城市大断面明挖隧道断面形式研究

付大喜

(河南省交通规划设计研究院股份有限公司， 河南 郑州 450052)

城市大断面明挖隧道断面形式研究

付大喜

(河南省交通规划设计研究院股份有限公司， 河南 郑州 450052)

断面形式对城市大断面明挖隧道结构内力、施工方案、工程造价等有较大影响，在统计分析我国已建成城市大断面明挖隧道断面形式特点的基础上，对郑州市渠南路隧道工程可能采取的断面形式进行研究，分析直墙平顶、直墙圆顶和直墙折板3种断面形式的受力和断面特点，并采用荷载-结构模型对影响直墙折板隧道断面内力的参数，如折板折起角度、斜板跨度和结构自重等进行研究。结果表明： 渠南路隧道采用直墙折板断面可提高断面利用率，改善结构受力条件，且上述3个参数均会影响直墙折板断面内力计算结果。

城市大断面明挖隧道； 断面形式； 折起角度； 斜板跨度； 结构自重

0 引言

随着人们对城市环境和景观要求的不断提高，城市道路交通量增大，城市下穿隧道越来越多，断面尺寸也越来越大，并出现了一些城市大断面明挖隧道。这些隧道一般为单向4车道或单向5车道隧道，施工方法以明挖法为主，采用箱涵框架结构形式。一些学者对此类隧道进行了研究。例如： 文献[1]采用破损阶段法和极限状态法对相关规范进行了解读和分析，得出城市明挖道路隧道采用极限状态设计方法是合理的；文献[2]通过详细的对比分析，认为明挖隧道主体框架采用折板拱形结构具有很大的经济效益；文献[3]以北京成府路隧道设计为例，阐述了平顶隧道主体结构的确定及其计算；文献[4]结合超大断面4孔箱型明挖隧道的施工过程，对隧道结构内力、结构沉降及变形等指标进行监测，得出超大断面箱型明挖隧道主体结构各部位随施工过程的内力变化情况；文献[5]现场测试了方兴湖双向8车道湖底隧道地层下孔隙水压力、抗拔桩桩顶应力和框架结构应力，研究了隧道结构受力随施工工序的变化情况；文献[6]总结归纳了广州市城市车行隧道建设工程经验，分析了存在的问题，提出了车行隧道建设技术发展的方向。

以上文献基本是针对城市明挖隧道进行结构计算方法、结构内力和变形以及隧道总体设计等方面的研究； 但这些文献对隧道断面形式研究较少，而隧道断面形式对城市大断面明挖隧道结构内力、施工方案、工程造价等有较大影响。本文在以上文献的基础上，总结国内已建成城市大断面明挖隧道断面特点，比选分析适合渠南路隧道工程的断面形式，进一步深入分析城市大断面明挖隧道各类断面形式受力特点和直墙折板断面受力特点影响因素，以期为类似工程建设提供参考。

1 已建成城市大断面明挖隧道断面特点分析

表1对我国已建成的7座城市大断面明挖隧道案例进行了统计[7-9]，可以得出以下主要结论。

1)国内已建成城市大断面明挖隧道单孔净跨为16.45～17.6 m(郑州市北三环隧道结构21.5 m跨度处为匝道和主隧道汇合处断面宽度)，为减小大跨条件下的结构内力，综合考虑结构设计和工程造价要求，隧道埋深一般均小于3.0 m。

表1 城市大断面明挖隧道工程案例统计

2)随着隧道埋深的增大，结构构件尺寸也随之增大。结构顶板和底板尺寸为1.2～1.6 m，中墙厚度为 0.7～0.9 m，侧墙厚度为0.8～1.2 m，部分结构构件混凝土浇筑量已达到大体积混凝土标准，对混凝土结构设计和施工提出了更高的要求。

