城际铁路与地下道路共构设计大断面方案比选

周小凤

(杭州络达交通市政规划设计研究院有限公司， 杭州 310000)

随着城市规模的扩大，城市人口密度与汽车保有量快速增加，地面交通拥堵日益加剧，快速路网建设是解决地面交通拥堵的重要措施之一。今年杭州提出2022年亚运会前建成“四纵五横三连十一延”的快速路网“规划”，地下隧道在快速路网建设中扮演着重要角色。

地下快速路有改善城市环境、节约土地资源等优点，但也面临施工难度大、投资成本高、与轨道交通网地下空间使用冲突等问题，轨交空间与机动车交通一体化建设，将大大节约城市地下空间资源[1]。此外，由于城市交通量大，出入口多，城市地下道路普遍具有断面大、结构多样化等特点[2]，国际隧协(ITA)建议净空断面面积大于100 m2为超大断面隧道[3]，而隧道断面形式对城市大断面明挖隧道结构内力、施工方案、工程造价等有较大影响[4]。同等跨度条件下，超大箱形断面因受力模式、结构型式的影响，力学效应相对较大[5-8]。因此，选择合理的断面形式，是结构设计的关键[9-13]。本文将从结构受力情况、施工难易程度、工程量等方面综合比选普通箱形断面平顶顶板抬高、折板形顶板及拱形顶板3种断面方案，确定隧道与城际铁路合建段大断面的断面形式。

1 地质概况

根据工程地质勘察报告，隧道与杭富线合建段地质岩性主要为第四系碎石填土和含粘性碎石土、全风化-中风化的花岗斑岩，地质纵断面如图1所示，地基岩土体主要物理力学参数[14]见表1，根据区域水文地质资料，浅层地下水水位年变幅为1.0 m～2.0 m。

单位：m

表1 地基岩土体主要物理力学参数

2 工程概况

本项目为杭州至富阳城际铁路的附属配套工程，位于杭州市富阳区境内，6号隧道起终点里程K14+300～K17+070，总长度2 770 m，其中隧道暗埋段K14+550～K16+740，长度2 190 m。合建段为单箱3室3层钢筋混凝土箱形框架结构，采用基坑围护和明挖回填的施工方式，K15+571～K17+070范围隧道平面布置如图2所示，合建段标准横断面如图3所示。

图2 隧道平面布置

单位：mm

6号隧道沿原320国道东西走向，新老320国道交汇处设置一对定向匝道，匝道汇入主体结构的大断面单孔净宽为19.96 m～23.47 m，覆土层约为5 m。经计算，普通箱形框架断面形式无法满足承载力及裂缝限值要求。顶板拟采用抬高平顶顶板、折板形顶板、拱形顶板3种方案进行对比分析，以确定合理的断面形式。

隧道主体结构采用C40混凝土，地下3层底板及侧墙抗渗等级为P10，其余为P8。考虑顶板上部埋设管线要求，隧道顶板覆土厚度不宜小于2 m。

3 方案设计

公路隧道标准段净高尺寸为6.3 m，隧道断面单孔净宽为13.5 m，隧道匝道汇入主体结构处大断面单孔净宽为19.96 m～23.47 m。

方案1平顶顶板抬高2.4 m，顶板覆土厚度为2 m，该方案顶板厚1.7 m，两侧墙厚1.6 m，地下一层板厚1 m，地下二层板厚0.6 m，杭富线底板厚1 m，如图4(a)所示。

方案2顶板采用折板形式。为保证隧道内净空要求，将顶板折起角度沿倒角角度设计，其内边尺寸6×2.5 m，并将顶板抬高0.3 m，顶板覆土厚度为2 m，该方案顶板厚1.3 m，两侧墙厚1.4 m，地下一层板厚1 m，地下二层板厚0.6 m，杭富线底板厚1 m，如图4(b)所示。

方案3顶板采用拱形形式。为保证隧道内净空要求，顶板覆土厚度不小于2 m，该方案顶板厚1.3 m，两侧墙厚1.4 m，地下一层板厚1 m，地下二层板厚0.6 m，杭富线底板厚1 m，矢跨比约0.148～0.173，如图4(c)所示。

