特長明挖高速公路隧道斷面研究

李宗陽 張佳 褚方平

上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司 200092

引言

公路隧道通常是由于山體阻礙，采用礦山法、盾構(gòu)法等非開挖工法進行施工，較少采用明挖方式施工。該工程位于城市近郊，周邊地勢平緩，兩側(cè)有需要保護的管線，隧道地層主要以黏性土與砂性土為主。該工程的施工條件與城市地道較為相近，與礦山法等暗挖工法有較大差異。雖然盾構(gòu)法也常用于城市隧道中，但盾構(gòu)適用于深埋隧道，并且大直徑盾構(gòu)機械國內(nèi)較少，造價較高，常用于下穿無法開挖的情況。因此，明挖工法更適合在城市中的公路下沉工程。

明挖隧道在公路隧道領(lǐng)域為較為少見，特長大跨度的明挖公路隧道更為少見。本工程在設(shè)計過程中，形成了關(guān)于大跨度明挖公路隧道斷面的設(shè)計技術(shù)成果，為以后相似工程提供參考及借鑒。

1 工程概況

G98 高速崖州段下沉改造工程設(shè)計方案為近期雙向四車道、遠期雙向六車道，設(shè)計時速100km／h，隧道全長3930m，其中暗埋段長度3090m。隧道頂板最大埋深約6.2m。隧道主體結(jié)構(gòu)采用C40 鋼筋混凝土，防水等級為P8。

本工程采用全線硬路肩的方案，并適當加寬了兩側(cè)檢修道，限界總寬度達到14.75m，基本滿足擴容改造的限界要求［1］，限界布置斷面見圖1。

圖1 行車艙橫斷面限界布置Fig.1 Cross section limits for vehicle cabin

2 隧道斷面分析

該工程車道限界達到14.75m，在國內(nèi)屬于大斷面明挖隧道［2］，并且該隧道最大覆土達到6.2m，隧道斷面布置對于結(jié)構(gòu)內(nèi)力、功能使用、施工方式以及工程造價都有很大的影響，斷面形式可通過比選分析研究確定。

國內(nèi)已建成的明挖隧道形式主要包括直墻平頂［3，4］、直墻折板［5-7］、直墻圓頂以及拱形結(jié)構(gòu)［8］。其中以直墻平頂形式為主，直墻折板斷面形式為輔，直墻圓頂及拱形結(jié)構(gòu)較少采用。拱形結(jié)構(gòu)主要用于礦山法或淺埋暗挖法的明洞段，多采用模板臺車進行施工，當隧道基坑采用垂直支護時，內(nèi)支撐的設(shè)置限制了模板臺車的使用，施工難度很大，會影響主體結(jié)構(gòu)以及防水層的施工質(zhì)量［8］。對于直墻平板、折板和圓頂形式，在受力性能角度上看，直墻圓頂優(yōu)于直墻折板，直墻折板優(yōu)于直墻平頂［5］，而在斷面空間利用率上則剛好相反。城市地下空間較為緊張，斷面過高會壓縮隧道上方的凈空，影響上部管線及通道的布置，若為了管線敷設(shè)壓深隧道，支護費用也會進一步增大，因此圓頂方案較少應(yīng)用于城市內(nèi)部隧道。

直墻折板方案在受力特點及空間利用率上較為均衡，在經(jīng)濟效益上也有優(yōu)勢，并且折板方案較平頂方案斷面凈高高出約800mm，利于隧道內(nèi)線路、指示標牌以及巡檢機器人的設(shè)置。因此特長明挖公路隧道斷面建議采用直墻折板方案。

3 隧道折板斷面計算比選

根據(jù)相關(guān)明挖隧道斷面［4-6］以及沉管隧道斷面［9］的研究，直墻折板通常包括單拱雙艙、雙拱雙艙、單拱三艙以及雙拱三艙的布置方式，詳見圖2。對于雙艙斷面考慮兩側(cè)管線及裝飾板厚度，凈寬達15.6m；對于三艙斷面僅需考慮裝飾板厚度，凈寬15.1m，中間艙作為管線敷設(shè)及人員逃生使用，凈寬2.4m。各斷面均采用直墻折板結(jié)構(gòu)形式，凈高6.8m。隧道斷面的具體選擇需要進行計算比選。

