取与隧道衬砌相同的数值。”其理由是明洞属于半隐蔽结构，其结构变形受周围地层的约束小，且有受冲击荷载作用的可能，从这一不利因素看，明洞安全系数应比隧道衬砌大。但明洞的有利因素是：外荷载较为明确，结构计算图式与实际情况比较接近；采用明挖法施工，施工条件较隧道好，圬工质量易于保证，从这一方面看，安全系数取值可比隧道衬砌小。综合以上有利及不利两方面因素，其有利因素起主导作用，故对明洞取与隧道衬砌相同的结构强度安全系数值是较合适的。

对（1）～（3）所列条文进行分析和解读：

a.首先《公路隧道设计规范》中提到了不同施工方法修建的公路隧道在设计方法存在着比较大的差异，并未要求山岭公路隧道以外的公路隧道仍要采用破损阶段法进行设计，反而提到要充分考虑各自的特殊性。

b.城市明挖隧道，按（3）所述，尽管从施工过程上来看可归入公路隧道明洞的范畴，但是城市明挖隧道不存在按（3）所述的明洞条文中所提到的结构变形受周围地层约束小，且有受冲击荷载（落石荷载） 的可能，因此可完全从有利角度考虑，安全系数本身较隧道衬砌可降低；因此要求城市明挖法隧道完全遵照《公路隧道设计规范》破损阶段法设计，偏于保守，不甚合理。

c.该类工程的结构形式为箱涵结构，施工方法为基坑支护结构下的明挖，与地铁明挖车站和明挖区间类似，故在荷载分布、施工方法和使用条件上与地铁明挖车站和明挖区间基本相同，在上述的结构设计中采用极限概率法恰恰是最常规的设计方法。而城市地下工程、如城市地铁车站、区间隧道等设计已基本采用极限状态法，应用《混凝土结构设计规范》，这些在《地铁设计规范GB50157-2003》10.2.1条和10.3.2条中已明确反映。从工程类比的角度考虑，该工程为城市地下明挖通道，无论是结构型式、开挖型式还是所属行业（市政）都与地铁工程更为接近，故按《混凝土结构设计规范》采用极限状态法更为合理。

2.4 极限状态法的比较

在不同行业、不同规范中，极限状态法设计采用的设计基准期、可靠度和可靠指标也不相同，如表1所列。

表1 不同结构中的设计基准期、可靠指标比较一览表

（1）表1中的数据源自《工程结构可靠性设计统一标准》、《公路工程结构可靠度设计统一标准》。

（2）目标可靠指标是分项系数法所采用的各分项系数取值的基本依据，不同的可靠指标所对应的分项系数也是不同的。《建筑结构荷载规范》是按房屋建筑结构的设计基准期和可靠指标选取概率极限状态法的分项系数的，其设计基准期和可靠指标都低于公路隧道结构。城市明挖隧道荷载作用中永久荷载起控制作用，对比《建筑结构荷载规范》和《公路隧道设计细则》中的概率极限状态法的分项系数，荷载作用分项系数上，恒载系数接近，可变作用分项系数《公路隧道设计细则》中为1.4，不考虑组合值系数，而《建筑结构荷载规范》中考虑组合值系数0.7；在材料分项系数上，公路隧道偏安全，在该类工程中不建议取组合值系数。

3 两套方法计算对比与分析

3.1 计算原则

（1）极限状态设计分别对正常使用极限状态和承载能力极限状态进行验算，构件裂缝宽度允许值：顶板、侧墙、叠合墙地墙外侧、底板为0.2 mm；《公路隧道设计规范》9.2.15条按荷载基本组合求得的最大裂缝宽度不应大于0.2 mm。分别计算了纯弯、偏压条件下强度、裂缝。