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

4 模型计算

4.1 计算模型建立

3种方案分别采用Midas Civil软件建立板单元模型，如图5所示。隧道底板及侧墙设置面弹性支撑，纵向采取节点弹性支撑。作用在模型上的荷载如下：

1) 结构自重。

2) 隧道顶板、侧板受到的土压力、水压力：覆土2 m，地下水压力以设计地面线下0.5 m考虑。

3) 顶板及侧墙外侧活载换算的土压力：竖向活载换算土压力为20 kPa，侧墙外在活载换算侧向土压力按10 kPa考虑。

4) 地下一层板隧道铺装恒载及车道活载：铺装恒载12.5 kPa，车道活载按30 kPa考虑。

5) 抗浮填土压重荷载：地下二层板填土压重厚度2 m，底板填土压重厚度3 m。

6) 底板考虑地下水浮力。

7) 人防荷载：顶板70 kPa，底板及侧墙50 kPa。

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

4.2 计算结果分析

对3种方案计算结果分别从位移、应力、弯矩3方面进行分析。

1) 位移分析

3种方案位移计算结果如图6所示。

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

方案1顶板最大竖向位移为2.4 cm，方案2顶板最大竖向位移为2.2 cm，方案3顶板最大竖向位移为1.2 cm，3种方案顶板最大竖向位移均满足GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中位移限值l0/300(l0为计算跨度)。方案3拱形顶板的刚度优于方案1平顶顶板与方案2折板形顶板的刚度。

2) 应力分析

3种方案的最大主应力计算结果如图7所示。

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

对比顶板板顶最大主应力，方案1平顶顶板主拉应力集中分布在中隔墙顶及外墙顶，主压应力集中分布于跨中；方案2折板形顶板主拉应力集中分布在跨中，主压应力集中分布于中隔墙顶及外墙顶；方案3拱形顶板主拉应力值接近于零，且主要分布于拱顶，主压应力分布于中隔墙顶及外墙顶。方案2与方案3应力分布情况相似，方案3的主压应力值与主拉应力值均优于方案2。方案1的应力分布情况与方案2、方案3相反，表明采取折板形顶板及拱形顶板均能改善顶板的应力分布情况，且拱形顶板应力分布更优。

3) 弯矩分析

3种方案的弯矩计算结果如图8所示。

根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[15]及GB 50157—2013《地铁设计规范》[16]对Midas Civil计算结果进行正常使用极限状态验算，结构构件的裂缝控制等级为三级，即构件允许出现裂缝。防水混凝土结构裂缝宽度限值≤0.2 mm，根据相应内力进行配筋计算，3种方案顶板计算结果及顶板工程量见表2、表3。

由表2分析可知，方案3的计算结果明显优于方案1和方案2。但对比分析3种断面形式施工难易程度，方案3施工难度大，需做大型钢拱架模板，混凝土浇筑困难，拱顶处混凝土对角部产生较大的压力集中，容易导致脱模漏浆等问题。方案1及方案2采用常规明挖法，施工技术相对成熟。此外，受隧道内净空及顶板覆土不小于2 m等条件限制，拱形顶板矢跨比可优化范围有限，故本次未选用拱形顶板断面形式。

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

表2 顶板计算结果

注：配筋36@100+28@100表示双排钢筋，主筋钢筋直径36 mm，间距100 mm，加强筋直径28 mm，间距100 mm。

表3 顶板工程量 t

注：表中仅示出每延米混凝土及钢筋工程量。

方案1在通过抬高顶板增加结构净空、减小顶板覆土、调整顶底板及侧墙厚度、配置极限钢筋用量等情况下，承载力及裂缝可以达到规范要求，但总体工程量增加，当结构高度和跨度一定时，过大的增加断面尺寸，会增大结构内力、易使结构受力不合理。因此，明挖隧道大断面结构建议不过多增加板厚及配筋率，可考虑轻型框架结构形式，如顶板参考桥梁空心板形式优化设计。

方案2的弯矩值与方案3的弯矩值较接近，比方案1的弯矩有较大幅度降低，结构受力更合理。在满足承载力及裂缝限值要求的情况下，顶板混凝土用量降低36.0%，钢筋用量降低23.3%，侧墙混凝土及钢筋用量均降低，造价更经济。因此采用折板形顶板的断面形式，可以达到合理优化隧道与杭富线合建段大断面的目的。

5 结论

采用有限元计算软件Midas Civil从位移、应力、弯矩3方面对3种断面方案进行了分析，主要认识如下：

方案3拱形顶板的刚度最大，应力分布最优，弯矩值最小，但施工难度最大，且位于匝道汇入主体结构的渐变段，矢跨比难以控制，因此未采用方案3。

方案1抬高平顶顶板，通过调整顶底板及侧墙厚度等措施后能够满足设计要求，具有增加结构净空、减小顶板覆土的优点，但当结构高度和跨度一定时，过多的增加断面尺寸，不仅会增加工程造价，还会增大结构的内力。

方案2折板形顶板应力分布、弯矩值计算结果与拱形顶板相近，施工技术成熟，结构受力比平顶顶板方案更合理，钢筋及混凝土用量更低，并可通过调整折起角度合理优化折板，确定最优的顶板方案。因此选用折板形顶板作为隧道与城际铁路合建段大断面顶板施工方案。