211287326_明挖法施工城市隧道断面形式及其合理应用范围

随着社会的发展，人们对安全高效地出行有了更高的需求，这促进了城市立体交通的发展。

城市地下道路具有噪声小、不影响城市景观等优点。

该文介绍常见的明挖暗埋法施工的城市地下道路断面形式，并分析其优缺点。

城市地下道路以单向两车道、双向四车道及双向六车道居多；由于各条隧道的道路等级、车行道宽度、路缘带和安全带宽度及建筑限界外设备带留宽不同，即使车道数相同，单孔结构净宽也存在差异，一般两车道单孔结构净宽约10m，三车道单孔结构净宽约13m，四车道单孔结构净宽约16.5m，在隧道紧急停车港湾处结构净宽增加3m，在隧道交汇处，例如主线隧道和匝道交叉口局部结构净宽可达20m以上；由于各条隧道顶板形状、顶部设备带留宽、是否架设射流风机以及是否需要抬高顶板卸荷等原因，各条隧道净高也不同，以6m~8m居多[1]；由于各条隧道长度不同、隧道纵坡以及是否需要避让其他地下结构等原因，不同城市明挖隧道、同一隧道不同位置覆土厚度差异很大。

综上所述，如何选择合理的隧道断面形式是重要问题。

1 敞开段结构形式
隧道敞开段结构形式较少，一般包括挡土墙式和U型槽式，如图1所示。

1.1 结构适用性
挡土墙式敞开段结构形式在墙后覆土厚度较小时可采用L型挡土墙，墙后覆土较大时可采用扶壁式挡土墙，如图1（a）所示，其优点是节省材料，预制化程度高，施工方便
明挖法施工城市隧道断面形式及其
合理应用范围
王 岩
（1.同济大学，上海 200125；2.同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200125）
摘 要：城市明挖隧道单孔跨径变化范围很大，从单车道（例如匝道）到四、五车道（隧道交汇处）单孔跨径可为5 m~20 m，同时城市地下环境复杂、隧道长度不同，为满足隧道纵坡及地下管线等埋设要求，隧道覆土深度变化很大，其断面的结构形式也不同，因此需要选择合理的断面结构形式；该文以荷载结构法计算结构为依据，介绍各种跨径、各种埋深情况下隧道断面的布置形式及其合理性。

关键词：城市明挖隧道；断面形式；暗埋段；敞开段
中图分类号：U 455 文献标志码：A
打孔时间下的烟支通风率均值对标准偏差的显著性。

表2 不同打孔时间下的烟支通风率均值对标准偏差的显著性评价
指标
差异源df（自由度）SS（方差）MS（均方差）F值P值
组间23054.553054.551756450.0000
组内148258.85 1.75
总计1503313.40
通过图4可知，烟支滤棒通风率与在线激光打孔时间呈一次线性关系，当打孔时间增加时，滤棒通风率的均值也随之增大。

在方差分析中，对应回归项的P值=0.000＜0.05，可判定拟合模型有效，说明不同打孔时间下的烟支通风率均值对标准偏差的影响较为显著。

3 结论
根据上述试验与分析，并将分析结果在其他同类设备及同类产品上进行相关验证，可以得出以下结论：1）烟支滤棒通风率与卷烟机拨烟轮、打孔轮间距呈二次函数关系，生产中必须根据产品的设计调整卷烟机拨烟轮与打孔轮的间距，以降低烟支滤棒通风率的标准偏差，减少该指标的波动，提高烟支滤棒的通风率稳定性及感官质量。

2）烟支滤棒通风率与在线激光打孔时间存在线性关系，随着在线激光打孔时间的增加，烟支滤棒通风率也会随之增大。

在实结合设备状况，通过梯度试验选择合适的打孔时间。

在进行卷烟通风度的研究过程中，应针对不同影响因素采用不同的试验分析方法对各个参数进行试验分析，找出影响烟支通风率的最主要的影响因素，进行有针对性的改进，不断提高产品质量的稳定性。

参考文献
[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.卷烟 第4部分：感官技术要求：GB 5606.4—2005[S].北京：中国标准出版社，2005：3-4.
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通信作者：王贺伟（1978-），男，河南漯河人，本科，工程师，广西中烟工业有限责任公司，研究方向为设备技术与管理。

