明挖法隧道標(biāo)準(zhǔn)矩形結(jié)構(gòu)與折板拱結(jié)構(gòu)選取分析

楊 旭

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 北京市 102600)

0 引言

市政隧道覆土厚度一般較小，多采用明挖法[1]或盾構(gòu)法[2]施工。明挖段隧道橫斷面型式主要為標(biāo)準(zhǔn)的矩形箱涵斷面和折板拱斷面。

矩形箱涵斷面構(gòu)造簡單、受力明確，結(jié)構(gòu)“內(nèi)力—變形”計算理論和分析方法成熟；隧道橫斷面的結(jié)構(gòu)外包高度相對較小，可充分利用結(jié)構(gòu)自重和頂板上覆土自重實現(xiàn)抗浮，有利于減少抗浮工程措施、施工方便。但在相同豎向荷載作用下，頂板撓度較大，施工時，需進(jìn)行預(yù)起拱。它是明挖法隧道中應(yīng)用最廣泛的斷面形式。

折板拱斷面可充分利用建筑限界，斷面利用率高；當(dāng)隧道埋深較大時，可有效減少頂板上覆土厚度；在車道頂局部設(shè)置“折板”，形成折板拱形結(jié)構(gòu)，可減小頂板跨度，改善頂板結(jié)構(gòu)受力，進(jìn)而合理控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件厚度，減小結(jié)構(gòu)自重，降低造價。當(dāng)隧道頂板跨度較大、頂板上覆土較厚時，經(jīng)濟(jì)效益明顯。劉發(fā)前[3]以覆土3m，52m跨隧道為例進(jìn)行了矩形斷面與折板拱斷面的力學(xué)反應(yīng)與經(jīng)濟(jì)性分析，折板拱結(jié)構(gòu)能節(jié)約約35%的鋼筋混凝土量。折板拱結(jié)構(gòu)構(gòu)造較復(fù)雜，施工難度較大，但在部分隧道中也有應(yīng)用，如蘇州陽澄西湖二通道、蘇州金雞湖隧道、蘇錫常高速太湖隧道等采用了折板拱斷面，無錫蠡湖隧道[4]、蘇州桐涇路北延隧道(盾構(gòu)隧道的明挖段)等采用了雙折板拱斷面。

斷面形狀對結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟(jì)性影響較大，而目前多以經(jīng)驗判斷，無一個合理的劃分依據(jù)，如《公路水下隧道設(shè)計規(guī)范》JTG D71(報批稿)中以埋深大于5m可采用拱形(指折板拱)斷面，該分界埋深值的選取有待商榷。結(jié)合蘇州陽澄西湖第三通道工程情況，進(jìn)行矩形箱涵斷面、折板拱斷面的受力與經(jīng)濟(jì)性分析，確定合理的斷面選取分界埋深。

1 工程概況

1.1 隧道概況

蘇州市陽澄西湖第三通道工程位于蘇州市相城區(qū)與工業(yè)園區(qū)，以圍堰明挖隧道形式下穿陽澄西湖，主線隧道為雙向六車道，設(shè)計時速50km/h的城市主干路，隧道長度1765m；支線匝道隧道為雙向四車道，設(shè)計時速40km/h的城市主干路，隧道長1472m(以南側(cè)匝道計)。南、北側(cè)匝道于湖中分別并入主線隧道的西側(cè)行車孔與東側(cè)行車孔。

1.2 地質(zhì)概況

本次研究主要研究陸域范圍的情況，根據(jù)地勘報告，陽澄西湖第三通道自上而下主要的地層情況與參數(shù)見表1。

表1 陽澄西湖第三通道工程地層參數(shù)表

蘇州地區(qū)隧道設(shè)計時，地下水位一般按地表以下0.5m計。

2 選取計算斷面

本隧道主線普通段為雙向六車道，行車孔凈跨度為12.1m；匝道隧道為雙向四車道，行車孔凈跨度為8.6m，跨度較小，其起折板拱空間有限，且在一般明挖隧道的覆土范圍內(nèi)受力較好，因此本次研究僅對主線標(biāo)準(zhǔn)六車道斷面進(jìn)行研究分析，見圖1。

圖1 主線雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)矩形斷面圖

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的評價標(biāo)準(zhǔn)