（2）破损阶段法混凝土和钢筋参数依据《公路隧道设计规范》和《公路隧道设计细则》规范条文，破损阶段法的安全系数取2。

（3）极限状态法和破损阶段法验算要求为强度满足和裂缝宽度不大于0.2 mm，破损阶段验算时弯距等内力取极限状态下的标准值。

（4）已对典型断面根据弯距、轴力复核纯弯、偏压下的强度和裂缝，计算结果表明除中隔墙外主要受力构件均为大偏压构件，考虑轴力对结构更有利；故在本文中未列入偏压计算内容。

（5）计算结果表明混凝土等级C35，钢筋等级HRB400条件下，极限状态法与破损阶段法相比，在满足强度承载和裂缝宽度不大于0.2 mm的条件下，安全度更高。

3.2 抗剪强度

截面抗剪强度对比，采用《混规》6.3.3条在截面大于800的条件下，截面抗剪强度均比《公路隧道设计规范》K.0.7条计算的值要小，因此采用《混规》抗剪亦不低于《公路隧道设计规范》。比较结果如表2所列。

表2 结构抗剪强度值一览表

3.3 抗弯强度

双层双跨结构顶板厚度为1 200 mm，中板厚度为600 mm，底板厚度为1 400 mm，侧墙为叠合墙，为800 mm地墙+500 mm内衬墙，中隔墙厚度为600 mm。地下一层净高3.23m，地下二层净高6 m。顶板覆土厚度约3.15 m。

计算模型如图1所示。

采用一次性加载和开挖回筑两种计算模式进行计算，发现在底板中支座处，开挖回筑计算出的内力值大于一次加载法得出的内力值（前者约为后者的1.15倍），其余位置一次性加载计算出的内力值均大于开挖回筑模式的计算结果。因此在内力配筋时，采用一次加载法的计算结果，同时考虑将底板中支座内力放大15%。各层板跨中弯距增大15%。其计算结果见表3、表4所列。

图1 结构计算模型

表3 双层双跨结构关键截面内力值计算结果一览表

除该典型断面外，还对单层双跨结构、U型敞开段结构共10个不同的断面进行了两套体系的计算，由于篇幅所限，本文未全部引用。计算结果表明：在混凝土等级C35，钢筋等级HRB400条件下，极限状态法与破损阶段法相比，在满足强度承载和裂缝宽度不大于0.2 mm的条件下，安全度更高。

表4 结构配筋计算结果一览表

4 结语

（1）城市明挖道路隧道从道路的归属和服务功能上来看，仍属城市道路的范畴，线型设计采用的是城市道路和快速路的相关规范，故应属于市政公用行业。由于市政公用行业并无专门的行业规范来指导此类道路隧道的设计，故在实际设计过程中，不得不应用其它相关行业的规范作为设计依据。各设计院往往根据自身的行业背景和经验，选取认为合适的规范和设计方法。建设主管部门应尽快编制相关规范，以避免设计方法上的不统一。

（2）该类工程的结构形式为箱涵结构，施工方法为基坑支护结构下的明挖，与地铁明挖车站和明挖区间类似，故在荷载分布、施工方法和使用条件上与地铁明挖车站和明挖区间基本相同，在上述的结构设计中采用极限概率法恰恰是最常规的设计方法。无论是结构型式、开挖型式还是所属行业（市政）都与地铁工程更为接近，故按《混凝土结构设计规范》采用极限状态法更为合理。

（3）计算结果表明：在混凝土等级C35，钢筋等级HRB400条件下，极限状态法与破损阶段法相比，在满足强度承载和裂缝宽度不大于0.2 mm的条件下，安全度更高。

（4）建议城市明挖道路隧道采用极限状态法设计更为合理。

[1]GB50009-2001，建筑结构荷载规范（2006年版）[S].

[2]GB50010-2010，混凝土结构设计规范[S].

[3]GB50153-2008，工程结构可靠性设计统一标准[S].

[4]GB/T50283-1999，公路工程结构可靠度设计统一标准[S].

[5]JTG D70-2004，公路隧道设计规范[S].

[6]JTG/T D70-2010，公路隧道设计细则[S].

[7]JTG/D60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[8]GB50108-2008，地下工程防水技术规范[S].