明挖超大跨度疊層隧道結(jié)構(gòu)受力分析及斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)

張光偉，孫 超，答武強(qiáng)，余祖峰

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津市 300000）

0 引言

自改革開(kāi)放以來(lái)，人口和資源在時(shí)空上的高度聚集，我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速推進(jìn)[1]。在此背景下，人們對(duì)采用隧道與地下工程解決人類生存與地面環(huán)境矛盾的認(rèn)識(shí)也越來(lái)越深刻。而隨著我國(guó)城市面積的擴(kuò)容及人口的增長(zhǎng)，在人口及交通密集區(qū)域，雙向六車道以及雙向八車道的超大跨度明挖隧道屢見(jiàn)不鮮，該類型隧道以箱涵框架結(jié)構(gòu)為主，從較為簡(jiǎn)單的單層箱型結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展為單層雙跨、疊層單跨、疊層多跨[2-3]等多種結(jié)構(gòu)形式，跨度也隨之逐漸增大。

針對(duì)明挖超大跨度隧道結(jié)構(gòu)受力分析及斷面設(shè)計(jì)，已有部分學(xué)者對(duì)此做了相關(guān)研究。例如：林永貴[4]借助有限元法建模計(jì)算,認(rèn)為矩形框架最優(yōu)斷面形式為直墻折板式斷面，并提出抬高頂板高度、采用空心頂板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案以滿足結(jié)構(gòu)受力要求；付大喜[5]分析了三種斷面形式的受力特點(diǎn)，并對(duì)直墻折板斷面形式進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化；唐鵬[6]通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為大跨度框架式隧道受力薄弱點(diǎn)為結(jié)構(gòu)跨中和邊墻拐角處，可通過(guò)設(shè)置變截面的方法優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力薄弱處的設(shè)計(jì)；周倩茹[7]結(jié)合深圳媽灣跨海通道工程，分別建立梁、板單元二維模型模擬框架結(jié)構(gòu)受力，發(fā)現(xiàn)斷面頂板設(shè)置折板可以顯著優(yōu)化頂板受力，但對(duì)于底板的內(nèi)力基本無(wú)影響。歐孝奪[8]認(rèn)為結(jié)構(gòu)自重與超載貢獻(xiàn)了箱型大跨度框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力較大的比重，應(yīng)嚴(yán)格控制回填及拆模時(shí)機(jī)。

綜合上述研究發(fā)現(xiàn)，目前研究主要針對(duì)明挖大跨度單層隧道結(jié)構(gòu)，以超大跨度明挖疊層隧道結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象的很少。依托深圳望海路隧道工程實(shí)例，分析超大跨度疊層明挖隧道結(jié)構(gòu)受力特征，探討超大跨度疊層明挖隧道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

望海路快速化改造工程西起興海大道高架，東接沙河西路，地下快速路為雙向4～6 車道，全長(zhǎng)約7.64 km，郵輪大道以東為雙向6 車道，以西段雙向4車道，通過(guò)路基段及橋梁改造與興海大道高架銜接。道路等級(jí)為城市快速路（小客車專用），設(shè)計(jì)速度主線60 km/h（匝道40 km/h）。起點(diǎn)—微波山段主線隧道長(zhǎng)約1 528 m，受興海大道接地點(diǎn)及沿線建筑物限制，隧道在郵輪大道位置平面曲線半徑小，礦山法及盾構(gòu)法均不具備實(shí)施條件，本段隧道采用明挖法施工。標(biāo)準(zhǔn)疊層段隧道斷面凈跨達(dá)12.4 m,為疊層雙向六車道隧道，因在疊層隧道內(nèi)設(shè)置匝道進(jìn)出口車道及分合流車道，隧道斷面凈跨最大達(dá)27.6 m，跨度在大跨度明挖隧道里居于前列。超大跨段隧道結(jié)構(gòu)頂覆土厚2.0～ 3.5 m，計(jì)算抗浮水位按最不利工況考慮,取建成后地面標(biāo)高。

