明挖法隧道标准矩形结构与折板拱结构选取分析

杨 旭

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京市 102600)

0 引言

市政隧道覆土厚度一般较小，多采用明挖法[1]或盾构法[2]施工。明挖段隧道横断面型式主要为标准的矩形箱涵断面和折板拱断面。

矩形箱涵断面构造简单、受力明确，结构“内力—变形”计算理论和分析方法成熟；隧道横断面的结构外包高度相对较小，可充分利用结构自重和顶板上覆土自重实现抗浮，有利于减少抗浮工程措施、施工方便。但在相同竖向荷载作用下，顶板挠度较大，施工时，需进行预起拱。它是明挖法隧道中应用最广泛的断面形式。

折板拱断面可充分利用建筑限界，断面利用率高；当隧道埋深较大时，可有效减少顶板上覆土厚度；在车道顶局部设置“折板”，形成折板拱形结构，可减小顶板跨度，改善顶板结构受力，进而合理控制结构构件厚度，减小结构自重，降低造价。当隧道顶板跨度较大、顶板上覆土较厚时，经济效益明显。刘发前[3]以覆土3m，52m跨隧道为例进行了矩形断面与折板拱断面的力学反应与经济性分析，折板拱结构能节约约35%的钢筋混凝土量。折板拱结构构造较复杂，施工难度较大，但在部分隧道中也有应用，如苏州阳澄西湖二通道、苏州金鸡湖隧道、苏锡常高速太湖隧道等采用了折板拱断面，无锡蠡湖隧道[4]、苏州桐泾路北延隧道(盾构隧道的明挖段)等采用了双折板拱断面。

断面形状对结构受力、经济性影响较大，而目前多以经验判断，无一个合理的划分依据，如《公路水下隧道设计规范》JTG D71(报批稿)中以埋深大于5m可采用拱形(指折板拱)断面，该分界埋深值的选取有待商榷。结合苏州阳澄西湖第三通道工程情况，进行矩形箱涵断面、折板拱断面的受力与经济性分析，确定合理的断面选取分界埋深。

1 工程概况

1.1 隧道概况

苏州市阳澄西湖第三通道工程位于苏州市相城区与工业园区，以围堰明挖隧道形式下穿阳澄西湖，主线隧道为双向六车道，设计时速50km/h的城市主干路，隧道长度1765m；支线匝道隧道为双向四车道，设计时速40km/h的城市主干路，隧道长1472m(以南侧匝道计)。南、北侧匝道于湖中分别并入主线隧道的西侧行车孔与东侧行车孔。

1.2 地质概况

本次研究主要研究陆域范围的情况，根据地勘报告，阳澄西湖第三通道自上而下主要的地层情况与参数见表1。

表1 阳澄西湖第三通道工程地层参数表

苏州地区隧道设计时，地下水位一般按地表以下0.5m计。

2 选取计算断面

本隧道主线普通段为双向六车道，行车孔净跨度为12.1m；匝道隧道为双向四车道，行车孔净跨度为8.6m，跨度较小，其起折板拱空间有限，且在一般明挖隧道的覆土范围内受力较好，因此本次研究仅对主线标准六车道断面进行研究分析，见图1。

图1 主线双向六车道标准矩形断面图

3 结构分析

3.1 结构优劣的评价标准

对工程而言，在满足安全、功能、工程可行性前提下，必然优选经济性较好的方案。但经济性并不作为唯一指标，需综合考虑别的影响因素，对于隧道折板拱断面而言，其相较于矩形箱涵断面最主要的缺点在于施工难度较大，主要体现在一为折板段混凝土的浇注，其表面为非水平，需要设置外侧模板；二为围护结构横支撑的布置与换撑需避开折板，增加设计与施工难度。

因此，以考虑施工难度后的经济性作为判别标准，引入施工难度系数λ，根据施工现场反馈的结果，矩形箱涵断面取为1.0，折板拱1.1。结构的主要工程数量A，考虑施工难度后的数量为M。

M=λA

(1)

对于隧道主体结构的工程数量主要包含混凝土数量T(体积，m3)与钢筋数量G(重量，t)，根据市场调研，一般情况下，每吨钢筋的价格约为每立方米混凝土价格的8倍，定义A为混凝土数量与钢筋数量的数量和，如式(2)所示，其意义为将钢筋、混凝土数量全部折算为混凝土的数量。

A=T+8G

(2)

本次分析，以覆土厚度为变量，分别计算对应的矩形箱涵断面、折板拱断面的结构厚度与配筋，估算主体结构的工程数量T与G，进而根据式(1)、式(2)，以考虑了施工难度系数后的造价M作为判断依据，取考虑施工难度后的最经济的断面(M最小)作为该跨度、覆土条件下的推荐断面。