對工程而言，在滿足安全、功能、工程可行性前提下，必然優(yōu)選經(jīng)濟(jì)性較好的方案。但經(jīng)濟(jì)性并不作為唯一指標(biāo)，需綜合考慮別的影響因素，對于隧道折板拱斷面而言，其相較于矩形箱涵斷面最主要的缺點在于施工難度較大，主要體現(xiàn)在一為折板段混凝土的澆注，其表面為非水平，需要設(shè)置外側(cè)模板；二為圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫支撐的布置與換撐需避開折板，增加設(shè)計與施工難度。

因此，以考慮施工難度后的經(jīng)濟(jì)性作為判別標(biāo)準(zhǔn)，引入施工難度系數(shù)λ，根據(jù)施工現(xiàn)場反饋的結(jié)果，矩形箱涵斷面取為1.0，折板拱1.1。結(jié)構(gòu)的主要工程數(shù)量A，考慮施工難度后的數(shù)量為M。

M=λA

(1)

對于隧道主體結(jié)構(gòu)的工程數(shù)量主要包含混凝土數(shù)量T(體積，m3)與鋼筋數(shù)量G(重量，t)，根據(jù)市場調(diào)研，一般情況下，每噸鋼筋的價格約為每立方米混凝土價格的8倍，定義A為混凝土數(shù)量與鋼筋數(shù)量的數(shù)量和，如式(2)所示，其意義為將鋼筋、混凝土數(shù)量全部折算為混凝土的數(shù)量。

A=T+8G

(2)

本次分析，以覆土厚度為變量，分別計算對應(yīng)的矩形箱涵斷面、折板拱斷面的結(jié)構(gòu)厚度與配筋，估算主體結(jié)構(gòu)的工程數(shù)量T與G，進(jìn)而根據(jù)式(1)、式(2)，以考慮了施工難度系數(shù)后的造價M作為判斷依據(jù)，取考慮施工難度后的最經(jīng)濟(jì)的斷面(M最小)作為該跨度、覆土條件下的推薦斷面。

3.2 結(jié)構(gòu)分析

3.2.1隧道斷面

隧道采用三框形式，行車孔凈寬12.1m，上下行行車孔間上層為電纜廊道，下層為疏散通道，凈寬2.4m，中隔墻厚0.6m，矩形斷面與折板拱型斷面示意如圖2。

圖2 隧道橫斷面示意圖(左：矩形斷面，右：折板拱斷面)

3.2.2計算工況

因折板拱斷面起拱情況，在相同的道路路面設(shè)計標(biāo)高情況下，折板拱斷面可減少覆土1.35m，計算時分別取矩形斷面的覆土H=4m、5m、6m，采用Midas GTS分析軟件，以“荷載-結(jié)構(gòu)”模型對兩種斷面進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，獲取各種斷面在覆土條件下的滿足結(jié)構(gòu)受力的受力情況與鋼筋混凝土數(shù)量A。

3.2.3計算結(jié)果

(1)受力分析

對各覆土情況下，分別采用不同的結(jié)構(gòu)厚度進(jìn)行計算，各自選取工程數(shù)量A最小的作為該覆土情況下的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，再進(jìn)行矩形斷面與折板拱斷面的對比分析。

以覆土H=5m為例，矩形斷面分別計算了頂板厚度為1.0m、1.1m、1.2m、1.3m的情況，折板拱斷面分別計算了0.7m、0.8m、0.9m、1.0m的情況。均取頂板厚度為1m的情況，矩形斷面與折板拱斷面的受力云圖對比如圖3，由于結(jié)構(gòu)對稱，僅顯示一半。

如圖3所示，在道路設(shè)計縱斷面相同的情況下，采用相同厚度的結(jié)構(gòu)時，折板拱斷面最大彎矩為1410kN·m，軸力為559kN·m；矩形斷面最大彎矩為1931kN·m，軸力為446kN。對混凝土框架結(jié)構(gòu)而言，結(jié)構(gòu)安全主要受彎矩控制，一般均將其按照純彎結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與裂縫驗算[5]。

