摘要：文章以合肥市少荃湖隧道为背景，阐述大跨度明挖隧道的结构设计要点。文章主要介绍隧道敞开段的侧墙与抗拔桩的设计要点及优化；暗埋段空仓的设计要点及优化；隧道内排水、降噪的设计要点及优化。为今后水底大跨度明挖隧道结构设计提供参考。
关键词：明挖隧道；敞开段；暗埋段；抗拔桩；空仓
随着中国城市化的快速推进，城市地上空间正变得日趋紧张，工程建设向地下发展的趋势日益明显。因此，地下隧道在城市发展中的作用也日益突出。
我国江、河、湖底隧道多采用沉管隧道或暗挖隧道，明挖隧道的使用相对较少。直到21世纪初，我国才逐渐开始修建明挖隧道，已建成的明挖隧道有：南京玄武湖隧道、武汉水果湖隧道和合肥方兴湖隧道等。文章以拟建的合肥少荃湖隧道为切入点，详细探讨大跨度明挖隧道的设计要点和优化。
1．工程概况
少荃湖隧道南起荃湖南路，下穿少荃湖公园及规划路，敞口段采用U型槽结构，暗埋段采用双孔闭合框架结构，设计为城市主干道路。设计范围内隧道暗埋段全长1090m，南侧敞口段长106.478m，采用围堰明挖法分期施工。主线隧道净宽：15.5m（东单孔）+15.5m（西单孔），净空高度：4.5m，轮廓采用矩形断面。隧道采用双向8车道，隧道建筑限界及内轮廓设计如下图所示（单位：cm）。
2．隧道敞开段设计要点
2.1．侧墙设计
隧道敞开段侧墙主要承受外侧的土压力、水压力及地面超载，其结构形式与悬臂式挡土墙[1]类似。敞开段侧墙一般有（a）（b）（c）三种形式，如下图所示。
图1 （a）（b）（c）挡土墙结构形式
侧墙（a）构造简单，方便施工，但侧墙厚度上下等厚，造成浪费；侧墙（b）（c）由下向上逐渐减小墙厚，节省材料。侧墙（b）内壁形成一定坡度，增加行车视野；侧墙（c）外壁形成一定坡度，在土压力作用下，向下形成压力，有利于敞开段的整体抗浮。同时，脚趾可减小侧墙与底板连接处底板的弯矩。
少荃湖隧道敞开段侧墙高度为（10.81~11.78）m，跨度为（37.5~45.38）m，板底浮力较大，结构自重不足以平衡板底浮力，故采用侧墙（c）的结构形式，外壁坡度设计为1:0.1。同时脚趾将侧墙与底板连接处底板的弯矩减小约20%。
2.2．抗拔桩设计
少荃湖隧道敞开段取一结构高度为11.40m、宽度为3750m的断面（U2型结构），水位按地下1m经行计算。结构抗力Rd为2336.10 kN/m，而浮力Ff为3915.99kN/m，结构自身无法满足抗浮要求，需设置抗拔桩。
抗拔桩在结构不同的施工阶段，其受力状态也有所不同。底板跨中的抗拔桩受力逐渐由受压变为受拉，且拉力随着施工进度逐渐增大。直至回填土逐渐固结，拉应力会有一定程度减小[2]。断面跨中及附近抗拔桩受力大于两侧抗拔桩，可减小跨中抗拔桩间距，加大支座处的桩间距，优化抗拔桩设置，满足结构抗浮需要，如下图所示。（见图2）
抗拔桩刚度按公式K=EA/L计算[3]-[4]，其中，K为抗拔桩刚度，E为钢筋刚度，A为钢筋配筋面积，L为抗拔桩有效长度。计算后，K取值为91200kN/m。通过Midas计算分析，得到各抗拔桩轴力，如下表所示。
表1 抗拔桩优化前与优化后所受轴力对比（kN/m）
优化前，抗拔桩均布于板底，能满足整体抗浮要求，如U2型结构，抗力Rd为4430.75 kN/m，而浮力Ff为3915.99kN/m。但2号、3号、4号桩所受拉力均超过其最大承载力340 kN/m，不能满足要求。按图3优化抗拔桩布置后，2号、3号、4号桩所受轴力均满足要求，不仅满足整体抗浮要求，也能满足单桩承载力。
图2 抗拔桩优化后布置（U2型结构断面）
3．隧道暗埋段设计要点
3.1 排水与降噪
