城市淺埋明挖隧道合理結(jié)構(gòu)斷面型式研究★

李 磊 磊

(江蘇中設(shè)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 無錫 214072)

0 引言

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，城市汽車保有量的逐年增加，城市交通擁堵問題也日益嚴(yán)重。城市隧道具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)隧道建于地面以下，可充分利用地下空間，節(jié)省土地資源；2)隧道與地面形成立體交叉，交通互相干擾少，可快速通過，實(shí)現(xiàn)快速化；3)隧道內(nèi)行車受環(huán)境氣候影響小；4)隧道對(duì)城市景觀破壞小，對(duì)周圍環(huán)境噪聲影響小，尤其是城市居民住宅區(qū)。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，隧道是有效解決城市交通擁堵的重要途徑之一，尤其在環(huán)保和景觀要求比較高的地區(qū)，近些年越來越被廣泛應(yīng)用。

市政道路隧道的斷面型式主要有：圓形斷面、矩形斷面、折板拱斷面及馬蹄形斷面，見圖1，圖2。斷面的選擇跟施工方法密切相關(guān)，盾構(gòu)法和頂管法施工的隧道一般為圓形斷面和矩形斷面，明挖法施工的隧道一般為矩形斷面和折板拱斷面，鉆爆法施工的隧道一般為馬蹄形斷面。在城市快速路建設(shè)和快速化改造中，下穿交叉路口對(duì)埋深較淺的隧道一般采用明挖法施工，淺埋明挖隧道也因其施工簡單、快捷、安全、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，成為城市隧道的首選方案。而隧道斷面一直是每個(gè)隧道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，本文主要研究明挖隧道設(shè)計(jì)中斷面如何選擇，并針對(duì)常用的三種隧道斷面型式進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟(jì)性和適用性的對(duì)比分析，為類似工程提供依據(jù)。

1 隧道結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)思路

隧道橫斷面設(shè)計(jì)是在滿足建筑限界條件下，通過合理布置充分利用空間，為通風(fēng)、給排水、消防、供配電照明、監(jiān)控、內(nèi)裝修等配套附屬設(shè)施和安全疏散設(shè)施提供安裝空間，并預(yù)留結(jié)構(gòu)變形、施工誤差、路面調(diào)坡等余量，同時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)受力需要確定結(jié)構(gòu)厚度。

1)建筑限界：由道路凈高線和兩側(cè)側(cè)向凈寬線組成的空間界限，包括凈寬和凈高。一般由行車道、路緣帶和安全帶等組成，根據(jù)需要設(shè)置人行道及非機(jī)動(dòng)車道，特殊斷面還應(yīng)包括緊急停車帶以及檢修道等。隧道建筑限界內(nèi)不得有任何物體侵入。

機(jī)動(dòng)車道、非機(jī)動(dòng)車道、人行道和檢修道的寬度根據(jù)道路功能定位、設(shè)計(jì)車速、交通需求確定，并應(yīng)符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。凈高：各種機(jī)動(dòng)車為4.5 m，小客車為3.5 m(最小3.2 m)，行人和非機(jī)動(dòng)車為2.5 m。城市地下快速路嚴(yán)禁在同孔內(nèi)設(shè)置非機(jī)動(dòng)車道和人行道，當(dāng)城市地下主干路、次干路和支路同孔內(nèi)需要設(shè)置非機(jī)動(dòng)車道或人行道時(shí)，必須在機(jī)動(dòng)車道外側(cè)設(shè)置隔離護(hù)欄。城市隧道考慮到可以在晚間車流量小的時(shí)候暫時(shí)封閉隧道進(jìn)行檢修，一般可不設(shè)檢修道。

2)設(shè)備空間及余量。

設(shè)備空間及余量應(yīng)滿足下列原則：

a.滿足各自設(shè)備工藝要求；

b.設(shè)備布置不得侵入建筑限界；

c.應(yīng)方便設(shè)備的安裝和維護(hù)保養(yǎng)；

d.設(shè)備管線宜集中布置，可設(shè)置專用管廊；

e.預(yù)留結(jié)構(gòu)變形和施工誤差富余量5 cm。

3)結(jié)構(gòu)厚度。

斷面結(jié)構(gòu)厚度根據(jù)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算確定，跟結(jié)構(gòu)斷面型式、結(jié)構(gòu)凈尺寸跨度、覆土厚度有直接關(guān)系。結(jié)構(gòu)斷面的型式主要有矩形斷面、折板拱斷面和馬蹄形斷面，城市明挖隧道最常用的是矩形斷面，跨度較大時(shí)可采用折板拱斷面。

2 隧道斷面型式

本文為一條雙向六車道城市快速路，設(shè)計(jì)車速80 km/h，車道寬3.5 m+3.5 m+3.75 m。根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，建筑限界尺寸為12.25 m×5 m，具體如圖3所示。在滿足各功能要求下，擬定三種斷面進(jìn)行結(jié)構(gòu)比選。