起點(diǎn)—微波山段場(chǎng)區(qū)地勘揭示,土層類別由上到下依次為填石、素填土、淤泥、含黏性土礫砂、強(qiáng)～ 中風(fēng)化巖花崗，隧道基底主要位于塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖巖層。地下水位的變化受季節(jié)、大氣降雨和海水潮汐等因素影響，詳勘測(cè)得場(chǎng)地混合穩(wěn)定水位埋深為1.2～5.2 m。

2 疊層隧道結(jié)構(gòu)受力特征分析

2.1 疊層隧道結(jié)構(gòu)受力特征

以“直墻平頂”斷面形式為例，擬定研究段隧道斷面結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖1，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 “直墻平頂”斷面（單位：mm）

表1 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 “直墻平頂”斷面內(nèi)力圖

由圖2 可知，大跨度隧道結(jié)構(gòu)受力左右對(duì)稱，其規(guī)律較明顯。最大彎矩值出現(xiàn)在板跨中及墻板交界處,頂板跨中最大值為5 250 kN·m，按照正常使用極限狀態(tài)要求（最大裂縫寬度0.2 mm）計(jì)算出的鋼筋截面面積為22 231 mm2，遠(yuǎn)超施工鋼筋排布極限；最大剪力值在兩側(cè)邊墻與頂?shù)装褰唤缣?；結(jié)構(gòu)頂、底板、側(cè)墻構(gòu)件均處于偏心受壓狀態(tài)，中板處于偏心受拉狀態(tài)。超大跨度疊層隧道存在頂?shù)装鍙澗剡^(guò)大、中板承受拉應(yīng)力的問(wèn)題，結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)不合理、且存在安全隱患。

2.2 中板偏心受拉原因分析

（1）結(jié)構(gòu)跨度過(guò)大。

以“直墻平頂”斷面形式為例，在結(jié)構(gòu)高度不變的情況下，通過(guò)對(duì)比分析不同跨度結(jié)構(gòu)受力情況，歸納不同跨度隧道結(jié)構(gòu)軸力變化規(guī)律見(jiàn)圖3。

圖3 不同跨度下中板軸力

由圖3 知隧道結(jié)構(gòu)側(cè)墻高度不變的情況下，結(jié)構(gòu)中板軸力值隨著跨度增加，構(gòu)件由偏心受拉向偏心受壓轉(zhuǎn)變；隨著跨度增加隧道結(jié)構(gòu)高跨比逐漸減小，結(jié)構(gòu)愈加“扁坦”，中板軸力逐漸增大。分析其原因，扁平隧道結(jié)構(gòu)左右側(cè)墻變形呈現(xiàn)對(duì)稱的“8”字形，中板約束了左右側(cè)墻中部凸起變形，承受側(cè)墻的牽引，中板結(jié)構(gòu)偏心受拉；隨著跨度的減小，頂?shù)装鍎偠戎饾u增加，跨中豎向變形顯著減小，其對(duì)側(cè)墻的“牽引”作用減弱，牽引作用不足以抵消側(cè)墻水土壓力作用，中板由偏心受拉向偏心受壓轉(zhuǎn)變。

（2）側(cè)向土體對(duì)結(jié)構(gòu)約束不足。

將側(cè)墻土體對(duì)結(jié)構(gòu)約束作用簡(jiǎn)化為僅受壓的彈簧，以“直墻平頂”斷面形式為例，通過(guò)對(duì)比分析不同地基反力系數(shù)下結(jié)構(gòu)受力情況，歸納結(jié)構(gòu)軸力變化規(guī)律見(jiàn)圖4。

圖4 不同基床系數(shù)下中板軸力

由圖4 可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)高跨比不變的情況下，隨著基床系數(shù)增加，側(cè)向土體對(duì)結(jié)構(gòu)變形約束作用更加明顯，中板軸力值隨基床系數(shù)增大逐漸減小，構(gòu)件由偏心受拉向偏心受壓構(gòu)件轉(zhuǎn)變。結(jié)構(gòu)中板軸力值隨著地基反力系數(shù)變化明顯，分析其原因，在結(jié)構(gòu)高跨比不變的情況下，隨著基床系數(shù)增加，側(cè)向他土體對(duì)結(jié)構(gòu)變形約束作用更加明顯，側(cè)墻的凸起變形受到抑制，中板軸力逐漸向偏心受壓轉(zhuǎn)變。