3)结构断面形式以直墙平顶断面形式为主、直墙折板断面形式为辅，直墙圆顶断面形式未见采用。

2 渠南路隧道工程概况和结构断面形式

郑州市渠南路1号隧道工程位于郑州市西部常西湖新区内，隧道全长3 520 m，为明挖现浇浅埋隧道，隧道全长共设置4处进出匝道。在渠南路右侧设置常西湖新区地下空间集散车道，为降低工程造价，满足道路限界要求，局部地段渠南路隧道和集散车道隧道共墙设置[10]。渠南路隧道暗埋段结构长3 080 m，共分为77个节段，每个节段长25～60 m。为沟通渠南路隧道和集散车道隧道交通，且为满足渠南路隧道匝道和集散车道车辆汇入渠南路隧道的要求，渠南路隧道局部单孔净跨达21.45 m，跨度之大为国内同类工程罕见。为满足隧道自流排水要求，大跨段隧道埋深约为2.7 m。隧道主体结构采用C35混凝土，防水等级P8，抗浮水位位于底板以下，不需考虑抗浮措施。

初拟渠南路隧道3种断面形式如图1所示，采用的参数如表2所示。

(a) 直墙平顶(断面净面积195.2 m2)

(b) 直墙圆顶(断面净面积253.7 m2)

(c) 直墙折板(断面净面积204.9 m2)

计算参数数值埋深h/m2.7土体重度γ/(kN/m3)20侧压力系数ν0.5地面超载p/kPa20侧向超载q/kPa10裂缝控制等级三级

注： 1)由于地下结构承受荷载大，钢筋用量多，配筋大多有裂缝要求控制，故直接按荷载准永久组合计算结构内力和配筋； 2)混凝土保护层实际厚度大于30 mm时，保护层厚度计算值取为30 mm。

若定义隧道断面利用率μ=A′/A，其中A′ 为建筑限界面积，A为断面内轮廓面积，则3种断面的利用率分别为0.662、0.509和0.630。

显然，大跨断面构件截面为结构计算控制截面。大跨断面构件截面按裂缝限值要求的内力及配筋计算结果如表3所示。

由表3可知：

2)由强度计算可知，结构构件均处于大偏心受压状态，随着构件轴力的增大，结构受弯承载能力也随之增大。

表3 不同断面形式结构内力计算

注： 1)弯矩M以迎土面受拉为负，背土面受拉为正； 2)轴力N以构件受压为正，受拉为负。

3)从正常使用极限状态最大裂缝宽度限值要求计算出的钢筋截面面积可以看出： 直墙圆顶受力性能较好，结构内力较小，结构断面尺寸和配筋面积均小于其余2种断面；其次是直墙折板断面；直墙平顶断面内力和配筋面积最大，且直墙平顶顶板左支座处由于内力太大，配置2排直径为32 mm、间距为100 mm的钢筋也不能满足最大裂缝宽度限值要求(0.2 mm)，这一配置基本已经达到钢筋排布施工的限值。

4)与直墙平顶和直墙折板断面相比，直墙圆顶断面受力条件较好，但直墙圆顶断面存在以下问题[3]： ①施工困难，需要做大型钢拱架模板； ②混凝土浇筑困难，尤其是拱顶处混凝土将对角部产生较大压力，容易导致脱模漏浆； ③钢筋需预弯，难度较大； ④对于浅覆土情况，要保证隧道内净空要求，拱矢高很有限，优化效率较低； ⑤为保证隧道上方市政管线敷设深度要求，采用直墙圆顶断面时，隧道线路埋深较大，两端接线困难，导致隧道长度增大、造价增加。直墙平顶结构有利于充分利用结构断面空间，扩大断面利用率，且结构设计和施工技术比较成熟； 但其结构受力性能较差，不能适应本工程大跨结构受力工况。

从结构受力性能和断面利用率等方面考虑，本次设计选用直墙折板断面。

3 直墙折板断面参数敏感性分析

3.1 折板折起角度分析

以折起角度分别为(斜板与水平面夹角)20°、30°、40°为例，分析折板折起角度对折板内力的影响，折起角度越大，则结构总高度越大，埋深相同时，结构侧向荷载越大。计算参数如表2所示，计算结果如表4所示。