圖2 斷面比選（單位： mm）Fig.2 Cross section choice（unit：mm）

3.1 結(jié)構(gòu)計算方法

在公路隧道規(guī)范［1］中將明挖法施工的隧道稱之為明洞，結(jié)構(gòu)形式與公路非開挖隧道類似［8，10］，規(guī)范［1］規(guī)定按照破損階段法進行計算，但本工程明挖直墻折板隧道采用極限狀態(tài)法進行設(shè)計，原因如下：（1）當受力明確時宜按極限狀態(tài)法設(shè)計，當荷載不明確時可按破損階段或容許應(yīng)力法設(shè)計［11］；（2）雖然明挖公路隧道從屬和服務(wù)于公路，但從結(jié)構(gòu)形式和受力特性上與城市地道并無差別，根據(jù)城市地道規(guī)范［12］，城市地道應(yīng)采用極限狀態(tài)法進行設(shè)計；（3）根據(jù)相關(guān)研究［13］，對于該斷面明挖隧道，極限狀態(tài)法在滿足強度承載力和裂縫寬度要求的情況下，比破損階段法安全度更高。綜上，直墻折板的明挖公路隧道采用極限狀態(tài)法進行計算。

3.2 一般工況斷面比選

為進一步研究隧道斷面布置，對單拱雙艙、雙拱雙艙、單拱三艙以及雙拱三艙的斷面在一般工況下進行計算比較，計算參數(shù)見表1，斷面內(nèi)力結(jié)果見表2。

表1 計算參數(shù)Tab.1 Design conditions

表2 隧道各斷面內(nèi)力計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of internal force of each section

由表2 可知，單拱斷面頂板及側(cè)壁彎矩均大于雙拱斷面，其中單拱雙艙頂板彎矩遠大于其他斷面，單拱三艙與雙拱斷面頂板彎矩較為接近；雙艙底板彎矩均大于三艙底板彎矩；四種斷面的最大剪力較為接近；雙艙斷面的最大軸力將近三艙的兩倍。由此可知，在受力性能上分析，三艙斷面布置更為合理。此外，對于特長公路隧道存在管線多、人員逃生困難的特點，設(shè)置中間艙可將行車艙中的管線移至中間艙，可方便檢修，增強行車艙裝飾完整性和美觀性，中間艙作為逃生通道，通過設(shè)置連接中間艙的逃生口，人員可快速疏散至室外，有效保障人身安全。因此三艙斷面在受力、美觀及逃生安全性方面更加合理。

對于單拱三艙及雙拱三艙斷面的比較，除頂板彎矩外其余部位內(nèi)力相差較小，頂板最大彎矩均位于中隔墻上方，單拱三艙斷面在該位置的頂板更厚，實際受力更為有利，配筋率也較小。單拱斷面較雙拱斷面結(jié)構(gòu)及防水層施工更為方便，并且雙拱斷面容易在頂板中心處積水，長期積水會提高頂板漏水風(fēng)險，對中隔艙內(nèi)管線及設(shè)備可能造成影響。因此對于大斷面特長明挖公路隧道建議采用單拱三艙形式。

3.3 抗震工況斷面比選

通常認為地下結(jié)構(gòu)由于周邊土層的約束作用，在抗震性能上優(yōu)于地面結(jié)構(gòu)，然而近年來的大地震對城市地下結(jié)構(gòu)造成了嚴重的破壞，例如1995年的日本阪神地震，對神戶市地鐵車站、地下隧道、地下綜合管廊等造成了嚴重破壞，其中大開車站甚至發(fā)生坍塌［14］。此后，對于地下結(jié)構(gòu)抗震進行了很多研究工作［15～17］，目前國內(nèi)頒布了《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計標準》［18］，對地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計有了明確規(guī)定。

對于地下隧道結(jié)構(gòu)，其形狀均勻簡單，地質(zhì)條件水平成層，可采用反應(yīng)位移法進行抗震驗算。地震作用簡化為三個方面，包括地層相對位移、結(jié)構(gòu)周圍剪力以及結(jié)構(gòu)自身慣性力，隧道周圍土體模擬為平面兩方向的地基彈簧，隧道結(jié)構(gòu)模擬為梁單元，詳見圖3。反應(yīng)位移法模型覆蓋土層厚度取43m，土層參數(shù)見表3，砂性土及黏性土的G／Gmax（剪切模量與最大剪切模量比值）以及阻尼比與剪應(yīng)變關(guān)系見圖4。工程位于三亞崖州，抗震基本烈度為6 度，按7 度進行設(shè)防，采用阪神地震神戶波南北向水平地震記錄作為基巖水平運動，取地震動時長40s，時間步長0.002s，對振幅按照0.25倍進行折減，最大振幅為2.08m／s2，見圖5。

