一种高稳定性矩形断面地下隧道构造及其施工方法

摘要

本发明公开了一种高稳定性矩形断面地下隧道构造及其施工方法，该地下隧道构造包括隧道主体，隧道主体由隧道顶板(1)、隧道左侧壁(201)、隧道右侧壁(202)和隧道底板(3)构成，所述隧道顶板(1)包括平板部(101)，平板部(101)设置在隧道左侧壁(201)和隧道右侧壁(202)的顶面并与该两者刚接，其特征在于：所述的隧道顶板(1)还包括多个拱顶部(102)，所述拱顶部(102)为具有底面凹腔(1a)的六面体。本发明的矩形断面地下隧道构造具有稳定性高、施工成本低、施工工艺成熟的优点，特别适用于承重大，跨度大、施工范围受限制的地下隧道。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高稳定性矩形断面地下隧道构造及其施工方法。

背景技术

随着城市建设步伐的不断加快，超大跨度、多车道的地下隧道建设需求越来越大。目前，多车道地下隧道常见的断面形状有圆形、矩形、椭圆形、双圆形、多圆形，但它们的结构断面面积使用率较低，造成挖掘面积和土地征用量大、工程造价高；而早期开发、具有高结构断面面积使用率的矩形断面隧道却渐渐地被忽视，这是由于常规的矩形断面隧道空间受力性能较差，当上部荷载较大或隧道无支承跨度较大时，隧道顶板的跨中位移大、刚性差，无法满足隧道的稳定性要求。

现有技术中，解决上述问题的方式主要有以下两种：

第一种方式，如图1所示的矩形断面隧道，其隧道主体由隧道顶板1、隧道左侧壁201、隧道右侧壁202和隧道底板3构成，隧道顶板1采用常规的平板结构，该方式解决上述问题的方法是通过加大隧道顶板1、隧道左侧壁201和隧道右侧壁202的壁厚，并且加强它们的配筋强度，从而提高隧道顶板的稳定性，但这往往造成材料的巨大浪费，并且大大增加了隧道的自重；甚至，对于上部荷载较大或隧道无支承跨度较大的情形，隧道顶板所需的厚度过大，根本无法实现。

第二种方式，是通过在隧道内设置立柱来支撑隧道顶板，中国实用新型专利CN201020230829.8公开了该方式的其中一种具体实施例，如图2所示，该矩形断面隧道通过在隧道顶板5c与隧道底板5b之间设置跨支撑柱6来提高隧道顶板的稳定性，但跨支撑柱6的设置会占用隧道车行空间，不利于隧道内的车道转换，并有可能导致交通事故的发生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种高稳定性矩形超大断面地下隧道构造，以克服现有技术中矩形断面隧道稳定性低、自重较大的问题。

解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种高稳定性矩形断面地下隧道构造，包括隧道主体，该隧道主体由隧道顶板、隧道左侧壁、隧道右侧壁和隧道底板构成，所述隧道顶板包括平板部，平板部设置在隧道左侧壁和隧道右侧壁的顶面并与该两者刚接，其特征在于：所述的隧道顶板还包括多个拱顶部，所述拱顶部为具有底面凹腔的六面体，该六面体由水平顶壁、倾斜前壁、倾斜后壁、梯形左壁和梯形右壁构成，所述各个拱顶部沿隧道的延伸方向逐个设置在平板部的顶面，每一个拱顶部的底部均与平板部刚接，位于前方的拱顶部的倾斜后壁底部与位于后方的拱顶部的倾斜前壁底部相连并刚接，每一个拱顶部的顶面均与所述平板部平行。

作为本发明的一种改进，所述倾斜前壁和倾斜后壁的厚度均由其中间部向与梯形左壁接合的左端部和与梯形右壁结合的右端部逐渐增加

作为本发明的一种改进，所述水平顶壁和平板部的厚度均由其中间部向与梯形左壁接合的左端部和与梯形右壁结合的右端部逐渐增加。

作为本发明的优选实施方式，所述梯形左壁和梯形右壁均竖直设置在平板部上，梯形左壁的外壁面与所述隧道左侧壁的外壁面平齐，梯形右壁的外壁面与所述隧道右侧壁的外壁面平齐，并且，梯形左壁与所述隧道左侧壁的厚度相等、梯形右壁与所述隧道右侧壁的厚度相等。

