大跨度城市明挖隧道闭合框架计算研究分析

周倩茹

（深圳市综合交通设计研究院有限公司，广东 深圳 518003）

0 引言

近年来伴随着城市发展的步伐及人口密度不断增大的压力，国内大中城市均修建大型立交桥、高架桥以缓解城市交通压力，然而，随着我国由发展中国家向发达国家迈进，绿色道路及工程项目节能环保理念进一步被重视，因此以一线城市为主的北京、上海、深圳等国内大中城市纷纷将目光从地上转到地下，开始寻求地下结构的帮助解决人们交通需求。

城市建设中的新建大型工程往往会碰到拆迁难的问题，严重影响城市整体规划及工程总体进度，因此如果设计院从工程项目方案阶段开始，将地下方案与地上方案进行比选，短期来看可能工程造价稍高，然而从长远角度出发，也许是个解决问题的良好途径。

城市中地下结构按照施工工艺的不同主要分为明挖隧道、暗挖隧道。明挖隧道主要适用于埋深相对较浅的区域，在城市地下结构中应用较广。由于地下道路出入口较多，因此，不可避免的会出现一些不规则的、大跨度的闭合框架结构，目前国内较少针对这类结构进行特定的研究与分析，综上所述，本文将从实际工程出发，选取深圳妈湾跨海通道工程实例建立有限元分析模型，剖析大跨度闭合框架重难点，得到结构受力特点，总结结构受力规律，配筋特点，为今后的城市地下闭合框架结构设计与施工提供相应的工程经验和理论依据[1-6]。

1 工程概况

深圳市妈湾跨海通道（月亮湾大道～沿江高速）工程大铲湾侧明挖隧道主体结构，路线全长3.34km。主线单洞长6040.9m，匝道单洞长1090m，主线U槽长200 m，匝道U槽长940 m。

大铲湾侧明挖隧道最大跨度处为主线CR59节段与匝道SA交叉处，该处闭合框架为双层大折板结构，结构最大总宽为29.92 m，最大净宽为27.12 m。

2 计算理论及模型建立

2.1 计算理论与方法

（1）城市地下闭合框架结构在主动荷载作用下发生弹性变形的同时，将受到地层变形对其约束作用。将此类约束作用假设为弹性抗力，即为弹性地基梁理论。

（2）对于自身结构条件不满足闭合框架结构抗浮计算的节段，需设置抗浮桩，模型中应加入抗浮桩的抗拉刚度。

（3）根据《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004）要求，作用在隧道结构上的荷载主要分为永久荷载、可变荷载、偶然荷载。

荷载形式主要包括永久荷载：结构自重、结构附加恒载、侧墙土压力、侧墙水压力、混凝土收缩和徐变影响力、水浮力。可变荷载：地面车辆荷载及超载、地下道路车辆荷载、风机等设备引起的动荷载、地面车辆荷载及超载引起的侧墙土压力、温度作用、施工临时荷载。偶然荷载：地震力、汽车对结构的冲撞力等偶然发生的荷载。本文计算中主要考虑永久荷载与可变荷载的作用。

2.2 设计要点分析

2.2.1 大跨度闭合框架结构断面优化设计

本工程地下闭合框架结构采用明挖法施工，隧道主体结构根据覆土厚度、结构跨度分别采用单洞单层、单洞双层、双洞双层、双洞单层、单洞双层、单洞单层等闭合框架结构。

本文选取妈湾跨海通道大铲湾侧最大跨径节段CR59，见图1，进行结构断面型式的分析比选。结合受力特点，对于跨度较大的闭合框架一般通过增加结构高度减小覆土厚度，如从单层结构加至双层结构，同时在顶板设置大折板，见图2、图3。

图1 CR59节段平面图

图2 横断面布置方案一（单位：cm）

图3 横断面布置方案二（单位：cm）

根据以上两种结构形式进行建模分析，考虑有水工况得出荷载基本组合下结构顶、底板最大弯矩，见表1。

表1 基本组合内力对比

由表1可知，大跨度闭合框架顶板设置大折板，主要作用是减少了顶板的覆土厚度，同时折板作为偏心受压构件减少了分配至跨中的弯矩，这两点对改善顶板受力具有显著的作用，而对于底板受力的改善效果则不明显。

2.2.2 梁单元与板单元的模型对比

实际工程中，对于城市闭合框架模型的建立，通常有两种方式，其一，建立梁单元模型，其二，建立板单元模型。对于梁单元，选取纵向1m长节段建立杆系闭合框架模型，这种建模方法在实际工程中主要优点为建模及分析速度快，对于常规跨径闭合框架的内力分析及配筋设计具有一定的优势。下文将闭合框架分为非大跨标准段及大跨段闭合框架分别进行梁单元与板单元的模型的模拟得出两种建模方法的适用范围。