表4 折起角度不同时的结构内力计算

Table 4 Calculation results of structural internal force for different deflection angles

折起角度/(°)位置弯矩M/(kN·m)轴力N/kN剪力F/kN203040顶板底板顶板底板顶板底板左支座-31061183876跨中2540812右支座-3389969821左支座-2363116954跨中1590116右支座-14391161147左支座-26441352669跨中2370837右支座-27071148784左支座-2381175963跨中1655175右支座-13931751176左支座-21151485458跨中2224843右支座-24331281655左支座-2455255993跨中1732255右支座-14182551225

由表4的计算结果可知，在结构埋深相同、结构高度不同时，随折板折起角度的增大：

1)顶板剪力呈减小趋势，底板剪力呈增大趋势，且除底板右支座外，减小和增大趋势均较明显。

2)除底板右支座外，结构顶板弯矩随折起角度的增大而减小，底板弯矩随折起角度的增大而增大；结构顶底板轴力均随折起角度的增大而增大。对于顶板，随折起角度增大，弯矩减小，轴力增大，处于更有利的受力状态。

3)本次设计根据包络建筑限界顶角宽度和高度的要求，确定斜板折起角度为arctan 1/2，约为 26.5°，且抬高大跨断面的高度，以减小结构埋深和竖向荷载，使结构处于合理的受力状态。

3.2 斜板折起跨度对结构内力的影响分析

现以相同埋深条件下，折起角度arctan 1/2，每侧斜板跨度占结构净跨1/6、1/5和1/4(大跨结构净跨21.45 m，斜板跨度分别为3.575、4.290、5.362 5 m)为例，对斜板跨度引起的结构内力差异进行分析，其计算参数见表2所示。大跨结构内力计算结果如表5所示。

表5 折起跨度不同时的结构内力计算

Table 5 Calculation results of structural internal force for different skew plate spans

斜板跨度占比位置弯矩M/(kN·m)轴力N/kN剪力F/kN1/61/51/4顶板底板顶板底板顶板底板左支座-32431310794跨中2377816右支座-32001082900左支座-30811661010跨中1498166右支座-19661661142左支座-30831386774跨中2183893右支座-29871080896左支座-31232111027跨中1506211右支座-20022111146左支座-29181455767跨中1877959右支座-27791047916左支座-32272621061跨中1524262右支座-20392621150

由表5的内力计算结果可知，在相同埋深条件下，随着斜板跨度的增大，顶板相应位置弯矩逐渐减小，底板相应位置弯矩逐渐增大，且顶板和底板轴力均呈增大趋势。上述计算结果由3种斜板不同跨度、相同埋深条件下得出，实际上，当隧道线路埋深已经确定、斜板折起角度相同时，斜板跨度越大，隧道埋深越小； 但是斜板跨度越大，结构断面尺寸也相应增大，断面利用率减小，混凝土工程量增大，且应综合考虑隧道埋深减小是否会造成隧道上方管线敷设困难。

3.3 结构自重对结构内力的影响分析

大跨结构由于跨度较大，在较小荷载下即会产生较大的截面内力，而结构断面尺寸对裂缝宽度计算值影响较大，所以在裂缝宽度限值计算不满足规范要求时，一般均通过增加板厚或者增大配筋面积来调整裂缝宽度计算值；但盲目增大断面尺寸也会增加结构自重，使截面内力进一步增加。现以直墙折板断面为例，对结构自重增加引起的结构内力进行分析，以期得到经济合理的结构构件尺寸。

由前述计算可知，折板大跨结构内力控制部位为结构顶板，现以顶板厚度分别为1.0、1.2、1.4、1.6 m为例对折板结构进行计算，计算参数如表2所示，计算结果如表6所示。