少荃湖隧道整体纵断面形状为“V”型，隧道设置了两个雨水泵房和一个废水泵房。泵房处设置横向截水措施，截水措施一般为：（a）设置带雨水篦子的截水横沟；（b）设置排水箱涵；（c）同时设置带雨水篦子的截水横沟和排水箱涵。
（a）型截水方式构造简单，施工方便，可保证隧道内路面干燥；但容易产生破坏，车辆通过时噪声较大，影响行车舒适度。（b）型截水方式能保证路面的连续，保持隧道美观，且不会产生噪音；但施工相对复杂，隧道内可能产生积水，且排水箱涵不易清理。（c）型截水方式可减少截水横沟数量，保持隧道内干燥，减少噪音；但施工相对复杂，排水箱涵不易清理。
为保持隧道内路面平整，降低隧道内噪音，保持隧道内干燥，故雨水泵房处采用（c）型截水方式，废水泵房采用（b）型截水方式。
目前，工程中常用的雨水篦子为盖板形式的普通雨水篦子，但近几年，上海等城市逐渐采用一种新型的一体化插入式成品雨水篦子，构造如下图所示。
图3 一体化插入式成品雨水篦子构造
相对于常用的普通雨水篦子，一体化插入式成品雨水篦子虽施工相对复杂，但与路面结合的整体性好，不易松动，与路面连接处不易发生破坏，行车时噪声小，提高了隧道内行车舒适度。少荃湖隧道内横向截水沟采用一体化插入式成品雨水篦子。
3.2 空仓设计
与暗挖隧道不同，明挖隧道结构受覆土厚度及地下水的影响很大，当覆土较厚或地下水位较高时，可通过提高隧道结构强度或减小覆土厚度来降低土压力对结构的影响。
增加隧道结构强度对顶板覆土较厚的隧道结构，效果并不明显。如隧道中某段覆土约3.5m，位于湖底，常水位位于顶板上约5.5m。经计算[5]的，顶板中隔墙处弯矩最大为4138 kN/m，剪力为1385 kN。该处为双肢中隔墙，已将弯矩与剪力减小约10%，而对应的配筋仍较大（32@100+32@100+32@100），裂缝为0.15，勉强满足要求。
隧道板顶最大埋深约为8.6m，水位为地下1m，通过上述计算分析，该处仅提高结构本身强度不能满足承载力要求。可采用设置空仓减小覆土厚度的措施，优化隧道结构。设置空仓后，顶板覆土约为1.5m~3.3m，断面如下图所示。
图4 隧道空仓断面结构尺寸
经计算，顶板中隔墙处弯矩最大为3598 kN/m，剪力为1143 kN。配筋有所减小（28@100+32@100+32@100），裂缝为0.15。同时，空仓段结构满足抗浮要求。
覆土厚度较大时，通过增加隧道本身强度不满要求时，合理设置空仓可有效减小隧道承受的荷载，改善隧道受力条件。同时，空仓也可以合理利用，如开发为地下停车场等。
4．结束语
城市中，采用明挖方式的隧道越来越多，跨度也越来越大。隧道设计还有很大的优化空间。本文通过对少荃湖隧道设计的总结，阐述了隧道敞开段和暗埋段的设计需要注意的要点，为今后类似明挖隧道工程提供参考。
参考文献
[1]王娅娜.悬臂式挡土墙力学特性及结构优化研究[D].成都：西南交通大学，2015.
[2]唐鹏.大跨框架式明挖暗埋湖底隧道结构受力特征研究[D].长沙：中南大学，2013.
[3]吕培林.设置抗拔桩条件地道敞开段底板计算模式的研究[J].城市道桥与防洪，2014.
[4]李兰勇，何英雷．地下结构抗浮设计中抗拔桩的简化模及其应用[J].交通运输，2012.
[5]丁华兴，叶新宇，唐鹏.双向八车道明挖暗埋湖底隧道设计[J].公路与汽运，2013.
论文作者:朱荣森,严中
论文发表刊物:《基层建设》2018年第13期
论文发表时间:2018/7/13
标签：隧道论文; 结构论文; 篦子论文; 雨水论文; 弯矩论文; 泵房论文; 断面论文; 《基层建设》2018年第13期论文;