（1）非大跨闭合框架模型对比分析

本工程中大铲湾侧明挖隧道结构非大跨标准段的总宽度为16.25 m，总高度为10.1 m，纵向分段长度均为40 m，本文选取其中覆土厚度为8 m的节段进行验算，通过建立梁单元与板单元模型得出标准段非大跨闭合框架的内力对比分析，见图 4、图 5。

图4 非大跨标准段梁单元、板单元对比模型

图5 非大跨标准段梁单元、板单元横向弯矩图

通过两种模型的对比可以得到非大跨标准段闭合框架较为准确的内力分布图，梁单元计算结果无法得到内力纵向分布趋势，而板单元的优势在于，其结果可得到横向及纵向内力分布图，板单元亦可以指导大跨闭合框架结构的纵向配筋，本文通过两种模型弯矩对比分析得出各关键位置处荷载基本组合下弯矩值。

由图6可知，非大跨标准段用两种方法建模得到的内力分布基本一致，用梁单元计算得到的横向内力值比板单元稍微偏大一些，实际工程中对于这种非大跨标准段用梁单元建模速度快，横向配筋准确率较高。

图6 梁单元、板单元内力对比图（单位：kN·m）

（2）大跨度闭合框架模型对比分析

本工程中大铲湾侧节段CR59段大跨度闭合框架结构顶底板厚度均为1.6 m，侧墙厚度1.4 m，考虑抗浮桩的抗拉作用，覆土厚度为2 m。土体分布按照实际钻孔资料进行侧墙土压力计算。

通过计算分析得到梁单元和板单元模型中各构件在荷载基本组合下的控制弯矩值，见图7、图8。

图7 大跨段梁单元与板单元对比模型

图8 梁单元、板单元内力对比图（单位：kN·m）

由结果可知，两种建模方式得到的结果总体来说是一致的，个别区域如底板跨中弯矩梁单元要结果要大于板单元，主要是由于边界条件抗浮桩的作用导致。大跨度闭合框架结构用板单元建模较为精确，两种方法可以互相验证结果的正确性，最后用于实际设计中配筋取二者内力的包络值。然而对于大跨度闭合框架而言，梁单元模型只能作为内力结果和配筋设计的参考，由于实际工程的大跨度地下隧道结构一般为主线与匝道交叉处，交叉点亦设置环形封堵墙等类似构造物，因此用板单元模拟这种空间复杂结构结果较为准确，见图9。

图9 大跨段梁单元、板单元横向弯矩图

由于这种精细化的板单元模型，对结构细部内力分布计算结果较准确，因此在实际工程中结构配筋应根据板单元模型中内力分布分区布设横向钢筋及纵向钢筋。

3 大跨度闭合框架计算结果的实际应用

通过上述板单元计算我们可以得到大跨度闭合框架横向弯矩分布图。实际工程中，以顶板为例，我们将节段CR59结构顶板分为A、B、C三个区间进行合理配筋。混凝土结构采用裂缝宽度0.2 mm内控制配筋，见表2。

表2 顶板分区配筋表 mm

在分叉处顶板平面钝角区域横向钢筋应注意相互交叉布设。有别于非大跨区的标准段配筋，大跨度闭合框架应根据实际内力分布采用分区配筋法。

4 结语

本文首先根据理论分析，建立了城市地下隧道的计算理论体系，然后通过MIDAS软件有限元计算分析方法，分别建立梁单元与板单元模型，研究了大跨度闭合框架的内力变化趋势，通过总结分析，得出以下结论：

（1）大跨度闭合框架结构应从方案设计阶段对断面型式进行优化，通过设置大折板可以有效的减少顶板内力，但对于底板的内力影响不大，底板与侧墙相接的角隅处可适当考虑加腋设计，本工程考虑0.9 m宽×0.3 m高加腋，增大截面高度，控制裂缝设计。

（2）城市地下闭合框架用梁单元与板单元均可以计算得到内力结果，对于非大跨标准段实际计算得出板单元计算内力稍低于梁单元计算结果，因此非大跨标准段闭合框架用梁单元计算内力结果较为准确，可以指导横向配筋，但对于大跨度闭合框架，应分别建立梁单元与板单元模型，取内力结果的包络值控制设计。

（3）实际工程中，大跨度闭合框架应考虑分叉处封堵墙的影响，实际配筋建议按照实际情况建立板单元模型，根据板单元计算结果分区进行合理配筋。这种设计方法符合内力分布规律，是较合理的配筋方法，可供实际工程参考借鉴。