特长明挖高速公路隧道断面研究
时间：2023-06-06 11:55:22 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李宗阳 张佳 褚方平
上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 200092
公路隧道通常是由于山体阻碍，采用矿山法、盾构法等非开挖工法进行施工，较少采用明挖方式施工。该工程位于城市近郊，周边地势平缓，两侧有需要保护的管线，隧道地层主要以黏性土与砂性土为主。该工程的施工条件与城市地道较为相近，与矿山法等暗挖工法有较大差异。虽然盾构法也常用于城市隧道中，但盾构适用于深埋隧道，并且大直径盾构机械国内较少，造价较高，常用于下穿无法开挖的情况。因此，明挖工法更适合在城市中的公路下沉工程。
明挖隧道在公路隧道领域为较为少见，特长大跨度的明挖公路隧道更为少见。本工程在设计过程中，形成了关于大跨度明挖公路隧道断面的设计技术成果，为以后相似工程提供参考及借鉴。
G98 高速崖州段下沉改造工程设计方案为近期双向四车道、远期双向六车道，设计时速100km／h，隧道全长3930m，其中暗埋段长度3090m。隧道顶板最大埋深约6.2m。隧道主体结构采用C40 钢筋混凝土，防水等级为P8。
本工程采用全线硬路肩的方案，并适当加宽了两侧检修道，限界总宽度达到14.75m，基本满足扩容改造的限界要求［1］，限界布置断面见图1。
图1 行车舱横断面限界布置Fig.1 Cross section limits for vehicle cabin
该工程车道限界达到14.75m，在国内属于大断面明挖隧道［2］，并且该隧道最大覆土达到6.2m，隧道断面布置对于结构内力、功能使用、施工方式以及工程造价都有很大的影响，断面形式可通过比选分析研究确定。
国内已建成的明挖隧道形式主要包括直墙平顶［3，4］、直墙折板［5-7］、直墙圆顶以及拱形结构［8］。其中以直墙平顶形式为主，直墙折板断面形式为辅，直墙圆顶及拱形结构较少采用。拱形结构主要用于矿山法或浅埋暗挖法的明洞段，多采用模板台车进行施工，当隧道基坑采用垂直支护时，内支撑的设置限制了模板台车的使用，施工难度很大，会影响主体结构以及防水层的施工质量［8］。对于直墙平板、折板和圆顶形式，在受力性能角度上看，直墙圆顶优于直墙折板，直墙折板优于直墙平顶［5］，而在断面空间利用率上则刚好相反。城市地下空间较为紧张，断面过高会压缩隧道上方的净空，影响上部管线及通道的布置，若为了管线敷设压深隧道，支护费用也会进一步增大，因此圆顶方案较少应用于城市内部隧道。
直墙折板方案在受力特点及空间利用率上较为均衡，在经济效益上也有优势，并且折板方案较平顶方案断面净高高出约800mm，利于隧道内线路、指示标牌以及巡检机器人的设置。因此特长明挖公路隧道断面建议采用直墙折板方案。
根据相关明挖隧道断面［4-6］以及沉管隧道断面［9］的研究，直墙折板通常包括单拱双舱、双拱双舱、单拱三舱以及双拱三舱的布置方式，详见图2。对于双舱断面考虑两侧管线及装饰板厚度，净宽达15.6m；
对于三舱断面仅需考虑装饰板厚度，净宽15.1m，中间舱作为管线敷设及人员逃生使用，净宽2.4m。各断面均采用直墙折板结构形式，净高6.8m。隧道断面的具体选择需要进行计算比选。
图2 断面比选（单位：
mm）Fig.2 Cross section choice（unit：mm）
3.1 结构计算方法
在公路隧道规范［1］中将明挖法施工的隧道称之为明洞，结构形式与公路非开挖隧道类似［8，10］，规范［1］规定按照破损阶段法进行计算，但本工程明挖直墙折板隧道采用极限状态法进行设计，原因如下：（1）当受力明确时宜按极限状态法设计，当荷载不明确时可按破损阶段或容许应力法设计［11］；
（2）虽然明挖公路隧道从属和服务于公路，但从结构形式和受力特性上与城市地道并无差别，根据城市地道规范［12］，城市地道应采用极限状态法进行设计；
（3）根据相关研究［13］，对于该断面明挖隧道，极限状态法在满足强度承载力和裂缝宽度要求的情况下，比破损阶段法安全度更高。综上，直墙折板的明挖公路隧道采用极限状态法进行计算。
3.2 一般工况断面比选
为进一步研究隧道断面布置，对单拱双舱、双拱双舱、单拱三舱以及双拱三舱的断面在一般工况下进行计算比较，计算参数见表1，断面内力结果见表2。
表1 计算参数Tab.1 Design conditions
表2 隧道各断面内力计算结果Tab.2 Calculation results of internal force of each section
由表2 可知，单拱断面顶板及侧壁弯矩均大于双拱断面，其中单拱双舱顶板弯矩远大于其他断面，单拱三舱与双拱断面顶板弯矩较为接近；
双舱底板弯矩均大于三舱底板弯矩；
四种断面的最大剪力较为接近；
双舱断面的最大轴力将近三舱的两倍。由此可知，在受力性能上分析，三舱断面布置更为合理。此外，对于特长公路隧道存在管线多、人员逃生困难的特点，设置中间舱可将行车舱中的管线移至中间舱，可方便检修，增强行车舱装饰完整性和美观性，中间舱作为逃生通道，通过设置连接中间舱的逃生口，人员可快速疏散至室外，有效保障人身安全。因此三舱断面在受力、美观及逃生安全性方面更加合理。
