城市明挖道路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法分析與研究

姚 堅(jiān)

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市 200092）

1 研究背景

隨著人們對城市環(huán)境和景觀要求的提高，越來越多的城市快速路或主干道穿越敏感區(qū)域的部分，采用地下隧道的方案，其連續(xù)長度甚至達(dá)到1～6 km，如：上海東西通道、外灘隧道、杭州紫荊港隧道，在建的彩虹快速路隧道等。這類道路隧道，施工工法以明挖法為主，結(jié)構(gòu)形式為矩形箱涵結(jié)構(gòu)。

此類工程在設(shè)計(jì)方法上由于國內(nèi)規(guī)范行業(yè)多，體系復(fù)雜，相關(guān)的橋梁、公路、民建等行業(yè)規(guī)范都具有一定的適用性，但缺乏比較明確和系統(tǒng)的規(guī)定與要求，加上參與工程設(shè)計(jì)、咨詢等各方本身其背景或行業(yè)可能也不同，出現(xiàn)了對隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是按公路隧道破損階段法或按極限狀態(tài)法存在爭議的情況。在杭州彩虹路隧道段設(shè)計(jì)中，筆者對此類道路隧道的設(shè)計(jì)方法和概念進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理和分析，所闡述的內(nèi)容可供類似工程參考和借鑒。

2 規(guī)范解讀與分析

2.1 規(guī)范背景

從行業(yè)上看，與該類工程相關(guān)的主要有民用建筑行業(yè)、市政公用行業(yè)和公路交通行業(yè)，涉及的規(guī)范有《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范2006年版》（GB 50009-2001）、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）、《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50153-2008）、《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50283-1999）、《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70-2004）、《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70-2010）、《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG/D60-2004）、《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》（GB 50108-2008）等，上述規(guī)范的發(fā)布單位主要是建設(shè)部和交通部，建設(shè)部的大部分為國標(biāo)，交通部的均為公路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

在城市路網(wǎng)規(guī)劃中，對城市道路和公路的區(qū)段劃分已有明確的規(guī)定，雖然這類地下道路采用了隧道的型式，但從道路的歸屬和服務(wù)功能上來看，仍屬城市道路的范疇，線型設(shè)計(jì)采用的是城市道路和快速路的相關(guān)規(guī)范，故應(yīng)屬于市政公用行業(yè)。

由于市政公用行業(yè)并無專門的行業(yè)規(guī)范來指導(dǎo)此類道路隧道的設(shè)計(jì)，故在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，不得不應(yīng)用其它相關(guān)行業(yè)的規(guī)范作為設(shè)計(jì)依據(jù)。各設(shè)計(jì)院往往根據(jù)自身的行業(yè)背景和經(jīng)驗(yàn)，選取認(rèn)為合適的規(guī)范和設(shè)計(jì)方法。

2.2 設(shè)計(jì)方法和原則概述

上述規(guī)范中針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法主要有極限狀態(tài)法、破損階段法和容許應(yīng)力法。其中破損階段法和容許應(yīng)力法僅是針對結(jié)構(gòu)承載能力的設(shè)計(jì)方法；極限狀態(tài)法包括承載能力極限狀態(tài)（結(jié)構(gòu)承載）和正常使用極限狀態(tài)（裂縫、撓度等）。

在公路行業(yè)的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》和《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》中都已采用了極限狀態(tài)法的概念；在《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》中，當(dāng)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)，提到了綜合安全系數(shù)法和分項(xiàng)系數(shù)法，其中綜合安全系數(shù)法從表達(dá)式來看，與破損階段法是基本一致的。

按照《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》的防水要求，明挖隧道的迎土面裂縫寬度要求小于0.2 mm，無論是按破損階段法，還是按極限狀態(tài)法進(jìn)行設(shè)計(jì)的，裂縫寬度控制要求應(yīng)該是一致的。

總結(jié)起來，該類明挖隧道在設(shè)計(jì)方法和原則的確定中應(yīng)注意以下幾個方面：

（1）極限狀態(tài)法和破損階段法兩套計(jì)算體系是完全獨(dú)立的，其荷載、組合、材料強(qiáng)度的取值也完全不同。本文中提到的破損階段法是采用《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的要求和公式，而極限狀態(tài)法是采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的要求和公式。