圖3 橫斷面反應(yīng)位移法計算示意Fig.3 Diagram for calculation of cross section reaction displacement method

圖4 砂土、 黏土本構(gòu)曲線Fig.4 Constitutive curve of sand and clay

圖5 阪神地震神戶波水平加速度（0.25 倍折減）Fig.5 Horizontal acceleration of Kobe wave in Sakashen earthquake（0.25 times reduction）

表3 土層參數(shù)Tab.3 Soil parameter

對于地層相對位移、結(jié)構(gòu)周圍剪力以及結(jié)構(gòu)自身慣性力的確定，根據(jù)規(guī)范［18］，可采用一維地層地震反應(yīng)分析計算。本工程采用soilworks軟件進行一維地層反應(yīng)計算，得到頂板相對位移最大時的隧道結(jié)構(gòu)加速度和位移，具體詳見圖6，計算得到隧道結(jié)構(gòu)頂板、底板及側(cè)墻剪力見表4，其中側(cè)墻剪力取頂、底板剪力平均值。

圖6 隧道結(jié)構(gòu)加速度及位移Fig.6 Acceleration and displacement of tunnel structure

表4 隧道頂板及底板剪力Tab.4 Shear force of tunnel roof and floor

對于周邊土層基床系數(shù)的確定，可采用靜力有限元模型進行計算。根據(jù)土層一維地震反應(yīng)分析求出的土層動力參數(shù)，采用midas gts進行有限元建模，模型見圖7。在結(jié)構(gòu)部位的土層位置施加單位均布荷載q，用靜力算法計算出結(jié)構(gòu)位置的平均變形δ，從而求得結(jié)構(gòu)位置處的基床系數(shù)K ＝q／δ，計算結(jié)果見表5。相對于地勘提出的同一土層相同的基床系數(shù)，計算得到的頂板基床系數(shù)遠小于底板。這是由于計算基床系數(shù)考慮了作用方向以及上覆土層深度原因，并且計算基床系數(shù)考慮了土層的動力參數(shù)，可以更加準確反映地震工況下的土層基床系數(shù)。因此在采用反應(yīng)位移法進行抗震驗算時，應(yīng)以建模計算的土層基床系數(shù)為準。

圖7 計算基床系數(shù)有限元模型Fig.7 Finite element model for calculation foundation coefficient

表5 基床系數(shù)Tab.5 Coefficient of soil reaction

根據(jù)以上得到的地震作用以及周邊土層的基床系數(shù)，建立反應(yīng)位移法有限元模型，計算模型及彎矩計算結(jié)果見圖8 及圖9。為進一步研究不同斷面在地震作用下的響應(yīng)，對雙艙平頂、雙艙折板及三艙折板進行抗震計算，內(nèi)力結(jié)果見表6。

表6 各斷面反應(yīng)位移法內(nèi)力Tab.6 Internal force of response displacement method for each section

圖8 反應(yīng)位移法模型Fig.8 Reaction displacement model

圖9 反應(yīng)位移法計算彎矩（單位： kN·m）Fig.9 Calculation of bending moment by response displacement method（unit：kN·m）

根據(jù)計算結(jié)果，在地震工況下，三種斷面的頂、底板及側(cè)墻內(nèi)力較為接近，三艙平板斷面內(nèi)力略大于其余兩種。對于中隔墻，雙艙斷面彎矩及剪力約為三艙斷面的3 倍，為抗震不利位置。地震作用主要是側(cè)向力作用，三艙斷面的兩道中隔墻可提供更大剛度。因此，在地震工況下三艙斷面布置更有優(yōu)勢，折板形式較平板形式略有優(yōu)勢。

4 結(jié)論

1.公路明挖隧道與城市地道形式基本一致，相較于公路隧道常用的破損階段法，采用極限狀態(tài)法計算更為合理。

2.從一般工況的結(jié)構(gòu)受力、人員逃生安全性及隧道功能性等方面考慮，明挖大斷面公路隧道建議采用單拱三艙布置。

3.從地震工況下受力方面考慮，三艙斷面在結(jié)構(gòu)受力方面較雙艙斷面更有優(yōu)勢，折板形式較平板形式略有優(yōu)勢。