圖3 覆土H=5m，結(jié)構(gòu)厚度B1=1m時的斷面受力云圖

通過受力對比分析，可看出，在其他條件相同的情況下，由于折板拱結(jié)構(gòu)減小了覆土厚度，同時折板拱型結(jié)構(gòu)對受力分布更為有利，因此，折板拱斷面結(jié)構(gòu)可有效改善結(jié)構(gòu)的受力(減小結(jié)構(gòu)彎矩)。

對覆土H=5m情況，矩形斷面與折板拱斷面的各厚度進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與裂縫檢算后，各斷面的結(jié)構(gòu)厚度、配筋與工程數(shù)量如表2所示，選取工程量最小的作為該覆土情況下的推薦結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。

表2 覆土H=5m時矩形與折板拱斷面各結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計情況統(tǒng)計表

圖4 覆土5m時采用不同頂板厚度的工程數(shù)量(左：矩形斷面，右：折板拱斷面)

因此，在覆土H=5m時，矩形框結(jié)構(gòu)采用頂板厚度為1.1m時，工程數(shù)量最少，為最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計參數(shù)；折板拱結(jié)構(gòu)采用頂板厚度為0.8m，為最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計參數(shù)。

(2)結(jié)構(gòu)參數(shù)與工程數(shù)量

按前述方法對覆土H=4m、5m、6m的最經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)與工程數(shù)量匯總?cè)绫?。

表3 各覆土情況下矩形與折板拱斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)與工程數(shù)量表

分別以矩形框與折板拱的工程數(shù)量A或M作為縱坐標(biāo)，覆土情況H作為橫坐標(biāo)做折線圖進(jìn)行對比分析。通過對比圖(圖5)可看出：

圖5 工程數(shù)量A、M與結(jié)構(gòu)覆土H的關(guān)系

①在不考慮施工難度系數(shù)λ時，折板拱結(jié)構(gòu)的工程數(shù)量A均小于矩形框結(jié)構(gòu)，說明采用折板拱結(jié)構(gòu)能有效減少工程量；

②考慮施工難度系數(shù)λ后，折板拱與矩形框結(jié)構(gòu)的工程數(shù)量線存在交點，按差值法，交點約在H=4.3m處，說明綜合考慮工程數(shù)量與施工難度，H<4.3m時，矩形框結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟(jì)合理；在H>4.3m時，采用折板拱結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟(jì)合理；

③為便于后期實施，取覆土厚度H=4.5m分界線，即H≤4.5m時，推薦采用矩形框結(jié)構(gòu)；H>4.5m時，推薦采用折板拱結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論與討論

以蘇州市陽澄西湖第三通道主線雙向六車道明挖隧道為依托，研究標(biāo)準(zhǔn)矩形結(jié)構(gòu)與折板拱結(jié)構(gòu)的受力特點與經(jīng)濟(jì)性。主要得出以下結(jié)論：

(1)折板拱結(jié)構(gòu)可減小覆土厚度，同時折板拱型結(jié)構(gòu)對受力更為有利。

(2)在相同情況下，矩形斷面結(jié)構(gòu)工程量較大，但施工簡單；折板拱斷面結(jié)構(gòu)工程量更少，但構(gòu)造較復(fù)雜，施工難度較大。本次研究引入了施工難度系數(shù)λ，綜合考慮實際工程量與施工難度，對矩形斷面與折板拱斷面進(jìn)行研究比選。

(3)在不考慮施工難度系數(shù)λ時，折板拱結(jié)構(gòu)的工程數(shù)量A均小于矩形框結(jié)構(gòu)；考慮施工難度系數(shù)λ后，折板拱與矩形框結(jié)構(gòu)的工程數(shù)量線存在交點，交點約在H=4.3m處。說明綜合考慮工程數(shù)量與施工難度，H<4.3m時，矩形框結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟(jì)合理；在H>4.3m時，折板拱結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟(jì)合理。本項目取覆土厚度H取4.5m分界線，H≤4.5m時，推薦采用矩形框結(jié)構(gòu)；H>4.5m時，推薦采用折板拱結(jié)構(gòu)。

(4)矩形框結(jié)構(gòu)與折板拱結(jié)構(gòu)的分界覆土厚度H受跨度影響較大。后續(xù)需進(jìn)一步研究不同跨度情況下的分界覆土厚度。