对于单拱三舱及双拱三舱断面的比较，除顶板弯矩外其余部位内力相差较小，顶板最大弯矩均位于中隔墙上方，单拱三舱断面在该位置的顶板更厚，实际受力更为有利，配筋率也较小。单拱断面较双拱断面结构及防水层施工更为方便，并且双拱断面容易在顶板中心处积水，长期积水会提高顶板漏水风险，对中隔舱内管线及设备可能造成影响。因此对于大断面特长明挖公路隧道建议采用单拱三舱形式。
3.3 抗震工况断面比选
通常认为地下结构由于周边土层的约束作用，在抗震性能上优于地面结构，然而近年来的大地震对城市地下结构造成了严重的破坏，例如1995年的日本阪神地震，对神户市地铁车站、地下隧道、地下综合管廊等造成了严重破坏，其中大开车站甚至发生坍塌［14］。此后，对于地下结构抗震进行了很多研究工作［15～17］，目前国内颁布了《地下结构抗震设计标准》［18］，对地下结构抗震设计有了明确规定。
对于地下隧道结构，其形状均匀简单，地质条件水平成层，可采用反应位移法进行抗震验算。地震作用简化为三个方面，包括地层相对位移、结构周围剪力以及结构自身惯性力，隧道周围土体模拟为平面两方向的地基弹簧，隧道结构模拟为梁单元，详见图3。反应位移法模型覆盖土层厚度取43m，土层参数见表3，砂性土及黏性土的G／Gmax（剪切模量与最大剪切模量比值）以及阻尼比与剪应变关系见图4。工程位于三亚崖州，抗震基本烈度为6 度，按7 度进行设防，采用阪神地震神户波南北向水平地震记录作为基岩水平运动，取地震动时长40s，时间步长0.002s，对振幅按照0.25倍进行折减，最大振幅为2.08m／s2，见图5。
图3 横断面反应位移法计算示意Fig.3 Diagram for calculation of cross section reaction displacement method
图4 砂土、 黏土本构曲线Fig.4 Constitutive curve of sand and clay
图5 阪神地震神户波水平加速度（0.25 倍折减）Fig.5 Horizontal acceleration of Kobe wave in Sakashen earthquake（0.25 times reduction）
表3 土层参数Tab.3 Soil parameter
对于地层相对位移、结构周围剪力以及结构自身惯性力的确定，根据规范［18］，可采用一维地层地震反应分析计算。本工程采用soilworks软件进行一维地层反应计算，得到顶板相对位移最大时的隧道结构加速度和位移，具体详见图6，计算得到隧道结构顶板、底板及侧墙剪力见表4，其中侧墙剪力取顶、底板剪力平均值。
图6 隧道结构加速度及位移Fig.6 Acceleration and displacement of tunnel structure
表4 隧道顶板及底板剪力Tab.4 Shear force of tunnel roof and floor
对于周边土层基床系数的确定，可采用静力有限元模型进行计算。根据土层一维地震反应分析求出的土层动力参数，采用midas gts进行有限元建模，模型见图7。在结构部位的土层位置施加单位均布荷载q，用静力算法计算出结构位置的平均变形δ，从而求得结构位置处的基床系数K ＝q／δ，计算结果见表5。相对于地勘提出的同一土层相同的基床系数，计算得到的顶板基床系数远小于底板。这是由于计算基床系数考虑了作用方向以及上覆土层深度原因，并且计算基床系数考虑了土层的动力参数，可以更加准确反映地震工况下的土层基床系数。因此在采用反应位移法进行抗震验算时，应以建模计算的土层基床系数为准。
图7 计算基床系数有限元模型Fig.7 Finite element model for calculation foundation coefficient
表5 基床系数Tab.5 Coefficient of soil reaction
根据以上得到的地震作用以及周边土层的基床系数，建立反应位移法有限元模型，计算模型及弯矩计算结果见图8 及图9。为进一步研究不同断面在地震作用下的响应，对双舱平顶、双舱折板及三舱折板进行抗震计算，内力结果见表6。
表6 各断面反应位移法内力Tab.6 Internal force of response displacement method for each section
图8 反应位移法模型Fig.8 Reaction displacement model
图9 反应位移法计算弯矩（单位：
kN·m）Fig.9 Calculation of bending moment by response displacement method（unit：kN·m）
根据计算结果，在地震工况下，三种断面的顶、底板及侧墙内力较为接近，三舱平板断面内力略大于其余两种。对于中隔墙，双舱断面弯矩及剪力约为三舱断面的3 倍，为抗震不利位置。地震作用主要是侧向力作用，三舱断面的两道中隔墙可提供更大刚度。因此，在地震工况下三舱断面布置更有优势，折板形式较平板形式略有优势。
1.公路明挖隧道与城市地道形式基本一致，相较于公路隧道常用的破损阶段法，采用极限状态法计算更为合理。
2.从一般工况的结构受力、人员逃生安全性及隧道功能性等方面考虑，明挖大断面公路隧道建议采用单拱三舱布置。
3.从地震工况下受力方面考虑，三舱断面在结构受力方面较双舱断面更有优势，折板形式较平板形式略有优势。
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