探讨平顶隧道在城市中洞口的设计.doc

1、探讨平顶隧道在城市中洞口的设计摘要：在城市中平顶的隧道的应用有很大的空间，但是在城市的环境中需要考虑到隧洞的各个情况。结合工程实例，介绍了城市中平顶隧道洞口的进出口结构的特点，阐述了设计方案的确定过程，并对结构中的一些细节构造处理进行了介绍，为今后同类型的工程设计提供参考。 关键词：平顶隧道钢纤维混凝土洞口设计 中图分类号：U45 文献标识码： A 文章编号： 城市道路中穿越山岭的隧道类似于公路隧道,可以利用公路隧道相关的设计及施工规范,但与此同时,城市道路隧道因其所在区域的特殊性,在设计过程中会遇到一般公路隧道中较少涉及的问题，结合实际的情况对平面隧道的进出口的设计进行了初步的分析。 1 工

2、程概况 中心区地下联系通道工程区域内城市主干路、其他地下隧道以及各建筑场馆相互贯通，将为该区域提供方便、优质的交通条件，净化区域内地面交通，创造良好的空间环境。主通道全长为 5.5 km。主体为单向三车道，设计行车速度为 30 km/h。隧道平均埋深 67 m，主体结构位于第四纪沉积层内。地势相对平缓，平均坡度约为 1，地面标高4247m。抗浮设计水位标高为 41.043.0m。结构净宽 12.25 m，净高5.35 m。施工方式为明开挖，结构形式为平顶闭合框架结构。该项目的设计难点有： 1）工期紧。2）荷载大，而且对结构耐久性有特殊要求，所以不能配预应力钢束。3）跨度大。标准断面净跨 12.

3、45 m，最大净跨 15.5 m。4）非常规结构较多。5）管线复杂，空间受限制较多。 以上因素综合在一起，使得工程的设计工作相当复杂。 2 结构形式的确定 通道主体结构在确定方案时对拱形和平顶两种结构形式进行了比较。其中：从结构受力性能来讲，拱形结构明显优于平顶结构，但是拱形结构占空间较多，不能满足行车净空和上部铺装管线要求；而平顶结构占空间较少，施工也较方便，开口接缝位置的处理也较拱形结构简易。所以主体结构形式定为现浇钢筋混凝土平顶闭合框架结构。 进出口也采用平顶结构，并将相关建筑侧墙沿道路行车边线作成弧形，向外延伸至规划红线外与外围建筑结构相接；利用道路边线在开口中心形成的无车区域（见图

4、1） ，做一适合该区域形状的三角形墩柱，这样既满足了行车的要求，同时将结构开口的跨度缩小了一半，较好地解决了开口跨度过大、结构受力复杂的问题。 图 1 进出口行车道划分示意图 3 进出口设计方案的确定 地下结构按其埋深可以划分为浅埋式和深埋式两大类。所谓浅埋式，是指覆盖土层较薄，不满足压力成拱条件，一般埋深在 510 m 的地下结构。该类地下结构多采用明挖法施工。该工程平均埋深在 67 m 之间，属于浅埋式地下结构；而且由于工期较紧，暗挖施工难以满足要求；另外，邻近场馆的大面积开挖也方便同槽施工。最后确定该工程主要采用明挖法施工。对于该工程进出口的结构形式，共对 3 种设计方案进行了对比。 平

5、顶直墙式结构和其他两种方案相比，虽然从结构受力上并无太多优势，但它的优点也是显著的： 1）对于采用明挖法施工的地下结构，该方案的挖掘断面最为经济，且易于施工。 2）隧道的内外围形状比较规则，便于空间的利用 和外围防水的施做。 3）施工方法常规，工程进度较快。 从工程整体考虑，经过详细比较分析，最终选择了平顶直墙式的设计方案。 4 结构设计 4. 1 设计原则 结构设计时，除遵守相关规范要求外，还需根据工程特点而遵守以下原则： 1）考虑到景观及工程重要性，通道防水等级为一级，结构抗渗等级不低于 S8； 2）地表水平向地震动峰值加速度为 0.2 g，并采取相应的构造措施，以提高结构的整体抗震能力；