3 斷面結(jié)構(gòu)形式選擇

根據(jù)頂、底板形式不同，大跨度明挖隧道結(jié)構(gòu)斷面形式主要有直墻拱形斷面、直墻微拱形斷面、直墻折板斷面、直墻平頂斷面[5]等類型，其中直墻平頂斷面在實(shí)際工程中應(yīng)用最多。而直墻拱形斷面雖然受力性能出眾,但是存在斷面利用率低淺覆土情況下拱矢高受限[9-10]及鋼筋綁扎困難等問(wèn)題。考慮到依托工程大跨段覆土厚度無(wú)起拱條件，本次設(shè)計(jì)采取其余3種斷面形式優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體斷面形式及尺寸參數(shù)見(jiàn)圖5。

圖5 2 種斷面形式

定義隧道斷面利用率為建筑限界面積與斷面內(nèi)輪廓面積的比值，則三種斷面的利用率分別為0.484，0.487 和0.414?！爸眽φ郯濉睌嗝胬寐矢哂凇爸眽ζ桨濉睌嗝妫爸眽ξ⒐啊睌嗝胬寐首畹?。

由表2 可知，三種斷面結(jié)構(gòu)形式頂、底板均處于偏心受壓狀態(tài)，中板處于偏心受拉狀態(tài)；斷面結(jié)構(gòu)受力左右對(duì)稱，最大彎矩值均出現(xiàn)在頂?shù)装蹇缰屑皦Π褰唤游恢?；微拱形斷面頂、底板受力性能明顯優(yōu)于另兩種斷面,結(jié)構(gòu)斷面尺寸和配筋面積最經(jīng)濟(jì)，直墻折板斷面頂板受力明顯優(yōu)于直墻平頂斷面，三種斷面形式中板內(nèi)力差距較小。

表2 3 種斷面形式結(jié)構(gòu)內(nèi)力

就施工難度及經(jīng)濟(jì)性方面而言,微拱形斷面工程量＜直墻折板形斷面＜直墻平頂斷面，微拱形斷面最具優(yōu)勢(shì)。但微拱形斷面結(jié)構(gòu)除拱頂和底部板厚較薄外，需加大頂、底部的空間2.2 m，增加造價(jià)的同時(shí)斷面利用率低；同時(shí)微拱形斷面形式存在澆筑及支模困難等問(wèn)題，大大降低其實(shí)用性。

基于上述分析，本次設(shè)計(jì)選用直墻折板斷面。

4 跨度優(yōu)化

隨著跨度的增加頂?shù)装鍎偠戎饾u減小，疊層隧道頂?shù)装宄惺苄『奢d即會(huì)產(chǎn)生較大的截面內(nèi)力，為保證結(jié)構(gòu)安全性，一般通過(guò)增加板厚和配筋量滿足正常使用極限狀態(tài)要求，但一味增加板厚和配筋量是不合理的也是不經(jīng)濟(jì)的。同時(shí)中板處于偏心受拉狀態(tài)，裂縫寬度受限的情況下中板配筋尤其大，在中板板厚難以增加的條件下鋼筋排布無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

望海路明挖隧道在明挖隧道內(nèi)設(shè)置進(jìn)出口匝道，隧道需從標(biāo)準(zhǔn)單洞雙線六車道過(guò)渡到雙線八車道加寬斷面分合流車道，由于隧道疊層布置，跨徑凈跨最大達(dá)27.68 m，結(jié)構(gòu)覆土為2.0～3.5 m。以覆土2 m斷面為例，以最大跨度斷面為例，擬定3 種超大跨斷面減跨形式，分別在計(jì)算模型的頂、底板及側(cè)墻上選取跨中和支座位置內(nèi)力值進(jìn)行分析。具體斷面設(shè)置見(jiàn)圖6，結(jié)構(gòu)內(nèi)力見(jiàn)表3。

圖6 3 種跨度優(yōu)化斷面（單位：mm）

三種超大跨斷面結(jié)構(gòu)減跨形式對(duì)結(jié)構(gòu)跨度做了一定程度的削弱，斷面一、二減少了中板和底板跨度，斷面三減少了中板和頂、底板跨度。

