明挖法施工城市隧道斷面形式及其合理應用范圍

王 巖

（1.同濟大學，上海 200125；2.同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海 200125）

隨著社會的發(fā)展，人們對安全高效地出行有了更高的需求，這促進了城市立體交通的發(fā)展。城市地下道路具有噪聲小、不影響城市景觀等優(yōu)點。該文介紹常見的明挖暗埋法施工的城市地下道路斷面形式，并分析其優(yōu)缺點。

城市地下道路以單向兩車道、雙向四車道及雙向六車道居多；由于各條隧道的道路等級、車行道寬度、路緣帶和安全帶寬度及建筑限界外設備帶留寬不同，即使車道數相同，單孔結構凈寬也存在差異，一般兩車道單孔結構凈寬約10m，三車道單孔結構凈寬約13m，四車道單孔結構凈寬約16.5m，在隧道緊急停車港灣處結構凈寬增加3m，在隧道交匯處，例如主線隧道和匝道交叉口局部結構凈寬可達20m 以上；由于各條隧道頂板形狀、頂部設備帶留寬、是否架設射流風機以及是否需要抬高頂板卸荷等原因，各條隧道凈高也不同，以6m～8m 居多[1]；由于各條隧道長度不同、隧道縱坡以及是否需要避讓其他地下結構等原因，不同城市明挖隧道、同一隧道不同位置覆土厚度差異很大。綜上所述，如何選擇合理的隧道斷面形式是重要問題。

1 敞開段結構形式

隧道敞開段結構形式較少，一般包括擋土墻式和U 型槽式，如圖1 所示。

圖1 敞開段結構形式

1.1 結構適用性

擋土墻式敞開段結構形式在墻后覆土厚度較小時可采用L 型擋土墻，墻后覆土較大時可采用扶壁式擋土墻，如圖1（a）所示，其優(yōu)點是節(jié)省材料，預制化程度高，施工方便快捷；其缺點一是若在挖方區(qū)施工，挖土方量大，尤其是挖深較大時，若采用排樁式圍護結構，會增加圍護結構工程量，缺點二是一般城市地下道路紅線范圍較小，擋墻踵板過長易侵占紅線且擋墻扶壁占用地下空間過大，不利于地下管線敷設；因此隧道敞開段采用擋土墻式在市區(qū)應用情況較少，隧道下穿公園或校園等情況下有條件時可采用，填方區(qū)尤其適合[2-3]。U 型槽式是最常見的隧道敞開段結構形式，如圖1（b）所示，其優(yōu)點是結構整體性好，占用空間較??；當地下水位較高時，須在側墻外加設挑板或設置抗浮樁以滿足抗浮要求，因此其缺點是工程量大。

1.2 工程用量對比

現(xiàn)比較擋土墻式和U 型槽式隧道敞開段結構主要材料用量，以敞開段結構凈高6.0 m，結構凈寬26.0 m，墻外覆土4.5 m 高為例，通過荷載結構法按現(xiàn)行規(guī)范進行驗算，敞開段結構典型壁厚和配筋斷面如圖2 所示，擋土墻式每延米混凝土用量27.9 m3，鋼筋用量2 842.2 kg；U 型槽式每延米混凝土用量15.7 m3，鋼筋用量2 370.8 kg。對該形式斷面來說，U 型槽式結構比擋土墻式結構節(jié)省混凝土用量43.7%，節(jié)省鋼筋用量16.6%。

圖2 敞開段結構典型配筋斷面（單位：mm）

2 普通暗埋段結構形式

隧道暗埋段結構布置形式較多，當隧道覆土較少（一般覆土小于4 m）且單孔結構凈跨較小（兩車道和三車道隧道）時，常見的結構布置形式如圖3 所示。

圖3 暗埋段結構形式（一）

2.1 結構適用性

2.1.1 加腋平頂式

如圖3（a）所示。該斷面優(yōu)點一是截面利用率高，如圖3（f）所示，采用加腋平頂式可有效利用隧道凈空，由于隧道建筑限界頂部也有腋角，結構加腋對占用隧道空間影響較??；優(yōu)點二是結構整體性好，結構自防水性能優(yōu)良；優(yōu)點三是結構形式簡單，挖掘斷面經濟且易于施工。加腋平頂式斷面其缺點是結構形式笨重，鋼筋混凝土材料用量大；對高覆土、大跨度隧道斷面不是最優(yōu)選擇，由于平板式結構自重大，增大板厚的同時也增大了結構自重[4]，盲目增加板厚已不能有效地解決承載力及裂縫驗算不通過等問題，對超大跨徑結構斷面來說，增加的結構頂板厚度提供的抗力不能抵消其自重增加的內力值。對腋角的尺寸來說，其高寬比控制在1 ∶3 為宜，當腋角過小時，可適當增加腋角高度，因為在設有腋角的框架結構中，進行截面驗算時，桿件兩端的截面計算高度采用h+S/3，h為構件截面高度，S為平行于構件軸線方向的腋角長度；腋角超過S/3 部分并不參與計算，因此腋角應設置為緩坡形式。在對閉合框架進行受力計算時，直接計算構件軸線相交處的內力，支座邊緣截面的彎矩可按公式（1）計算。

