王 巖

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海 200125；2.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200125）

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)安全高效地出行有了更高的需求，這促進(jìn)了城市立體交通的發(fā)展。城市地下道路具有噪聲小、不影響城市景觀等優(yōu)點(diǎn)。該文介紹常見(jiàn)的明挖暗埋法施工的城市地下道路斷面形式，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

城市地下道路以單向兩車道、雙向四車道及雙向六車道居多；由于各條隧道的道路等級(jí)、車行道寬度、路緣帶和安全帶寬度及建筑限界外設(shè)備帶留寬不同，即使車道數(shù)相同，單孔結(jié)構(gòu)凈寬也存在差異，一般兩車道單孔結(jié)構(gòu)凈寬約10m，三車道單孔結(jié)構(gòu)凈寬約13m，四車道單孔結(jié)構(gòu)凈寬約16.5m，在隧道緊急停車港灣處結(jié)構(gòu)凈寬增加3m，在隧道交匯處，例如主線隧道和匝道交叉口局部結(jié)構(gòu)凈寬可達(dá)20m 以上；由于各條隧道頂板形狀、頂部設(shè)備帶留寬、是否架設(shè)射流風(fēng)機(jī)以及是否需要抬高頂板卸荷等原因，各條隧道凈高也不同，以6m～8m 居多[1]；由于各條隧道長(zhǎng)度不同、隧道縱坡以及是否需要避讓其他地下結(jié)構(gòu)等原因，不同城市明挖隧道、同一隧道不同位置覆土厚度差異很大。綜上所述，如何選擇合理的隧道斷面形式是重要問(wèn)題。

1 敞開(kāi)段結(jié)構(gòu)形式

隧道敞開(kāi)段結(jié)構(gòu)形式較少，一般包括擋土墻式和U 型槽式，如圖1 所示。

圖1 敞開(kāi)段結(jié)構(gòu)形式

1.1 結(jié)構(gòu)適用性

擋土墻式敞開(kāi)段結(jié)構(gòu)形式在墻后覆土厚度較小時(shí)可采用L 型擋土墻，墻后覆土較大時(shí)可采用扶壁式擋土墻，如圖1（a）所示，其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省材料，預(yù)制化程度高，施工方便快捷；其缺點(diǎn)一是若在挖方區(qū)施工，挖土方量大，尤其是挖深較大時(shí)，若采用排樁式圍護(hù)結(jié)構(gòu)，會(huì)增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)工程量，缺點(diǎn)二是一般城市地下道路紅線范圍較小，擋墻踵板過(guò)長(zhǎng)易侵占紅線且擋墻扶壁占用地下空間過(guò)大，不利于地下管線敷設(shè)；因此隧道敞開(kāi)段采用擋土墻式在市區(qū)應(yīng)用情況較少，隧道下穿公園或校園等情況下有條件時(shí)可采用，填方區(qū)尤其適合[2-3]。U 型槽式是最常見(jiàn)的隧道敞開(kāi)段結(jié)構(gòu)形式，如圖1（b）所示，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)整體性好，占用空間較小；當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，須在側(cè)墻外加設(shè)挑板或設(shè)置抗浮樁以滿足抗浮要求，因此其缺點(diǎn)是工程量大。

1.2 工程用量對(duì)比

現(xiàn)比較擋土墻式和U 型槽式隧道敞開(kāi)段結(jié)構(gòu)主要材料用量，以敞開(kāi)段結(jié)構(gòu)凈高6.0 m，結(jié)構(gòu)凈寬26.0 m，墻外覆土4.5 m 高為例，通過(guò)荷載結(jié)構(gòu)法按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算，敞開(kāi)段結(jié)構(gòu)典型壁厚和配筋斷面如圖2 所示，擋土墻式每延米混凝土用量27.9 m3，鋼筋用量2 842.2 kg；U 型槽式每延米混凝土用量15.7 m3，鋼筋用量2 370.8 kg。對(duì)該形式斷面來(lái)說(shuō)，U 型槽式結(jié)構(gòu)比擋土墻式結(jié)構(gòu)節(jié)省混凝土用量43.7%，節(jié)省鋼筋用量16.6%。

圖2 敞開(kāi)段結(jié)構(gòu)典型配筋斷面（單位：mm）

2 普通暗埋段結(jié)構(gòu)形式

隧道暗埋段結(jié)構(gòu)布置形式較多，當(dāng)隧道覆土較少（一般覆土小于4 m）且單孔結(jié)構(gòu)凈跨較小（兩車道和三車道隧道）時(shí)，常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)布置形式如圖3 所示。