快捷；其缺点一是若在挖方区施工，挖土方量大，尤其是挖深较大时，若采用排桩式围护结构，会增加围护结构工程量，缺点二是一般城市地下道路红线范围较小，挡墙踵板过长易侵占红线且挡墙扶壁占用地下空间过大，不利于地下管线敷设；因此隧道敞开段采用挡土墙式在市区应用情况较少，隧道下穿公园或校园等情况下有条件时可采用，填方区尤其适合[2-3]。

U型槽式是最常见的隧道敞开段结构形式，如图1（b）所示，其优点是结构整体性好，占用空间较小；当地下水位较高时，须在侧墙外加设挑板或设置抗浮桩以满足抗浮要求，因此其缺点是工程量大。

1.2 工程用量对比
现比较挡土墙式和U型槽式隧道敞开段结构主要材料用量，以敞开段结构净高6.0 m，结构净宽26.0 m，墙外覆土4.5 m高为例，通过荷载结构法按现行规范进行验算，敞开段结构典型壁厚和配筋断面如图2所示，挡土墙式每延米混凝土用量27.9 m3，钢筋用量2842.2 kg；U型槽式每延米混凝土用量15.7 m3，钢筋用量2370.8 kg。

对该形式断面来说，U型槽式结构比挡土墙式结构节省混凝土用量43.7%，节省钢筋用量16.6%。

2 普通暗埋段结构形式
隧道暗埋段结构布置形式较多，当隧道覆土较少（一般覆土小于4 m）且单孔结构净跨较小（两车道和三车道隧道）时，常见的结构布置形式如图3所示。

2.1 结构适用性
2.1.1 加腋平顶式
如图3（a）所示。

该断面优点一是截面利用率高，如图3（f）所示，采用加腋平顶式可有效利用隧道净
空，由于隧道建筑限界顶部也有腋角，结构加腋对占
用隧道空间影响较小；优点二是结构整体性好，结构
自防水性能优良；优点三是结构形式简单，挖掘断面
经济且易于施工。

加腋平顶式断面其缺点是结构形式
笨重，钢筋混凝土材料用量大；对高覆土、大跨度隧
道断面不是最优选择，由于平板式结构自重大，增大板厚的同时也增大了结构自重[4]，盲目增加板厚已不能有效地解决承载力及裂缝验算不通过等问题，对超大跨径结构断面来说，增加的结构顶板厚度提供的抗力不能抵消其自重增加的内力值。

对腋角的尺寸来说，其高宽比控制在1∶3为宜，当腋角过小时，可适当增加腋角高度，因为在设有腋角的框架结构中，进行截面验算时，杆件两端的截面计算高度采用h+S/3，h为构件截面高度，S为平行于构件轴线方向的腋角长度；腋角超过S/3部分并不参与计算，因此腋角应设置为缓坡形式。

在对闭合框架进行受力计算时，直接计算构件轴线相交处的内力，支座边缘截面的弯矩可按公式（1）计算。

2
02
2
2
+
×
−
=
b
q
b
Q
M
M
（1）式中：M为支座边缘截面弯矩；M0为构件轴线相交处弯矩；Q
为构件轴线相交处剪力；b为支座宽度；q为均布荷载。

支座边缘截面的剪力可按公式（2）计算。

b
q
Q
Q×
−
=
2
（2）因此合理布置腋角可使最不利截面由侧墙边缘转移至内力较小的腋角边缘，计算表明，当腋角高度为顶板厚度的35%时，截面配筋量可减少10%左右。

对隧道截面采用直墙平顶式时，均设置加腋。

2.1.2 折板式
如图3
（b）所示，
该结构形式截面的利用率较高，结构（a）挡土墙式配筋
（b）U型槽式配筋
（a）挡土墙式（b） U型槽式
图1 敞开段结构形式
整体性较好，受力模式较好，结构形式较简单，施工较方便，综合考量是一个良好的结构形式。

折板式断面随着折板折起角度增大，顶板弯矩呈减少的趋势，底板弯矩呈增大趋势，顶板剪力呈减少的趋势，底板剪力呈增大趋势；随着折板跨度的增大，顶板弯矩逐渐减少，底板弯矩逐渐增大[5]。

对净跨10m 左右的两车道隧道，当覆土厚度超过5m 时，采用平顶式断面形式已不再经济合理，此时如果采用折板结构，折板高度为1.0m~1.5m ，当减少覆土厚度为4.0~5.0m 时，折板结构最经济合理[6]。