6、 3）结构按 6 级人防的抗力标准设计； 4）隧道为一类，承重结构体耐火极限不低于 2.0 h； 5）主体结构混凝土构件裂缝宽度不大于 0.2 mm； 6）受除冰盐影响段按公路桥涵类环境区进行结构耐久性设计，其余按类环境设计； 7）结构进行抗浮验算，不计侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于 1.05。 4. 2 设计荷载的确定 计算荷载考虑结构自重、土压力荷载、水压力荷载、配重钢渣、活载和混凝土收缩徐变（按整体降温 20 考虑） 。其中活载采用 30 角扩散到结构上并等代为均布荷载进行计算。 1）混凝土结构重力密度取 26.5 kN/m3。 2） 回填土的干密度及饱和密度取 19 kN/m3

7、及 20.2 kN/m3。 由于部分开口上部覆土较厚，单靠结构本身承载较不经济，因此对覆土进行了轻质换填处理，使结构上方的总荷载集度相当于 5 m 厚覆土的质量。所用轻质材料的干密度为 5 kN/m3，饱水状态下密度为 6.5 kN/m3。 3）隧道所处土层主要为黏土层，侧土压力采用水土合算： Pa=htg2。 式中： 为土的饱和密度，取 20.3 kN/m3；h 为结构埋深； 为土的内摩擦角，取 25 。 4）场区内抗浮水位普遍位于现况地面下 0.5 m 左右，设计最高抗浮水位按现况地面下 0 m 考虑，偏于安全。 5）汽车荷载根据实际位置（按城-A 荷载）进行计算，荷载在结构上部覆土中的扩

8、散角按 30 考虑。 6）考虑到复杂因素较多，如地面临时堆载、临近建筑物施工影响等，因此设计时考虑 1 m 覆土的超载施加在结构顶板上。 4. 3 结构细节处理 4. 3. 1 计算分析 进出口由于要满足车库进出车辆的行车要求，结构跨度比较大，且为异形，双向的空间作用使顶、底板受力分布较不均匀，局部内力集中现象明显，特别是中柱支撑点的位置，计算时顶底板的弯矩出现了较高的峰值，组合弯矩达 10 800 kN?m，而该区域是结构设计时需要考虑的，所以，计算模型中对该区域按顶、底板的受力方向详细地划分了模型单元，并进行了核算。 4. 3. 2 顶底板抗冲切设计 在计算时，中柱反力过大十分突出，其直接

9、的原因就是结构上部荷载较大；另外就是因为通道两侧侧墙上的土压力不对称所致。两侧不均匀的侧向力，使结构受到朝开口方向的推力 Q。墩柱在承受上部荷载的同时，还要平衡侧推力，其受力情况见图 3、4。计算柱顶总反力为 26 935 kN。由于作用在顶底板上的柱端反力较大，而混凝土板的冲切是一种突然性的局部破坏，常导致相邻构件、甚至整个结构因承载力不够而发生连锁损坏，故顶底板抗冲切问题就成为设计中的重点和难点。 图 3 侧土压力分布图 图 4 中柱受力示意图 经计算，柱端顶板的抗冲切承载力为 16 770 kN，不满足承载要求。目前，对于钢筋混凝土平板抗冲切性能的改善，一般主要通过两种途径：其一是增加板

10、的厚度；其二就是加大板中抗冲切钢筋的配置。但这两种方法在该工程中均遇到了困难。一方面，由于隧道内净空和上方市政管线的限制，加大顶板厚度受到很大制约；另一方面，为了抵抗柱端区域的弯剪作用，已经配置了大量的钢筋，如再增加钢筋，将会使该区域钢筋过于密集，施工难度很大，反而会影响节点混凝土质量，导致承载力下降。为此，该工程对应不同位置采用以下特殊方法来提高结构的抗冲切能力： 1）增加柱端加腋的尺寸。 2）在顶板受冲切区域采用高强钢纤维混凝土，其中钢纤维混凝土采用的钢纤维体积掺量为 1.5 %，长细比为 354-5。其浇注范围见图 5。 图 5 钢纤维浇注范围示意图 3）在底板受冲切区域局部增加板厚。 4. 3. 3 “暗梁”的设置 在柱顶区域沿主隧道方向设置一道暗梁，使中柱、侧墙通过暗梁形成一个框架构造，减小由于侧墙开口对顶板造成的不利影响。 5 总结 地下联系通道工程在设计阶段初期，对城市隧道的设计进行了深入全面的探索，并在结构设计中采取了很多有针对性的措施，达到了良好的设计效果。目前竣工后的主体结构状态正常。该工程进出口结构的设计，重点从方案选择、设计处理等方面进行了总结，希望能为同类工程提供参考。