由表3 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果可知，各斷面板厚不變的情況下，跨度優(yōu)化設(shè)計(jì)后頂板彎矩小幅度增加，中、底板撓度和彎矩降幅明顯，尤其是中板彎矩降幅達(dá)50%以上；在跨度優(yōu)化斷面形式中，中板仍承受拉應(yīng)力，處于偏心受拉狀態(tài)，結(jié)構(gòu)軸力均較直墻折板形式減小；斷面一中、底板受力性能較斷面二更優(yōu)，但頂板彎矩較其余斷面更大；斷面三和斷面二相比，頂?shù)装迨芰Σ罹噍^小，斷面三中板由于傳遞頂板荷載，受力大幅度增加。

表3 不同斷面形式結(jié)構(gòu)內(nèi)力

對(duì)超大跨度疊層隧道結(jié)構(gòu)而言，跨度的大小貢獻(xiàn)了結(jié)構(gòu)內(nèi)力較大的比重，跨度優(yōu)化措施對(duì)結(jié)構(gòu)受力改善明顯；綜合來(lái)講，斷面一在受力性能及工程用量方面綜合優(yōu)勢(shì)最大。

5 覆土影響及優(yōu)化措施

為改善結(jié)構(gòu)受力條件，進(jìn)一步進(jìn)行斷面結(jié)構(gòu)優(yōu)化，根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料[11-12]，設(shè)計(jì)方多通過(guò)加高側(cè)墻結(jié)構(gòu)高度（抬高頂板）以減小覆土的厚度，高度整體加高后，頂板受力將會(huì)減小，側(cè)墻及底板的受力基本不變。依托工程由于線位影響，頂板最小覆土僅2 m，頂板無(wú)抬高條件。頂板上覆土采用部分換填泡沫混凝土的方式減少容重，改善頂板受力。在頂、底板埋深不變的情況下，選用輕質(zhì)混凝土（泡沫混凝土），密度等級(jí)為A10，即干密度標(biāo)準(zhǔn)值為100 kg/m3，強(qiáng)度等級(jí)為CF0.9，即抗壓強(qiáng)度不小于0.9 MPa[13-14]。本次設(shè)計(jì)選用埋深3.5 m 斷面，分別換填1.0、1.5、2.5 m 厚的輕質(zhì)混凝土進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析。

從圖7 可知，換填上覆土為輕質(zhì)混凝土后，隧道頂板結(jié)構(gòu)承受豎向荷載減小，受力條件得到明顯改善，頂板結(jié)構(gòu)承受內(nèi)力隨換填比例增加逐漸減小?？梢?jiàn)，在抬高頂板高度條件受限的情況下,換填上覆土為輕質(zhì)混凝土不失為有效優(yōu)化頂板受力條件的措施，考慮地上路面鋪裝厚度和抗浮需要要求，換填層宜控制在1～1.5 m。

圖7 頂板內(nèi)力

6 結(jié)論及建議

（1）超大跨度疊層隧道存在頂?shù)装鍙澗剡^(guò)大、中板承受拉應(yīng)力的問(wèn)題；其中中板受拉原因歸因于跨度過(guò)大及側(cè)向側(cè)向土體對(duì)結(jié)構(gòu)約束不足。

（2）在受力性能上,明挖隧道框架結(jié)構(gòu)微拱形斷面優(yōu)于直墻折板斷面,直墻折板斷面優(yōu)于直墻平頂斷面。綜合考慮結(jié)構(gòu)受力性能、斷面利用率、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對(duì)于明挖大跨度疊層隧道推薦采用直墻折板斷面。

（3）超大跨度疊層隧道結(jié)構(gòu)而言，跨度的大小貢獻(xiàn)了結(jié)構(gòu)內(nèi)力較大的比重，跨度優(yōu)化措施對(duì)結(jié)構(gòu)受力改善明顯；綜合來(lái)講，斷面一在受力性能及工程用量方面綜合優(yōu)勢(shì)最大。

（4）在不具備抬高頂板的淺埋條件下，推薦頂板上覆土采用換填泡沫混凝土的方式減少上覆土容重，從而降低隧道結(jié)構(gòu)頂板截面內(nèi)力，改善頂板受力條件。