（2）即便都采取極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)，不同行業(yè)、不同規(guī)范中，采用的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期、可靠度和可靠指標(biāo)也不相同?？煽恐笜?biāo)β的功能主要有兩個：其一，是度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠性大小的尺度；其二，目標(biāo)可靠指標(biāo)是分項(xiàng)系數(shù)法所采用的各分項(xiàng)系數(shù)取值的基本依據(jù)，不同的可靠指標(biāo)所對應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)也是不同的。

（3）隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中除承載安全外，迎土面的裂縫寬度還應(yīng)滿足小于0.2 mm的要求，因此破損階段法設(shè)計(jì)時(shí)，除按破損階段法驗(yàn)算承載能力外，還需驗(yàn)算裂縫寬度；極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)在正常使用極限狀態(tài)中驗(yàn)算裂縫寬度。盡管破損階段法的計(jì)算配筋遠(yuǎn)大于極限狀態(tài)法下的承載能力極限狀態(tài)的配筋（見本文第3節(jié)的計(jì)算結(jié)果），但最終的配筋還要綜合考慮裂縫的控制要求，不能簡單地下破損階段法安全于極限狀態(tài)法的結(jié)論。

（4）該類隧道結(jié)構(gòu)構(gòu)件除受彎外，還有軸力，因此鋼筋混凝土構(gòu)件的計(jì)算模式又可分為純彎（不計(jì)軸力）和偏壓計(jì)算兩種。對此，要根據(jù)施工過程和工程經(jīng)驗(yàn)，合理選擇計(jì)算模式，兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2.3 規(guī)范條文解讀

（1）《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》1.0.1條指出：“為給山嶺公路隧道設(shè)計(jì)提供技術(shù)準(zhǔn)則，制定本規(guī)范”。1.0.2條規(guī)定：“本規(guī)范適用于以鉆爆法為主要開挖手段的各級公路雙車道隧道，其它形式的公路隧道可參照執(zhí)行”?！豆匪淼涝O(shè)計(jì)規(guī)范》中9.1.1條文說明：“在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，目前多數(shù)工程結(jié)構(gòu)已采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法……”，“公路隧道因建設(shè)時(shí)間尚短，尚未具備采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的條件”?！兜罔F設(shè)計(jì)規(guī)范》第10.1.6條規(guī)定：“地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)施工方法、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件類型、使用條件及荷載特征等，選用與其特點(diǎn)相近的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)方法。”并在條文說明中明確：“……對于各類結(jié)構(gòu)，目前尚不具備全部按以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)法進(jìn)行設(shè)計(jì)的條件，……受力明確并具備條件的，宜按極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)；荷載不甚明確或尚不具備條件的，可按破損階段或容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)。”

（2）《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則答疑》P1：“山嶺公路隧道一般采用鉆爆法修建，也有少部分山嶺隧道采用掘進(jìn)機(jī)法施工，而穿越土層及江河湖泊地段的公路隧道也有采用盾構(gòu)法施工或沉管法施工的。采用不同施工方法建設(shè)的公路隧道，在設(shè)計(jì)方法上差異較大，但是仍具有較多的相同或相似之處，如平縱面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、建筑限界、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，以及運(yùn)營管理系統(tǒng)等，因此采用其他方法修建的公路隧道仍可參照本細(xì)則，但應(yīng)充分考慮各自的特殊性?！?/p>

（3）《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》8.5條規(guī)定：“以明挖法或在露天修建的隧道可稱為明洞。下穿公路、鐵路、建筑物、防雪棚、遮陽棚洞等以掘開地表土修建隧道結(jié)構(gòu)后再在上面回填或修建其它建筑物的隧道都可稱為明洞”；9.3.1條又規(guī)定：“采用擋墻式洞門時(shí)，明洞結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)，本規(guī)范取與隧道襯砌相同的數(shù)值。”其理由是明洞屬于半隱蔽結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)變形受周圍地層的約束小，且有受沖擊荷載作用的可能，從這一不利因素看，明洞安全系數(shù)應(yīng)比隧道襯砌大。但明洞的有利因素是：外荷載較為明確，結(jié)構(gòu)計(jì)算圖式與實(shí)際情況比較接近；采用明挖法施工，施工條件較隧道好，圬工質(zhì)量易于保證，從這一方面看，安全系數(shù)取值可比隧道襯砌小。綜合以上有利及不利兩方面因素，其有利因素起主導(dǎo)作用，故對明洞取與隧道襯砌相同的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)值是較合適的。