式中：M為支座邊緣截面彎矩；M0為構件軸線相交處彎矩；Q0為構件軸線相交處剪力；b為支座寬度；q為均布荷載。支座邊緣截面的剪力可按公式（2）計算。

因此合理布置腋角可使最不利截面由側墻邊緣轉移至內力較小的腋角邊緣，計算表明，當腋角高度為頂板厚度的35%時，截面配筋量可減少10%左右。對隧道截面采用直墻平頂式時，均設置加腋。

2.1.2 折板式

如圖3（b）所示，該結構形式截面的利用率較高，結構整體性較好，受力模式較好，結構形式較簡單，施工較方便，綜合考量是一個良好的結構形式。折板式斷面隨著折板折起角度增大，頂板彎矩呈減少的趨勢，底板彎矩呈增大趨勢，頂板剪力呈減少的趨勢，底板剪力呈增大趨勢；隨著折板跨度的增大，頂板彎矩逐漸減少，底板彎矩逐漸增大[5]。對凈跨10m 左右的兩車道隧道，當覆土厚度超過5m 時，采用平頂式斷面形式已不再經濟合理，此時如果采用折板結構，折板高度為1.0m～1.5m，當減少覆土厚度為4.0～5.0m 時，折板結構最經濟合理[6]。4.0～5.0m 的覆土可以保證過街管線的正常敷設。折板結構由于凈空較大，一般不設置在隧道暗埋段起點，如果隧道暗埋段起點采用該斷面形式，就會增加敞開段里程及埋深，并不合理[7]。折板式常見于中隧道覆土較深處，與平頂式配合設置可以得到較合理的隧道縱斷面布置形式。3）圓頂式，如圖3（c）所示。該結構形式優(yōu)點是拱形結構主要承受軸向壓力，其中彎矩和剪力都較小，受力模式好，工程材料用量少。其缺點一是截面利用率低，圓頂下大部分區(qū)域沒有利用價值，同時圓頂會占用過多的地下空間，城市地面道路下管線敷設較多，可能會對管線敷設有影響；缺點二是結構整體性差，直墻與拱頂相交處不易同時施工，增加結構滲漏水風險；缺點三是拱頂施工困難，頂板支架高低錯落，頂板底模板需要預制，頂板橫向鋼筋不易制作，大大增加了隧道頂板現(xiàn)場的施工難度。隨著預制結構的普及，可以明顯改善拱形結構的整體性及施工難度，例如上海軌道交通15 號線吳中路站項目運用預制+現(xiàn)澆疊合拱殼的工藝體系，該工藝體系不僅應用了預制裝配式構件，釋放了現(xiàn)場作業(yè)空間，提高了施工效率，而且通過現(xiàn)澆疊合層較好地解決了預制裝配式節(jié)點防水的問題。4）梁板式，如圖3（d）所示。該結構形式截面利用率較高，施工較方便，經過對比計算，對凈跨10m 左右的隧道，當覆土厚度為3.0m 以下時，頂板鋼筋混凝土用量可以顯著減少，當覆土厚度大于4.0m 時，框架梁須做得又高又密，侵占過多空間且并不經濟。綜合考慮，梁板式結構的各方面優(yōu)勢都不明顯，對跨度不大的隧道實際應用較少。對大跨度淺覆土情況來說，該斷面適用性好，某工程隧道交匯處單跨結構跨度為20.5m，采用密肋梁板結構，梁尺寸為0.8m×2.4m，間距為3.0m，板厚0.3m。因此梁板式結構適用性的控制因素是頂板荷載，頂板荷載較小時普遍適用，當頂板荷載較大時適用性很差。5）變截面，如圖3（e）所示。該形式是加腋平頂式的改進做法，通過減少頂底板跨中受壓區(qū)厚度以達到減少混凝土用量的目的，該斷面形式有一定的合理性，在工程造價受限的情況下可采用該方法優(yōu)化結構；其缺點是底板變截面在基坑開挖時難以控制，板內鋼筋彎折較多，施工操作復雜[8]。