表6 顶板厚度不同时的结构内力计算

注： 顶板混凝土造价按1 000元/m3估算，钢筋按5元/kg估算。

在浅埋条件下，隧道高度和跨度一定时，由表6计算结果可以看出：

1)随着顶板厚度由1.0 m增加至1.6 m，左支座、跨中和右支座的弯矩分别增大了25.6%、39.4%和10.4%，相应位置的轴力却减少了3.4%、17.2%和5%，说明随着顶板厚度增大，顶板自重荷载增加，弯矩增大，轴力减小。

2)随着顶板厚度增大，虽然截面配筋面积有所减小，但总造价呈现增大趋势，尤其是跨中截面每m2的造价增加了40.4%，说明盲目增大断面尺寸是不经济的；故不建议过多增加断面面积，而应有效增加截面抗弯惯性矩。空心板可作为研究方向之一。

3)顶板厚度较小时，工程造价较低； 但由于配筋面积较大，钢筋密集可能会对施工中的混凝土振捣、钢筋绑扎等带来不利影响。综合考虑造价和施工等因素，本次设计折板断面顶板采用1.4 m板厚。

4 结论与建议

1)我国已建成的城市大断面明挖隧道以直墙平顶断面形式为主，直墙折板形式为辅，直墙圆顶形式较少。在受力性能上，直墙圆顶断面优于直墙折板断面，直墙折板断面优于直墙平顶断面，但在断面利用率上则排序相反。综合考虑，渠南路隧道工程采用直墙折板断面形式。

2)在结构埋深和结构高度相同条件下，直墙折板结构顶板弯矩随折起角度的增大而减小，底板弯矩随折起角度的增大而增大；结构顶底板轴力均随折起角度的增大而增大。

3)在相同埋深条件下，对于直墙折板结构斜板不同的折起跨度，随着斜板跨度的增大，顶板相应位置弯矩逐渐减小，底板相应位置弯矩逐渐增大，且顶板和底板轴力均呈增大趋势。

4)在浅埋条件下，隧道高度和跨度一定时，直墙折板结构单纯增加构件尺寸不仅会增大结构内力，而且会增加结构造价，顶板跨中截面表现尤为明显；因此，应考虑在保证结构自重不变的基础上增大截面抗弯惯性矩，空心板可作为此类结构的研究方向。

上述内容为在抗浮设防水位位于主体结构底板以下时得出的结论，当抗浮设防水位位于主体结构底板以上或位于主体结构顶板以上时，由于结构所受水土压力荷载进一步增大，结论或与上述分析会有所不同。水压力对城市大断面明挖隧道结构内力产生的影响有待进一步研究。

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Study of Cross-section Shapes of Urban Open-cut Tunnel with Large Cross-section

FU Daxi

(HenanProvincialCommunicationsPlanning&DesignInstituteCo.,Ltd.,Zhengzhou450052,Henan,China)

The cross-section shape of urban open-cut tunnel with large cross-section has a significant effect on the structural internal force, construction scheme and project cost. The cross-section shapes probably used in tunnel on Qunan Road in Zhengzhou are studied based on the statistics and analysis of the cross-section shapes of urban open-cut large cross-section tunnel which have been constructed. The characteristics of stress and cross-section of 3 cross-section shapes of straight wall flat plate, straight wall circle plate and straight wall skew plate are analyzed. The parameters, i. e. deflection angle, skew plate span and structural dead weight, which affect the internal force of cross-section in straight wall and skew plate shape, are analyzed by load-structure model. The study results show that: the utilization rate of cross-section and the structure stressing conditions of tunnel on Qunan Road can be improved by using cross-section in straight wall skew plate shape; and the calculation results of internal force will be affected by deflection angle, skew plate span and structural dead weight.

urban open-cut tunnel with large cross-section; cross-section form; deflection angle; skew plate span; structural dead weight

2016-11-30;

2017-03-27

付大喜(1979—)，男，河南信阳人，2001年毕业于湖南大学，交通土建专业，本科，高级工程师，从事隧道与地下工程设计和研究工作。E-mail: calm112@sina.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.017

U 452.2

A

1672-741X(2017)08-1026-06