浅谈城市明挖隧道断面形式选择

王山水

大连市市政设计研究院有限责任公司厦门分公司，福建 厦门 361000

1 城市明挖通道断面形式

根据对已建城市明挖隧道的调查分析和经验总结，城市明挖隧道主要有矩形平顶断面、折板拱顶断面和圆弧拱顶（底）断面三种形式，其中以矩形平顶断面最为常见。

（1）矩形平顶断面

2）折板拱顶断面

（3）圆弧拱顶（底）断面

（1）矩形平顶断面为常规矩形框架结构，具有施工方便、工艺成熟等优点，对相交道路横穿管线敷设影响也最小，断面利用率高，适用于各种中小跨度通道断面。

（2）折板拱顶断面施工工艺成熟，但由于结构高度较高，板顶覆土浅时对横穿管线敷设影响较大，覆土越深影响越小，同时折板高度较高时侧墙施工应多设一道施工缝，整体断面利用率较低，景观效果一般，适用于覆土较深的中大跨度断面。

（3）圆弧拱顶（底）断面由于是弧形面，施工上存在如下难点：①顶板施工需定做钢拱架模板；②跨度大时混凝土浇筑困难，尤其是拱顶处混凝土将对两侧角部产生较大压力，容易导致脱模漏浆；③顶（底）板主筋需预弯，施工难度较大。同样由于结构高度较高，板顶覆土浅时对横穿管线敷设影响较大，覆土越深影响越小。景观效果好，对各种跨径均适用［1］。

因此，三种断面形式均各有优缺点，设计中应根据项目具体情况进行比选拟定，断面形式不同对隧道结构受力、施工方案、工程造价等均可产生影响。针对此问题，本文结合两个工程案例进行结构断面拟定和受力分析，并根据计算结果分析断面选择的合理性。案例一为跨度较大的双孔双向六车道车行通道断面，案例二为跨度较小的单孔人行通道断面。

2 较大跨度明挖隧道的断面拟定和受力分析

本文以晋江市东部快速通道一期工程的主线通道为例，主线隧道采用双孔2～14.3m 断面，双向六车道，覆土厚度为1.2～11.2m，主体结构采用C40 钢筋混凝土，荷载等级为城-A，裂缝宽度按≤0.2mm 控制。施工方法采用明挖现浇工艺。

由于大跨度隧道采用圆弧拱顶断面需定做大型钢拱架模板，且混凝土浇筑困难，以及对顶板钢筋预弯等导致施工效率降低，结合已建类似项目的调查分析和前期方案研究，不推荐采用圆弧拱顶断面。因此，本隧道主要提出矩形平顶断面和折板拱顶断面两种形式进行计算分析［2-3］。根据本项目管线敷设需要，通道顶面覆土应≮3.2m，因此以折板拱顶断面覆土为3.2m为界进行分析，此时矩形平顶断面覆土为4.1m。两种断面尺寸如下：

主线隧道折板拱顶断面

主线隧道矩形平顶断面

计算方法：①内力计算采用以结构力学为基础的有限元计算方法，结构设计采用以概率理论为基础的极限状态设计方法；②标准横断面计算取每延米建立二维框架模型，采用梁单元模拟。

计算原理及假定：①结构假定为线弹性材料；②地层采用地基弹簧模拟，地层变形遵从温克尔假定；③水土荷载计算采用水土分算原则。

采用迈达斯2019 建模计算，得到正常使用极限状态下内力计算结果如下：

根据以上计算结果，折板拱顶断面相对矩形平顶断面而言，由于覆土降低和顶板跨度减少等因素，顶板受力优于矩形平顶断面方案；底板中支座优于矩形平顶断面；而由于结构高度增加，底板跨中、边支点内力略大于矩形平顶断面。综合比较，折板拱顶断面形式受力优于矩形平顶断面，同样随着隧道埋深增加和折板高度增加，此差异更加明显。

3 较小跨度明挖隧道的断面拟定和受力分析

本案例以泉州某项目为例，断面尺寸8m×3.3m 高，主体结构采用C40 钢筋混凝土，覆土厚度3m，汽车荷载等级城A 级，裂缝宽度按≤0.2mm控制。施工方法采用明挖现浇工艺。由于本通道跨度较小且覆土较薄，不宜采用折板拱顶断面形式。从功能上和景观等方面考虑，拟定常规矩形框架断面和顶底板微拱形断面两种断面形式进行分析比较。

矩形断面方案

圆弧拱顶底断面

采用迈达斯2019 建模计算，得到正常使用极限状态下内力计算结果如下：

由上可得，在相同荷载作用下，弧形断面具有较优的受力特性，提高了结构效率，发挥了钢筋混凝土结构受压承载能力。从施工难度分析，顶底板微拱形断面相对复杂，但由于拱起弧度不大，且均为现浇结构，因此施工难度较为相近。从景观上分析，顶板弧形利于通道内附属设施的布置，穹形天花板也较为美观。

4 结论

根据两个工程实例受力分析和比较，总结如下：

（1）对于覆土较薄的隧道结构，为施工方便和提高断面利用率，可选用常规矩形断面形式。

（2）对于覆土较厚且跨度较大的明挖隧道，在满足管线敷设空间前提下，可优先选用折板拱顶断面。

（3）对于景观要求较高，覆土足够，结合附属设施设计需要，可选用圆弧拱顶（底）断面形式。

隧道断面的选择，应根据项目具体情况，包括隧道使用功能、跨度大小、覆土厚度、管线敷设需要、施工工艺、工程造价等分析确定，不能一概而论。