城市明挖隧道结构设计技术要点探析

城市明挖隧道结构设计技术要点探析

陈平安

陈平安

浙江西城工程设计有限公司杭州310000

摘要：伴随当前城市化建设发展速度不断加快，城市地下空间建设逐步开发，城市隧道成为了城市建设发展中的重要工程之一。对城市明挖隧道的结构设计，结构理论成熟，但缺乏行业规范的指导，本文就针对城市明挖隧道结构设计技术要点分析，阐述隧道结构设计方法，以供相关技术人员参考借鉴。

关键词：明挖隧道；结构设计；要点分析

伴随当前城市化建设发展速度不断加快，城市地下空间建设逐步开发，同时居民对城市景观的质量要求不断提升，越来越多的城市快速路以及城市主干道路开始采用地下隧道施工方案。城市隧道建设技术逐步成熟，如盾构法、沉管法、矿山法和明挖法，城市明挖道路隧道对道路下覆土要求小、建设工期短、施工作业质量可控等优点，在城市建设中广泛使用，如杭州彩虹快速路隧道萧山段和滨江段、余杭塘路隧道、紫金港隧道及众多城市下穿交叉口的短隧道工程。城市明挖隧道多采用矩形箱涵的隧道结构，受力构建计算体系较为简单。城市明挖隧道受力体系明确，结构设计采用概率理论为基础的极限状态设计法。但城市明挖隧道缺乏设计规范标准，虽然《城市地下道路工程设计规范》（CJJ221-2015）对城市道路隧道路线有相关明确，但对结构设计计算缺乏城市建设行业规范的指导，各设计单位多参考公路、铁路、地铁、电力等其他行业规范和自身设计经验或借鉴其他个别城市的地方性建设规范，对各设计系数的取值不尽一致。本文结合参与项目及类似项目经验对城市明挖隧道结构设计技术要点予以探讨。

1.明挖隧道结构设计要求

《城市地下道路工程设计规范》明确城市地下道路主体结构设计使用年限为100年。主体结构安全等级为一级，结构计算、验算主要以符合：1）按承载能力极限状态进行结构构建的承载力计算和整体稳定（倾覆、滑移、抗浮）验算，并进行结构构件抗震承载力验算等。2）按正常使用极限状态进行结构的变形验算、裂缝宽度验算等。

对明挖隧道的抗浮验算要求施工期间由于施工降水作业不考虑抗浮，使用阶段对结构自重、上覆土层压重等对抗浮安全系数予以验算，在不考虑侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于1.05，当适当考虑侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于1.10。当结构抗浮不能满足要求时，可通过适当增设配重、结构厚度或抗拔桩等方式满足抗浮稳定。城市明挖隧道抗浮计算水位应结合地下水条件、城市洪水位及城市路面标高综合确定。

对明挖隧道的主体钢筋混凝土构件正截面的裂缝控制等级一般为三级，即允许出现裂缝，正常使用极限状态验算的明挖结构按荷载标准组合或准永久组合并考虑长期作用影响计算的最大裂缝宽度允许值≤0.2mm。

2.明挖隧道结构设计计算

针对明挖隧道结构内力计算和配筋验算，一般沿纵向取单位长度按底板支承在弹性地基上的平面应变模型进行计算，计算采用岩土、隧道结构专用有限元分析软件MIDAS/GTSNX或SAP2000进行计算。

明挖隧道结构断面计算简图

设计荷载中竖向土压力一般按计算截面以上全部土柱重量考虑，地面超载一般取20kPa～30kPa。水平土压力在使用阶段，结构承受的水平土压力宜按静止土压力进行计算，除淤泥质土、粘土采用水土合算外，其余按水土分算。作用在地下结构上的水压力，按静水压力计算，若水位变化较大的情况可按常水位的静水压力作为永久荷载，水位变化差的静水压力作为可变荷载。

本次结合杭州彩虹快速路萧山段项目分别对某一U型槽隧道结构和暗埋隧道结构断面予以内力计算，承载能力极限状态荷载基本组合：1.35恒载＋1.4组合值系数0.75活载，正常使用极限状态荷载准永久组合：1.0恒载＋1.0准永久值系数0.6活载。

U型槽结构模型计算（抗拔桩）暗埋结构模型计算

通过模型计算内力弯矩、剪力、轴力，对结构壁厚、结构配筋予以核算，满足极限承载力及裂缝宽度计算要求。同时对地震作用下隧道结构的强度和变形验算。如荷载或结构变化较大可利用三维结构模型予以分析。

3.明挖隧道结构设计布置

城市明挖隧道一般线路长，沿线地层条件、结构形式和荷载条件多变，一般间隔20-30米设置变形缝，以降低地基变形、混凝土收缩及温度变化的内力及变形影响。

城市明挖隧道主体结构耐久性设计结合地下隧道所处环境类别予以确定，隧道结构混凝土等级不低于C35，结构外墙迎土/水面保护层厚度不小于35mm，对总碱、氯离子含量不应超过相关规范要求。

城市隧道工程基本属于市政公用行业建设，明挖隧道建设时还应考虑对已建工程、规划建设工程的相互影响，尽量减小前后工程建设引起附加荷载增加、地基变形、卸土上浮变形等影响。

4.结束语：

通过本文对城市明挖隧道结构设计技术要点分析和探讨，城市明挖隧道作为市政公用行业建设的主要工程，缺乏建设部门的行业规范指导，本文通过对自身参与项目设计总结明挖隧道结构设计的要求及思路。城市隧道工程的建设对周边相关工程建设相互影响，建议行业部门及地方尽早对城市隧道作以规范指导和对建成隧道的保护规定，便于隧道结构设计人员统一认识。

参考文献：

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[2]魏立新，刘芳，陈艳平．广州市城市车行隧道建设技术现状及展望[J]．隧道建设，2007，27(2):4．

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