圖3 暗埋段結(jié)構(gòu)形式（一）

2.1 結(jié)構(gòu)適用性

2.1.1 加腋平頂式

如圖3（a）所示。該斷面優(yōu)點(diǎn)一是截面利用率高，如圖3（f）所示，采用加腋平頂式可有效利用隧道凈空，由于隧道建筑限界頂部也有腋角，結(jié)構(gòu)加腋對(duì)占用隧道空間影響較小；優(yōu)點(diǎn)二是結(jié)構(gòu)整體性好，結(jié)構(gòu)自防水性能優(yōu)良；優(yōu)點(diǎn)三是結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，挖掘斷面經(jīng)濟(jì)且易于施工。加腋平頂式斷面其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)形式笨重，鋼筋混凝土材料用量大；對(duì)高覆土、大跨度隧道斷面不是最優(yōu)選擇，由于平板式結(jié)構(gòu)自重大，增大板厚的同時(shí)也增大了結(jié)構(gòu)自重[4]，盲目增加板厚已不能有效地解決承載力及裂縫驗(yàn)算不通過(guò)等問(wèn)題，對(duì)超大跨徑結(jié)構(gòu)斷面來(lái)說(shuō)，增加的結(jié)構(gòu)頂板厚度提供的抗力不能抵消其自重增加的內(nèi)力值。對(duì)腋角的尺寸來(lái)說(shuō)，其高寬比控制在1 ∶3 為宜，當(dāng)腋角過(guò)小時(shí)，可適當(dāng)增加腋角高度，因?yàn)樵谠O(shè)有腋角的框架結(jié)構(gòu)中，進(jìn)行截面驗(yàn)算時(shí)，桿件兩端的截面計(jì)算高度采用h+S/3，h為構(gòu)件截面高度，S為平行于構(gòu)件軸線方向的腋角長(zhǎng)度；腋角超過(guò)S/3 部分并不參與計(jì)算，因此腋角應(yīng)設(shè)置為緩坡形式。在對(duì)閉合框架進(jìn)行受力計(jì)算時(shí)，直接計(jì)算構(gòu)件軸線相交處的內(nèi)力，支座邊緣截面的彎矩可按公式（1）計(jì)算。

式中：M為支座邊緣截面彎矩；M0為構(gòu)件軸線相交處彎矩；Q0為構(gòu)件軸線相交處剪力；b為支座寬度；q為均布荷載。支座邊緣截面的剪力可按公式（2）計(jì)算。

因此合理布置腋角可使最不利截面由側(cè)墻邊緣轉(zhuǎn)移至內(nèi)力較小的腋角邊緣，計(jì)算表明，當(dāng)腋角高度為頂板厚度的35%時(shí)，截面配筋量可減少10%左右。對(duì)隧道截面采用直墻平頂式時(shí)，均設(shè)置加腋。