4.0~5.0m 的覆土可以保证过街管线的正常敷设。

折板结构由于净空较大，一般不设置在隧道暗埋段起点，如果隧道暗埋段起点采用该断面形式，就会增加敞开段里程及埋深，并不合理[7]。

折板式常见于中隧道覆土较深处，与平顶式配合设置可以得到较合理的隧道纵断面布置形式。

3）圆顶式，如图3（c ）所示。

该结构形式优点是拱形结构主要承受轴向压力，其中弯矩和剪力都较小，受力模式好，工程材料用量少。

其缺点一是截面利用率低，圆顶下大部分区域没有利用价值，同时圆顶会占用过多的地下空间，城市地面道路下管线敷设较多，可能会对管线敷设有影响；缺点二是结构整体性差，直墙与拱顶相交处不易同时施工，增加结构渗漏水风险；缺点三是拱顶施工困难，顶板支架高低错落，顶板底模板需要预制，顶板横向钢筋不易制作，大大增加了隧道顶板现场的施工难度。

随着预制结构的普及，可以明显改善拱形结构的整体性及施工难度，例如上海轨道交通15号线吴中路站项目运用预制+现浇叠合拱壳的工艺体系，该工艺体系不仅应用了预制装配式构件，释放了现场作业空间，提高了施工效率，而且通过现浇叠合层较好
地解决了预制装配式节点防水的问题。

4）梁板式，如图
3（d ）所示。

该结构形式截面利用率较高，施工较方便，经过对比计算，对净跨10m 左右的隧道，当覆土厚度为3.0m 以下时，顶板钢筋混凝土用量可以显著减少，当覆土厚度大于4.0m 时，框架梁须做得又高又密，侵占过多空间且并不经济。

综合考虑，梁板式结构的各方面优势都不明显，对跨度不大的隧道实际应用较少。

对大跨度浅覆土情况来说，该断面适用性好，某工程隧道交汇处单跨结构跨度为20.5m ，采用密肋梁板结构，梁尺寸为0.8m ×2.4m ，间距为3.0m ，板厚0.3m 。

因此梁板式结构适用性的控制因素是顶板荷载，顶板荷载较小时普遍适用，当顶板荷载较大时适用性很差。

5）变截面，如图3（e ）所示。

该形式是加腋平顶式的改进做法，通过减少顶底板跨中受压区厚度以达到减少混凝土用量的目的，该断面形式有一定的合理性，在工程造价受限的情况下可采用该方法优化结构；其缺点是底板变截面在基坑开挖时难以控制，板内钢筋弯
折较多，施工操作复杂[8]。

2.2 受力形式及工程用量对比
由于直墙平顶式隧道和直墙折板式隧道是最常用的2种模式，因此对这两种断面形式进行受力分析以比较其适用性。

两种模式的基本荷载情况见表1和表2。

表1 平顶式荷载计算表
侧压力系数0.5地面超载20 kN/m 覆土厚度 6.0 m 车辆活载20 kN/m 表2
折板式荷载计算表
侧压力系数0.5地面超载20 kN/m 覆土厚度
7.0 m
车辆活载
20 kN/m
平顶式断面受力包络图如图4所示。

（a）加腋平顶式 （b）折板式
（c）圆顶式（d）梁板式
（e）变截面
（f） 建筑图
平顶式断面结构弯矩配筋计算结果见表3。

折板式断面受力包络图如图5所示。

折板式断面结构弯矩配筋计算结果见表4。

根据上述计算结果可知，折板结构和平顶结构相比，底板受力略大，侧墙受力相当，顶板受力略小。

当覆土厚度由6.0 m增至7.0 m时，结构形式由平顶式变为折板式，板厚须增加0.1 m~0.2 m，配筋面积大致相同且配筋构造合理。

综合考虑，当顶板覆土较浅时，采用平顶式隧道，当顶板覆土较厚时，采用折板式隧道是合理的选择。

3 其他暗埋段结构形式
隧道暗埋段结构布置形式在隧道覆土较高（一般覆土大于4.0 m）或单孔结构净跨较大（三车道以上）时，常
见的结构布置形式如图6所示。

1）双层或多层矩形闭合框架结构，如图6（a）所示。

该形式是高覆土隧道最常见的结构布置形式，有时因为隧道上方需要附建其他结构也可以采用该形式，例如隧道上方附建地下综合管理或隧道地下设备用房。

该结构断面形式最大的缺点是断面利用率低，上层框架绝大多数情况下仅用作减少覆土厚度，仅局部可将该结构空腔用作隧道管理中心用房，浪费了宝贵的地下空间。

2）杭州市亚运村片区平澜路隧道和奔竞大道隧道将部分上层结构空腔用作地下综合管廊，如图6（b）所示，该模式大大提高了断面利用率，值得隧道与地下综合管廊共建道路借鉴。