方案A1：兩孔矩形斷面。

結(jié)構(gòu)總寬度30 m，總高8.6 m，單孔結(jié)構(gòu)凈尺寸13.4 m×6.1 m，建筑限界尺寸12.25 m×5 m。側(cè)墻1.2 m，中隔墻0.8 m，單孔左右側(cè)各留設(shè)備裝修層0.25 m和0.9 m。結(jié)構(gòu)頂板厚1.2 m，底板厚1.3 m，鋪裝層厚度0.5 m，設(shè)備層0.6 m，如圖4所示。

方案A2：兩孔折板拱斷面。

結(jié)構(gòu)總寬度30 m，總高9.3 m，單孔結(jié)構(gòu)凈尺寸13.4 m×7.1 m，建筑限界尺寸12.25 m×5 m。側(cè)墻1.2 m，中隔墻0.8 m，單孔左右側(cè)各留設(shè)備裝修層0.25 m和0.9 m。結(jié)構(gòu)頂板厚0.9 m，底板厚1.3 m，鋪裝層厚度0.5 m，設(shè)備層1.6 m，如圖5所示。

方案A3：兩孔一管廊箱型斷面。

結(jié)構(gòu)總寬度31.6 m，總高8.6 m，單孔結(jié)構(gòu)凈尺寸12.75 m×6.1 m，建筑限界尺寸12.25 m×5 m。側(cè)墻1.2 m，中隔墻0.6 m，管廊2.5 m，單孔左右側(cè)各留設(shè)備裝修層0.25 m。結(jié)構(gòu)頂板厚1.2 m，底板厚1.3 m，鋪裝層厚度0.5 m，設(shè)備層0.6 m，如圖6所示。

3 隧道斷面計(jì)算配筋對(duì)比

針對(duì)以上三個(gè)斷面方案，在同等道路路面設(shè)計(jì)標(biāo)高情況下，從結(jié)構(gòu)受力、配筋情況、混凝土和鋼筋材料用量等方面進(jìn)行定量比選，計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

1)正常使用極限狀態(tài)準(zhǔn)永久組合下，方案A1截面計(jì)算內(nèi)力包絡(luò)圖如圖7～圖9所示。

根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 方案A1截面配筋計(jì)算結(jié)果

根據(jù)配筋設(shè)計(jì)結(jié)果，單位米隧道結(jié)構(gòu)C40混凝土共95.5 m3，鋼筋共18 451 kg，鋼筋量193 kg/m3。

2)正常使用極限狀態(tài)準(zhǔn)永久組合下，方案A2截面計(jì)算內(nèi)力包絡(luò)圖如圖10～圖12所示。

根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 方案A2截面配筋計(jì)算結(jié)果

根據(jù)配筋設(shè)計(jì)結(jié)果，單位米隧道結(jié)構(gòu)C40混凝土共87.7 m3，鋼筋共13 903 kg，鋼筋量158 kg/m3。

3)正常使用極限狀態(tài)準(zhǔn)永久組合下，方案A3截面計(jì)算內(nèi)力包絡(luò)圖如圖13～圖15所示。

根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，計(jì)算結(jié)果見表4。

根據(jù)配筋設(shè)計(jì)結(jié)果，單位米隧道結(jié)構(gòu)C40混凝土共101.9 m3，鋼筋共18 819 kg，鋼筋量185 kg/m3。

單位米隧道材料用量綜合對(duì)比結(jié)果見表5。

表4 方案A3截面配筋計(jì)算結(jié)果

表5 單位米隧道材料用量對(duì)比表

由表5可見，斷面彎矩方案A2最小，比方案A1在頂板跨中和支點(diǎn)處各減小50%以上，底板減小較小。方案A3比方案A1在頂?shù)装蹇缰新源螅虚g支座處減小20%左右。在混凝土用量方案A3最多，方案A2最少；鋼筋用量方案A1最多，方案A2最少；含鋼量方案A1最多，方案A2最少。從結(jié)構(gòu)受力、材料用量和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上可見，方案A2折板拱斷面相對(duì)方案A1矩形斷面和方案A3兩孔一管廊斷面均具有較大優(yōu)勢，受力合理、經(jīng)濟(jì)性最好。

4 結(jié)語

經(jīng)本文的對(duì)比分析研究，頂板采用折板拱，可利用合理的拱軸設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮拱效應(yīng)，改善頂板受力，減小結(jié)構(gòu)頂板厚度，優(yōu)化結(jié)構(gòu)配筋。頂部拱形結(jié)構(gòu)的矢高部分，可作為隧道內(nèi)部設(shè)備安裝空間。而當(dāng)頂板覆土較厚時(shí)，在路面標(biāo)高不變的前提下，可通過增加矢高，減小覆土，進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力條件。綜合考慮隧道功能要求、結(jié)構(gòu)受力、材料用量、經(jīng)濟(jì)性等因素，對(duì)斷面寬度30 m左右的雙向六車道明挖隧道推薦采用折板拱斷面型式。