城市浅埋明挖隧道合理结构断面型式研究★

李 磊 磊

(江苏中设集团股份有限公司，江苏 无锡 214072)

0 引言

随着我国社会经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，城市汽车保有量的逐年增加，城市交通拥堵问题也日益严重。城市隧道具有以下优点：1)隧道建于地面以下，可充分利用地下空间，节省土地资源；2)隧道与地面形成立体交叉，交通互相干扰少，可快速通过，实现快速化；3)隧道内行车受环境气候影响小；4)隧道对城市景观破坏小，对周围环境噪声影响小，尤其是城市居民住宅区。鉴于以上优点，隧道是有效解决城市交通拥堵的重要途径之一，尤其在环保和景观要求比较高的地区，近些年越来越被广泛应用。

市政道路隧道的断面型式主要有：圆形断面、矩形断面、折板拱断面及马蹄形断面，见图1，图2。断面的选择跟施工方法密切相关，盾构法和顶管法施工的隧道一般为圆形断面和矩形断面，明挖法施工的隧道一般为矩形断面和折板拱断面，钻爆法施工的隧道一般为马蹄形断面。在城市快速路建设和快速化改造中，下穿交叉路口对埋深较浅的隧道一般采用明挖法施工，浅埋明挖隧道也因其施工简单、快捷、安全、经济等优点，成为城市隧道的首选方案。而隧道断面一直是每个隧道设计的关键点，本文主要研究明挖隧道设计中断面如何选择，并针对常用的三种隧道断面型式进行结构受力、经济性和适用性的对比分析，为类似工程提供依据。

1 隧道结构断面设计思路

隧道横断面设计是在满足建筑限界条件下，通过合理布置充分利用空间，为通风、给排水、消防、供配电照明、监控、内装修等配套附属设施和安全疏散设施提供安装空间，并预留结构变形、施工误差、路面调坡等余量，同时根据结构受力需要确定结构厚度。

1)建筑限界：由道路净高线和两侧侧向净宽线组成的空间界限，包括净宽和净高。一般由行车道、路缘带和安全带等组成，根据需要设置人行道及非机动车道，特殊断面还应包括紧急停车带以及检修道等。隧道建筑限界内不得有任何物体侵入。

机动车道、非机动车道、人行道和检修道的宽度根据道路功能定位、设计车速、交通需求确定，并应符合现行行业标准的规定。净高：各种机动车为4.5 m，小客车为3.5 m(最小3.2 m)，行人和非机动车为2.5 m。城市地下快速路严禁在同孔内设置非机动车道和人行道，当城市地下主干路、次干路和支路同孔内需要设置非机动车道或人行道时，必须在机动车道外侧设置隔离护栏。城市隧道考虑到可以在晚间车流量小的时候暂时封闭隧道进行检修，一般可不设检修道。

2)设备空间及余量。

设备空间及余量应满足下列原则：

a.满足各自设备工艺要求；

b.设备布置不得侵入建筑限界；

c.应方便设备的安装和维护保养；

d.设备管线宜集中布置，可设置专用管廊；

e.预留结构变形和施工误差富余量5 cm。

3)结构厚度。

断面结构厚度根据结构受力计算确定，跟结构断面型式、结构净尺寸跨度、覆土厚度有直接关系。结构断面的型式主要有矩形断面、折板拱断面和马蹄形断面，城市明挖隧道最常用的是矩形断面，跨度较大时可采用折板拱断面。

2 隧道断面型式

本文为一条双向六车道城市快速路，设计车速80 km/h，车道宽3.5 m+3.5 m+3.75 m。根据设计标准，建筑限界尺寸为12.25 m×5 m，具体如图3所示。在满足各功能要求下，拟定三种断面进行结构比选。

方案A1：两孔矩形断面。

结构总宽度30 m，总高8.6 m，单孔结构净尺寸13.4 m×6.1 m，建筑限界尺寸12.25 m×5 m。侧墙1.2 m，中隔墙0.8 m，单孔左右侧各留设备装修层0.25 m和0.9 m。结构顶板厚1.2 m，底板厚1.3 m，铺装层厚度0.5 m，设备层0.6 m，如图4所示。

方案A2：两孔折板拱断面。

结构总宽度30 m，总高9.3 m，单孔结构净尺寸13.4 m×7.1 m，建筑限界尺寸12.25 m×5 m。侧墙1.2 m，中隔墙0.8 m，单孔左右侧各留设备装修层0.25 m和0.9 m。结构顶板厚0.9 m，底板厚1.3 m，铺装层厚度0.5 m，设备层1.6 m，如图5所示。

方案A3：两孔一管廊箱型断面。

结构总宽度31.6 m，总高8.6 m，单孔结构净尺寸12.75 m×6.1 m，建筑限界尺寸12.25 m×5 m。侧墙1.2 m，中隔墙0.6 m，管廊2.5 m，单孔左右侧各留设备装修层0.25 m。结构顶板厚1.2 m，底板厚1.3 m，铺装层厚度0.5 m，设备层0.6 m，如图6所示。

3 隧道断面计算配筋对比

针对以上三个断面方案，在同等道路路面设计标高情况下，从结构受力、配筋情况、混凝土和钢筋材料用量等方面进行定量比选，计算参数见表1。

表1 计算参数

1)正常使用极限状态准永久组合下，方案A1截面计算内力包络图如图7～图9所示。

根据内力计算结果对结构进行配筋设计，计算结果见表2。

表2 方案A1截面配筋计算结果

根据配筋设计结果，单位米隧道结构C40混凝土共95.5 m3，钢筋共18 451 kg，钢筋量193 kg/m3。

2)正常使用极限状态准永久组合下，方案A2截面计算内力包络图如图10～图12所示。

根据内力计算结果对结构进行配筋设计，计算结果见表3。

表3 方案A2截面配筋计算结果

根据配筋设计结果，单位米隧道结构C40混凝土共87.7 m3，钢筋共13 903 kg，钢筋量158 kg/m3。

3)正常使用极限状态准永久组合下，方案A3截面计算内力包络图如图13～图15所示。

根据内力计算结果对结构进行配筋设计，计算结果见表4。

根据配筋设计结果，单位米隧道结构C40混凝土共101.9 m3，钢筋共18 819 kg，钢筋量185 kg/m3。

单位米隧道材料用量综合对比结果见表5。

表4 方案A3截面配筋计算结果

表5 单位米隧道材料用量对比表

由表5可见，断面弯矩方案A2最小，比方案A1在顶板跨中和支点处各减小50%以上，底板减小较小。方案A3比方案A1在顶底板跨中略大，中间支座处减小20%左右。在混凝土用量方案A3最多，方案A2最少；钢筋用量方案A1最多，方案A2最少；含钢量方案A1最多，方案A2最少。从结构受力、材料用量和经济指标上可见，方案A2折板拱断面相对方案A1矩形断面和方案A3两孔一管廊断面均具有较大优势，受力合理、经济性最好。

4 结语

经本文的对比分析研究，顶板采用折板拱，可利用合理的拱轴设计，充分发挥拱效应，改善顶板受力，减小结构顶板厚度，优化结构配筋。顶部拱形结构的矢高部分，可作为隧道内部设备安装空间。而当顶板覆土较厚时，在路面标高不变的前提下，可通过增加矢高，减小覆土，进一步优化结构受力条件。综合考虑隧道功能要求、结构受力、材料用量、经济性等因素，对断面宽度30 m左右的双向六车道明挖隧道推荐采用折板拱断面型式。