對（1）～（3）所列條文進(jìn)行分析和解讀：

a.首先《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中提到了不同施工方法修建的公路隧道在設(shè)計(jì)方法存在著比較大的差異，并未要求山嶺公路隧道以外的公路隧道仍要采用破損階段法進(jìn)行設(shè)計(jì)，反而提到要充分考慮各自的特殊性。

b.城市明挖隧道，按（3）所述，盡管從施工過程上來看可歸入公路隧道明洞的范疇，但是城市明挖隧道不存在按（3）所述的明洞條文中所提到的結(jié)構(gòu)變形受周圍地層約束小，且有受沖擊荷載（落石荷載） 的可能，因此可完全從有利角度考慮，安全系數(shù)本身較隧道襯砌可降低；因此要求城市明挖法隧道完全遵照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》破損階段法設(shè)計(jì)，偏于保守，不甚合理。

c.該類工程的結(jié)構(gòu)形式為箱涵結(jié)構(gòu)，施工方法為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)下的明挖，與地鐵明挖車站和明挖區(qū)間類似，故在荷載分布、施工方法和使用條件上與地鐵明挖車站和明挖區(qū)間基本相同，在上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用極限概率法恰恰是最常規(guī)的設(shè)計(jì)方法。而城市地下工程、如城市地鐵車站、區(qū)間隧道等設(shè)計(jì)已基本采用極限狀態(tài)法，應(yīng)用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，這些在《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范GB50157-2003》10.2.1條和10.3.2條中已明確反映。從工程類比的角度考慮，該工程為城市地下明挖通道，無論是結(jié)構(gòu)型式、開挖型式還是所屬行業(yè)（市政）都與地鐵工程更為接近，故按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》采用極限狀態(tài)法更為合理。

2.4 極限狀態(tài)法的比較

在不同行業(yè)、不同規(guī)范中，極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)采用的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期、可靠度和可靠指標(biāo)也不相同，如表1所列。

表1 不同結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期、可靠指標(biāo)比較一覽表

（1）表1中的數(shù)據(jù)源自《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》、《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》。

（2）目標(biāo)可靠指標(biāo)是分項(xiàng)系數(shù)法所采用的各分項(xiàng)系數(shù)取值的基本依據(jù)，不同的可靠指標(biāo)所對應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)也是不同的?！督ㄖY(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》是按房屋建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和可靠指標(biāo)選取概率極限狀態(tài)法的分項(xiàng)系數(shù)的，其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和可靠指標(biāo)都低于公路隧道結(jié)構(gòu)。城市明挖隧道荷載作用中永久荷載起控制作用，對比《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》中的概率極限狀態(tài)法的分項(xiàng)系數(shù)，荷載作用分項(xiàng)系數(shù)上，恒載系數(shù)接近，可變作用分項(xiàng)系數(shù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》中為1.4，不考慮組合值系數(shù)，而《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中考慮組合值系數(shù)0.7；在材料分項(xiàng)系數(shù)上，公路隧道偏安全，在該類工程中不建議取組合值系數(shù)。

3 兩套方法計(jì)算對比與分析

3.1 計(jì)算原則

（1）極限狀態(tài)設(shè)計(jì)分別對正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算，構(gòu)件裂縫寬度允許值：頂板、側(cè)墻、疊合墻地墻外側(cè)、底板為0.2 mm；《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》9.2.15條按荷載基本組合求得的最大裂縫寬度不應(yīng)大于0.2 mm。分別計(jì)算了純彎、偏壓條件下強(qiáng)度、裂縫。

（2）破損階段法混凝土和鋼筋參數(shù)依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》規(guī)范條文，破損階段法的安全系數(shù)取2。

（3）極限狀態(tài)法和破損階段法驗(yàn)算要求為強(qiáng)度滿足和裂縫寬度不大于0.2 mm，破損階段驗(yàn)算時(shí)彎距等內(nèi)力取極限狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)值。

（4）已對典型斷面根據(jù)彎距、軸力復(fù)核純彎、偏壓下的強(qiáng)度和裂縫，計(jì)算結(jié)果表明除中隔墻外主要受力構(gòu)件均為大偏壓構(gòu)件，考慮軸力對結(jié)構(gòu)更有利；故在本文中未列入偏壓計(jì)算內(nèi)容。