2.1.2 折板式

如圖3（b）所示，該結(jié)構(gòu)形式截面的利用率較高，結(jié)構(gòu)整體性較好，受力模式較好，結(jié)構(gòu)形式較簡(jiǎn)單，施工較方便，綜合考量是一個(gè)良好的結(jié)構(gòu)形式。折板式斷面隨著折板折起角度增大，頂板彎矩呈減少的趨勢(shì)，底板彎矩呈增大趨勢(shì)，頂板剪力呈減少的趨勢(shì)，底板剪力呈增大趨勢(shì)；隨著折板跨度的增大，頂板彎矩逐漸減少，底板彎矩逐漸增大[5]。對(duì)凈跨10m 左右的兩車道隧道，當(dāng)覆土厚度超過(guò)5m 時(shí)，采用平頂式斷面形式已不再經(jīng)濟(jì)合理，此時(shí)如果采用折板結(jié)構(gòu)，折板高度為1.0m～1.5m，當(dāng)減少覆土厚度為4.0～5.0m 時(shí)，折板結(jié)構(gòu)最經(jīng)濟(jì)合理[6]。4.0～5.0m 的覆土可以保證過(guò)街管線的正常敷設(shè)。折板結(jié)構(gòu)由于凈空較大，一般不設(shè)置在隧道暗埋段起點(diǎn)，如果隧道暗埋段起點(diǎn)采用該斷面形式，就會(huì)增加敞開(kāi)段里程及埋深，并不合理[7]。折板式常見(jiàn)于中隧道覆土較深處，與平頂式配合設(shè)置可以得到較合理的隧道縱斷面布置形式。3）圓頂式，如圖3（c）所示。該結(jié)構(gòu)形式優(yōu)點(diǎn)是拱形結(jié)構(gòu)主要承受軸向壓力，其中彎矩和剪力都較小，受力模式好，工程材料用量少。其缺點(diǎn)一是截面利用率低，圓頂下大部分區(qū)域沒(méi)有利用價(jià)值，同時(shí)圓頂會(huì)占用過(guò)多的地下空間，城市地面道路下管線敷設(shè)較多，可能會(huì)對(duì)管線敷設(shè)有影響；缺點(diǎn)二是結(jié)構(gòu)整體性差，直墻與拱頂相交處不易同時(shí)施工，增加結(jié)構(gòu)滲漏水風(fēng)險(xiǎn)；缺點(diǎn)三是拱頂施工困難，頂板支架高低錯(cuò)落，頂板底模板需要預(yù)制，頂板橫向鋼筋不易制作，大大增加了隧道頂板現(xiàn)場(chǎng)的施工難度。隨著預(yù)制結(jié)構(gòu)的普及，可以明顯改善拱形結(jié)構(gòu)的整體性及施工難度，例如上海軌道交通15 號(hào)線吳中路站項(xiàng)目運(yùn)用預(yù)制+現(xiàn)澆疊合拱殼的工藝體系，該工藝體系不僅應(yīng)用了預(yù)制裝配式構(gòu)件，釋放了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)空間，提高了施工效率，而且通過(guò)現(xiàn)澆疊合層較好地解決了預(yù)制裝配式節(jié)點(diǎn)防水的問(wèn)題。4）梁板式，如圖3（d）所示。該結(jié)構(gòu)形式截面利用率較高，施工較方便，經(jīng)過(guò)對(duì)比計(jì)算，對(duì)凈跨10m 左右的隧道，當(dāng)覆土厚度為3.0m 以下時(shí)，頂板鋼筋混凝土用量可以顯著減少，當(dāng)覆土厚度大于4.0m 時(shí)，框架梁須做得又高又密，侵占過(guò)多空間且并不經(jīng)濟(jì)。綜合考慮，梁板式結(jié)構(gòu)的各方面優(yōu)勢(shì)都不明顯，對(duì)跨度不大的隧道實(shí)際應(yīng)用較少。對(duì)大跨度淺覆土情況來(lái)說(shuō)，該斷面適用性好，某工程隧道交匯處單跨結(jié)構(gòu)跨度為20.5m，采用密肋梁板結(jié)構(gòu)，梁尺寸為0.8m×2.4m，間距為3.0m，板厚0.3m。因此梁板式結(jié)構(gòu)適用性的控制因素是頂板荷載，頂板荷載較小時(shí)普遍適用，當(dāng)頂板荷載較大時(shí)適用性很差。5）變截面，如圖3（e）所示。該形式是加腋平頂式的改進(jìn)做法，通過(guò)減少頂?shù)装蹇缰惺軌簠^(qū)厚度以達(dá)到減少混凝土用量的目的，該斷面形式有一定的合理性，在工程造價(jià)受限的情況下可采用該方法優(yōu)化結(jié)構(gòu)；其缺點(diǎn)是底板變截面在基坑開(kāi)挖時(shí)難以控制，板內(nèi)鋼筋彎折較多，施工操作復(fù)雜[8]。

2.2 受力形式及工程用量對(duì)比

由于直墻平頂式隧道和直墻折板式隧道是最常用的2種模式，因此對(duì)這兩種斷面形式進(jìn)行受力分析以比較其適用性。兩種模式的基本荷載情況見(jiàn)表1 和表2。

表1 平頂式荷載計(jì)算表

表2 折板式荷載計(jì)算表

平頂式斷面受力包絡(luò)圖如圖4 所示。

圖4 平頂式斷面受力包絡(luò)圖

平頂式斷面結(jié)構(gòu)彎矩配筋計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 平頂式斷面彎矩配筋計(jì)算表

折板式斷面受力包絡(luò)圖如圖5 所示。

圖5 折板式斷面受力包絡(luò)圖

折板式斷面結(jié)構(gòu)彎矩配筋計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 折板式斷面彎矩配筋計(jì)算表

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，折板結(jié)構(gòu)和平頂結(jié)構(gòu)相比，底板受力略大，側(cè)墻受力相當(dāng)，頂板受力略小。當(dāng)覆土厚度由6.0 m 增至7.0 m 時(shí)，結(jié)構(gòu)形式由平頂式變?yōu)檎郯迨?，板厚須增?.1 m～0.2 m，配筋面積大致相同且配筋構(gòu)造合理。綜合考慮，當(dāng)頂板覆土較淺時(shí)，采用平頂式隧道，當(dāng)頂板覆土較厚時(shí)，采用折板式隧道是合理的選擇。