该断面形式的优点是结构整体性好，结构自防水性能优良，结构形式简单，挖掘断面经济且易于施工。

3）
空心板式如图
6（
c）所示。

该形式是（a）双层框架
（b）隧道与综合管廊合建
（c）空心板式
（d）预应力梁板式
（a）弯矩包络图
（b）剪力包络图
图4 平顶式断面受力包络图
（a）弯矩包络图 （b）剪力包络图
图5 折板式断面受力包络图
加腋平顶式断面和折板式断面的改进模式，其核心特点是利用空心板以减轻顶板自重，同时可以基本保证顶板的抗弯刚度，该断面结构受力模式合理。

其缺点是空心区域须每隔一段距离设置一道横向肋板且空心区域与顶板底间需设置排水管以排出空心区域的渗漏水，现场施工存在困难。

4）预应力梁板式，如图6（d）所示。

该结构形式在大跨度隧道结构中比普通混凝土结构具有明显的优势。

某火车站地下通道为地下一层框架结构，地下通道横向采用12.0m+21.0m+12.0m三跨预应力混凝土连续梁，预应力筋通长布设。

普通混凝土梁截面须做到2.0m×3.0m，采用预应力混凝土梁截面仅须做到2.2 m×2.2 m，同时钢筋用量减少35.6%，跨中挠度减少39.6%，但预应力混凝土结构施工稍复杂。

随着预应力结构在地下空间运用的普及，大跨度预应力梁板式隧道必将越建越多。

4 结语
明挖法隧道敞开段结构形式有挡墙式和U型槽式，挡墙式适合建在红线范围充足的填方区，其材料工程量较少；其他情况一般来说采用U型槽式较合理。

明挖法隧道暗埋段最常见、应用最广的断面形式是加腋平顶式，其整体性好，施工方便，隧道跨径较小且覆土较浅情况下可优先选用；跨径较小且覆土较深时可采用直墙折板式断面，该断面可有效降低覆土深度1.0 m~2.0 m，折板式断面综合属性良好。

拱顶式断面受力情况最优，但其缺点明显，一是占用过多地下空间，二是整体性差，三是施工复杂，因此应用较少。

随着预制结构的发展，该断面形式也会有所时并不适用，对浅覆土、大跨度隧道可采用密肋梁板式结构和预应力梁板式结构。

深覆土隧道可在隧道上方加设结构空腔以减少覆土重度，但该形式截面利用率过低。

参考文献
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表4 折板式断面弯矩配筋计算表
　位置弯矩设计值/（kN·
m）弯矩标准值/（kN·m）板厚/m配筋配筋面积/mm
2配筋率/%裂缝/mm
顶板中墙支座 1 475983 1.0 32@150+25@1508 634 0.86 0.117 侧墙支座888 592 1.0 32@150 5 362 0.54 0.075 跨中 1 122 748 1.0 32@150 5 362 0.540.112
侧墙侧墙上 1 221 814 1.0 32@150 5 362 0.540.158侧墙下 1 650 1 100 1.032@150+25@1508 634 0.86 0.151 跨中600 400 1.022@150 2 534 0.25 0.017
底板中墙支座 1 428 952 1.232@150 5 362 0.45 0.117 侧墙支座 1 418 945 1.2 32@150+25@1508 634 0.72 0.046 跨中 1 740 1 160 1.2 25@150+22@150 5 807 0.48 0.156
表3 平顶式断面弯矩配筋计算表
　位置弯矩设计值/（kN·
m）弯矩标准值/（kN·m）板厚/m配筋配筋面积/mm配筋率/%裂缝/mm
顶板中墙
支座 1 449 966 0.90 28@150+25@1507 378 0.82 0.185 侧墙
支座752 501 0.90 28@150+25@1507 378 0.82 0.033 跨中 1 356 904 0.90 32@150 5 362 0.60 0.151
侧墙侧墙上 1 032 688 0.80 28@150+25@1507 378 0.92 0.126 侧墙下 1 184 789 0.80 28@150+25@1507 378 0.92 0.165 跨中60 40 0.80 22@150 2 534 0.32 0.011
底板中墙
支座 1 556 1 038 0.90 28@150+28@1508 210 0.91 0.184 侧墙
支座965 643 0.90 28@150+25@1507 378 0.82 0.067 跨中 1 331 887 0.90 32@150 5 362 0.60 0.145。