（5）計(jì)算結(jié)果表明混凝土等級C35，鋼筋等級HRB400條件下，極限狀態(tài)法與破損階段法相比，在滿足強(qiáng)度承載和裂縫寬度不大于0.2 mm的條件下，安全度更高。

3.2 抗剪強(qiáng)度

截面抗剪強(qiáng)度對比，采用《混規(guī)》6.3.3條在截面大于800的條件下，截面抗剪強(qiáng)度均比《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》K.0.7條計(jì)算的值要小，因此采用《混規(guī)》抗剪亦不低于《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》。比較結(jié)果如表2所列。

表2 結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度值一覽表

3.3 抗彎強(qiáng)度

雙層雙跨結(jié)構(gòu)頂板厚度為1 200 mm，中板厚度為600 mm，底板厚度為1 400 mm，側(cè)墻為疊合墻，為800 mm地墻+500 mm內(nèi)襯墻，中隔墻厚度為600 mm。地下一層凈高3.23m，地下二層凈高6 m。頂板覆土厚度約3.15 m。

計(jì)算模型如圖1所示。

采用一次性加載和開挖回筑兩種計(jì)算模式進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在底板中支座處，開挖回筑計(jì)算出的內(nèi)力值大于一次加載法得出的內(nèi)力值（前者約為后者的1.15倍），其余位置一次性加載計(jì)算出的內(nèi)力值均大于開挖回筑模式的計(jì)算結(jié)果。因此在內(nèi)力配筋時(shí)，采用一次加載法的計(jì)算結(jié)果，同時(shí)考慮將底板中支座內(nèi)力放大15%。各層板跨中彎距增大15%。其計(jì)算結(jié)果見表3、表4所列。

圖1 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

表3 雙層雙跨結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面內(nèi)力值計(jì)算結(jié)果一覽表

除該典型斷面外，還對單層雙跨結(jié)構(gòu)、U型敞開段結(jié)構(gòu)共10個不同的斷面進(jìn)行了兩套體系的計(jì)算，由于篇幅所限，本文未全部引用。計(jì)算結(jié)果表明：在混凝土等級C35，鋼筋等級HRB400條件下，極限狀態(tài)法與破損階段法相比，在滿足強(qiáng)度承載和裂縫寬度不大于0.2 mm的條件下，安全度更高。

表4 結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算結(jié)果一覽表

4 結(jié)語

（1）城市明挖道路隧道從道路的歸屬和服務(wù)功能上來看，仍屬城市道路的范疇，線型設(shè)計(jì)采用的是城市道路和快速路的相關(guān)規(guī)范，故應(yīng)屬于市政公用行業(yè)。由于市政公用行業(yè)并無專門的行業(yè)規(guī)范來指導(dǎo)此類道路隧道的設(shè)計(jì)，故在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，不得不應(yīng)用其它相關(guān)行業(yè)的規(guī)范作為設(shè)計(jì)依據(jù)。各設(shè)計(jì)院往往根據(jù)自身的行業(yè)背景和經(jīng)驗(yàn)，選取認(rèn)為合適的規(guī)范和設(shè)計(jì)方法。建設(shè)主管部門應(yīng)盡快編制相關(guān)規(guī)范，以避免設(shè)計(jì)方法上的不統(tǒng)一。

（2）該類工程的結(jié)構(gòu)形式為箱涵結(jié)構(gòu)，施工方法為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)下的明挖，與地鐵明挖車站和明挖區(qū)間類似，故在荷載分布、施工方法和使用條件上與地鐵明挖車站和明挖區(qū)間基本相同，在上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用極限概率法恰恰是最常規(guī)的設(shè)計(jì)方法。無論是結(jié)構(gòu)型式、開挖型式還是所屬行業(yè)（市政）都與地鐵工程更為接近，故按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》采用極限狀態(tài)法更為合理。

（3）計(jì)算結(jié)果表明：在混凝土等級C35，鋼筋等級HRB400條件下，極限狀態(tài)法與破損階段法相比，在滿足強(qiáng)度承載和裂縫寬度不大于0.2 mm的條件下，安全度更高。

（4）建議城市明挖道路隧道采用極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)更為合理。

[1]GB50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（2006年版）[S].

[2]GB50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]GB50153-2008，工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]GB/T50283-1999，公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5]JTG D70-2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]JTG/T D70-2010，公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

[7]JTG/D60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[8]GB50108-2008，地下工程防水技術(shù)規(guī)范[S].