3 其他暗埋段結(jié)構(gòu)形式

隧道暗埋段結(jié)構(gòu)布置形式在隧道覆土較高（一般覆土大于4.0 m）或單孔結(jié)構(gòu)凈跨較大（三車道以上）時(shí)，常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)布置形式如圖6 所示。 1）雙層或多層矩形閉合框架結(jié)構(gòu)，如圖6（a）所示。該形式是高覆土隧道最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)布置形式，有時(shí)因?yàn)樗淼郎戏叫枰浇ㄆ渌Y(jié)構(gòu)也可以采用該形式，例如隧道上方附建地下綜合管理或隧道地下設(shè)備用房。該結(jié)構(gòu)斷面形式最大的缺點(diǎn)是斷面利用率低，上層框架絕大多數(shù)情況下僅用作減少覆土厚度，僅局部可將該結(jié)構(gòu)空腔用作隧道管理中心用房，浪費(fèi)了寶貴的地下空間。2）杭州市亞運(yùn)村片區(qū)平瀾路隧道和奔競(jìng)大道隧道將部分上層結(jié)構(gòu)空腔用作地下綜合管廊，如圖6（b）所示，該模式大大提高了斷面利用率，值得隧道與地下綜合管廊共建道路借鑒。該斷面形式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)整體性好，結(jié)構(gòu)自防水性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，挖掘斷面經(jīng)濟(jì)且易于施工。3）空心板式如圖6（c）所示。該形式是加腋平頂式斷面和折板式斷面的改進(jìn)模式，其核心特點(diǎn)是利用空心板以減輕頂板自重，同時(shí)可以基本保證頂板的抗彎剛度，該斷面結(jié)構(gòu)受力模式合理。其缺點(diǎn)是空心區(qū)域須每隔一段距離設(shè)置一道橫向肋板且空心區(qū)域與頂板底間需設(shè)置排水管以排出空心區(qū)域的滲漏水，現(xiàn)場(chǎng)施工存在困難。4）預(yù)應(yīng)力梁板式，如圖6（d）所示。該結(jié)構(gòu)形式在大跨度隧道結(jié)構(gòu)中比普通混凝土結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。某火車站地下通道為地下一層框架結(jié)構(gòu)，地下通道橫向采用12.0m+21.0m+12.0m 三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，預(yù)應(yīng)力筋通長(zhǎng)布設(shè)。普通混凝土梁截面須做到2.0m×3.0m，采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁截面僅須做到2.2 m×2.2 m，同時(shí)鋼筋用量減少35.6%，跨中撓度減少39.6%，但預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)施工稍復(fù)雜。隨著預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在地下空間運(yùn)用的普及，大跨度預(yù)應(yīng)力梁板式隧道必將越建越多。

圖6 暗埋段結(jié)構(gòu)形式（二）

4 結(jié)語(yǔ)

明挖法隧道敞開(kāi)段結(jié)構(gòu)形式有擋墻式和U 型槽式，擋墻式適合建在紅線范圍充足的填方區(qū)，其材料工程量較少；其他情況一般來(lái)說(shuō)采用U 型槽式較合理。明挖法隧道暗埋段最常見(jiàn)、應(yīng)用最廣的斷面形式是加腋平頂式，其整體性好，施工方便，隧道跨徑較小且覆土較淺情況下可優(yōu)先選用；跨徑較小且覆土較深時(shí)可采用直墻折板式斷面，該斷面可有效降低覆土深度1.0 m～2.0 m，折板式斷面綜合屬性良好。拱頂式斷面受力情況最優(yōu)，但其缺點(diǎn)明顯，一是占用過(guò)多地下空間，二是整體性差，三是施工復(fù)雜，因此應(yīng)用較少。隨著預(yù)制結(jié)構(gòu)的發(fā)展，該斷面形式也會(huì)有所應(yīng)用。梁板式結(jié)構(gòu)在覆土較淺時(shí)經(jīng)濟(jì)性良好，當(dāng)覆土過(guò)大時(shí)并不適用，對(duì)淺覆土、大跨度隧道可采用密肋梁板式結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力梁板式結(jié)構(gòu)。深覆土隧道可在隧道上方加設(shè)結(jié)構(gòu)空腔以減少覆土重度，但該形式截面利用率過(guò)低。