3.2 结构分析

3.2.1隧道断面

隧道采用三框形式，行车孔净宽12.1m，上下行行车孔间上层为电缆廊道，下层为疏散通道，净宽2.4m，中隔墙厚0.6m，矩形断面与折板拱型断面示意如图2。

图2 隧道横断面示意图(左：矩形断面，右：折板拱断面)

3.2.2计算工况

因折板拱断面起拱情况，在相同的道路路面设计标高情况下，折板拱断面可减少覆土1.35m，计算时分别取矩形断面的覆土H=4m、5m、6m，采用Midas GTS分析软件，以“荷载-结构”模型对两种断面进行结构受力分析，获取各种断面在覆土条件下的满足结构受力的受力情况与钢筋混凝土数量A。

3.2.3计算结果

(1)受力分析

对各覆土情况下，分别采用不同的结构厚度进行计算，各自选取工程数量A最小的作为该覆土情况下的最优结构参数，再进行矩形断面与折板拱断面的对比分析。

以覆土H=5m为例，矩形断面分别计算了顶板厚度为1.0m、1.1m、1.2m、1.3m的情况，折板拱断面分别计算了0.7m、0.8m、0.9m、1.0m的情况。均取顶板厚度为1m的情况，矩形断面与折板拱断面的受力云图对比如图3，由于结构对称，仅显示一半。

如图3所示，在道路设计纵断面相同的情况下，采用相同厚度的结构时，折板拱断面最大弯矩为1410kN·m，轴力为559kN·m；矩形断面最大弯矩为1931kN·m，轴力为446kN。对混凝土框架结构而言，结构安全主要受弯矩控制，一般均将其按照纯弯结构进行结构强度与裂缝验算[5]。

图3 覆土H=5m，结构厚度B1=1m时的断面受力云图

通过受力对比分析，可看出，在其他条件相同的情况下，由于折板拱结构减小了覆土厚度，同时折板拱型结构对受力分布更为有利，因此，折板拱断面结构可有效改善结构的受力(减小结构弯矩)。

对覆土H=5m情况，矩形断面与折板拱断面的各厚度进行结构强度与裂缝检算后，各断面的结构厚度、配筋与工程数量如表2所示，选取工程量最小的作为该覆土情况下的推荐结构设计参数。

表2 覆土H=5m时矩形与折板拱断面各结构厚度设计情况统计表

图4 覆土5m时采用不同顶板厚度的工程数量(左：矩形断面，右：折板拱断面)

因此，在覆土H=5m时，矩形框结构采用顶板厚度为1.1m时，工程数量最少，为最经济的设计参数；折板拱结构采用顶板厚度为0.8m，为最经济的设计参数。

(2)结构参数与工程数量

按前述方法对覆土H=4m、5m、6m的最经济的结构设计参数与工程数量汇总如表3。

表3 各覆土情况下矩形与折板拱断面结构设计参数与工程数量表

分别以矩形框与折板拱的工程数量A或M作为纵坐标，覆土情况H作为横坐标做折线图进行对比分析。通过对比图(图5)可看出：

图5 工程数量A、M与结构覆土H的关系

①在不考虑施工难度系数λ时，折板拱结构的工程数量A均小于矩形框结构，说明采用折板拱结构能有效减少工程量；

②考虑施工难度系数λ后，折板拱与矩形框结构的工程数量线存在交点，按差值法，交点约在H=4.3m处，说明综合考虑工程数量与施工难度，H<4.3m时，矩形框结构更经济合理；在H>4.3m时，采用折板拱结构更经济合理；

③为便于后期实施，取覆土厚度H=4.5m分界线，即H≤4.5m时，推荐采用矩形框结构；H>4.5m时，推荐采用折板拱结构。

4 结论与讨论

以苏州市阳澄西湖第三通道主线双向六车道明挖隧道为依托，研究标准矩形结构与折板拱结构的受力特点与经济性。主要得出以下结论：

(1)折板拱结构可减小覆土厚度，同时折板拱型结构对受力更为有利。

(2)在相同情况下，矩形断面结构工程量较大，但施工简单；折板拱断面结构工程量更少，但构造较复杂，施工难度较大。本次研究引入了施工难度系数λ，综合考虑实际工程量与施工难度，对矩形断面与折板拱断面进行研究比选。

(3)在不考虑施工难度系数λ时，折板拱结构的工程数量A均小于矩形框结构；考虑施工难度系数λ后，折板拱与矩形框结构的工程数量线存在交点，交点约在H=4.3m处。说明综合考虑工程数量与施工难度，H<4.3m时，矩形框结构更经济合理；在H>4.3m时，折板拱结构更经济合理。本项目取覆土厚度H取4.5m分界线，H≤4.5m时，推荐采用矩形框结构；H>4.5m时，推荐采用折板拱结构。

(4)矩形框结构与折板拱结构的分界覆土厚度H受跨度影响较大。后续需进一步研究不同跨度情况下的分界覆土厚度。