2.2 受力形式及工程用量對比

由于直墻平頂式隧道和直墻折板式隧道是最常用的2種模式，因此對這兩種斷面形式進行受力分析以比較其適用性。兩種模式的基本荷載情況見表1 和表2。

表1 平頂式荷載計算表

表2 折板式荷載計算表

平頂式斷面受力包絡圖如圖4 所示。

圖4 平頂式斷面受力包絡圖

平頂式斷面結構彎矩配筋計算結果見表3。

表3 平頂式斷面彎矩配筋計算表

折板式斷面受力包絡圖如圖5 所示。

圖5 折板式斷面受力包絡圖

折板式斷面結構彎矩配筋計算結果見表4。

表4 折板式斷面彎矩配筋計算表

根據上述計算結果可知，折板結構和平頂結構相比，底板受力略大，側墻受力相當，頂板受力略小。當覆土厚度由6.0 m 增至7.0 m 時，結構形式由平頂式變?yōu)檎郯迨?，板厚須增?.1 m～0.2 m，配筋面積大致相同且配筋構造合理。綜合考慮，當頂板覆土較淺時，采用平頂式隧道，當頂板覆土較厚時，采用折板式隧道是合理的選擇。

3 其他暗埋段結構形式

隧道暗埋段結構布置形式在隧道覆土較高（一般覆土大于4.0 m）或單孔結構凈跨較大（三車道以上）時，常見的結構布置形式如圖6 所示。 1）雙層或多層矩形閉合框架結構，如圖6（a）所示。該形式是高覆土隧道最常見的結構布置形式，有時因為隧道上方需要附建其他結構也可以采用該形式，例如隧道上方附建地下綜合管理或隧道地下設備用房。該結構斷面形式最大的缺點是斷面利用率低，上層框架絕大多數情況下僅用作減少覆土厚度，僅局部可將該結構空腔用作隧道管理中心用房，浪費了寶貴的地下空間。2）杭州市亞運村片區(qū)平瀾路隧道和奔競大道隧道將部分上層結構空腔用作地下綜合管廊，如圖6（b）所示，該模式大大提高了斷面利用率，值得隧道與地下綜合管廊共建道路借鑒。該斷面形式的優(yōu)點是結構整體性好，結構自防水性能優(yōu)良，結構形式簡單，挖掘斷面經濟且易于施工。3）空心板式如圖6（c）所示。該形式是加腋平頂式斷面和折板式斷面的改進模式，其核心特點是利用空心板以減輕頂板自重，同時可以基本保證頂板的抗彎剛度，該斷面結構受力模式合理。其缺點是空心區(qū)域須每隔一段距離設置一道橫向肋板且空心區(qū)域與頂板底間需設置排水管以排出空心區(qū)域的滲漏水，現(xiàn)場施工存在困難。4）預應力梁板式，如圖6（d）所示。該結構形式在大跨度隧道結構中比普通混凝土結構具有明顯的優(yōu)勢。某火車站地下通道為地下一層框架結構，地下通道橫向采用12.0m+21.0m+12.0m 三跨預應力混凝土連續(xù)梁，預應力筋通長布設。普通混凝土梁截面須做到2.0m×3.0m，采用預應力混凝土梁截面僅須做到2.2 m×2.2 m，同時鋼筋用量減少35.6%，跨中撓度減少39.6%，但預應力混凝土結構施工稍復雜。隨著預應力結構在地下空間運用的普及，大跨度預應力梁板式隧道必將越建越多。

圖6 暗埋段結構形式（二）

4 結語

明挖法隧道敞開段結構形式有擋墻式和U 型槽式，擋墻式適合建在紅線范圍充足的填方區(qū)，其材料工程量較少；其他情況一般來說采用U 型槽式較合理。明挖法隧道暗埋段最常見、應用最廣的斷面形式是加腋平頂式，其整體性好，施工方便，隧道跨徑較小且覆土較淺情況下可優(yōu)先選用；跨徑較小且覆土較深時可采用直墻折板式斷面，該斷面可有效降低覆土深度1.0 m～2.0 m，折板式斷面綜合屬性良好。拱頂式斷面受力情況最優(yōu)，但其缺點明顯，一是占用過多地下空間，二是整體性差，三是施工復雜，因此應用較少。隨著預制結構的發(fā)展，該斷面形式也會有所應用。梁板式結構在覆土較淺時經濟性良好，當覆土過大時并不適用，對淺覆土、大跨度隧道可采用密肋梁板式結構和預應力梁板式結構。深覆土隧道可在隧道上方加設結構空腔以減少覆土重度，但該形式截面利用率過低。