作为本发明的优选实施方式，所述倾斜前壁与水平顶壁之间的夹角、倾斜后壁与水平顶壁之间的夹角均在45°至60°之间。

其中，上述隧道顶板的平板部和拱顶部由钢筋混凝土浇筑而成。所述隧道顶板的平板部设有预应力钢筋。

一种上述矩形断面地下隧道构造的施工方法，包括以下步骤：

步骤一，完成所述隧道底板、隧道左侧壁、隧道右侧壁和隧道顶板的平板部的施工，其中，所述平板部的钢筋骨架与隧道左侧壁和隧道右侧壁的钢筋骨架刚接；

步骤二，在所述平板部的顶面放置建筑用泡沫，并且，该建筑用泡沫的设置适配于所述拱顶部的底面凹腔的形状、大小以及各个拱顶部的底面凹腔相对于平板部的位置，以便于以该建筑用泡沫形成各个拱顶部的底面空腔；

步骤三，围绕步骤二放置的建筑用泡沫搭建各个拱顶部的钢筋骨架，其中，各个拱顶部的钢筋骨架与平板部的钢筋骨架刚接，相邻两个拱顶部的钢筋骨架的 相连底部刚接；

步骤四，围绕步骤三设置的钢筋骨架搭建适配于所述各个拱顶部外壁面的模板；

步骤五，在步骤二设置的建筑用泡沫与步骤四搭建的模板之间浇筑混凝土，形成由钢筋混凝土浇筑而成的隧道顶板的拱顶部；

步骤六，拆卸步骤四设置的模板。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，本发明的矩形断面地下隧道构造设有多个由水平顶壁、倾斜前壁、倾斜后壁、梯形左壁和梯形右壁构成的拱顶部，使得各个拱顶部与平板部分别形成了封闭空腔，有效提高了隧道顶板的竖向及侧向稳定性，使得本隧道构造的承载力与刚度远优于现有采用板式隧道顶板的地下隧道；

并且，本发明将相邻两个拱顶部之间进行刚接、每一个拱顶部的底部与平板部进行刚接、平板部与隧道左、右侧壁进行刚接，也即构成了空间受力体系，使得隧道左、右侧壁能够承担隧道顶板两端的负弯矩，减少隧道顶板的跨中弯矩，并由于拱顶部以水平顶壁、倾斜前壁和倾斜后壁形成梯形的构造，使得每一个拱顶部自身的刚度较大、且抗剪能力和侧向稳定性好，由此，在该两因素的共同起作用下减小了隧道顶板的跨中位移，提高了隧道顶板以及隧道增提的刚性；

如图4至图6以及图12-1至图12-3所示，本发明中，由水平顶壁1021、倾斜前壁1022、倾斜后壁1023和平板部101连接构成了折曲板件，其具有整体刚性好、稳定性高、但跨中正弯矩大的特点，而该折曲板件分别与左侧壁(包括梯形左壁1024和隧道左侧壁201)和右侧壁(包括梯形右壁1025和隧道右侧壁202)实现了良好刚接，为折曲板件的端部提供刚度，形成折曲板件结合左、右侧壁的门式框架整体受力形式，从而大幅降低折曲板件的跨中正弯矩(参见图12-1)；并且，作用在左、右侧壁的侧土压力所产生的跨中负弯矩，也能降低顶板的跨中正弯矩(参见图12-2)。而从图12-3的弯矩合成图也可以看出，覆土荷载及上部荷载F1产生的弯矩与侧土压力F2产生的弯矩相叠加后，隧道顶板1的弯矩分布均匀、受力合理；

综上所述，本发明的地下隧道构造通过折曲板件、门式框架整体受力形式、两侧侧土压力作用三者的结合，使隧道顶板的正、负弯矩值相当，隧道顶板配筋 情况得到改善，并有效降低跨中挠度。因此本发明的地下隧道构造更适用于大跨度、重荷载的场合；

并且，通过表1和表2的实测数据可以看出，本发明的地下隧道构造具有开挖量少，不影响隧道上部的使用空间，可适用跨度大、承载力大，后期检修容易的优点。

第二，由于本矩形断面地下隧道构造的刚度能够满足较大上部荷载、大跨度隧道的要求，其相较于现有技术中通过加大壁厚方式解决隧道顶板稳定性问题的隧道构造，能够节省钢材20％以上、混凝土30％以上；其相较于CN201020230829.8这类的隧道构造，能够免于在隧道内设置立柱；因此，本矩形断面地下隧道构造具备施工成本低的优点。

第三，由于各个拱顶部均设有底面凹腔，本隧道构造在具备足够刚度的前提下，能够最大限度的减轻隧道的自重。

第四，由于各个拱顶部所具有的底面凹腔是沿隧道的宽度方向延伸的，而由于施工成本和空间有限的原因，一般地下隧道仅在隧道主体的一侧设置电力设备仓和管道仓5(参见图6)，因此，通过在相对的梯形左壁和梯形右壁上开设通孔，本发明的拱顶部的底面凹腔可用作电力线路、给排水管线、空调管线和电力燃气管线等管线在隧道主体两侧穿越的通道，免于在隧道主体外另行挖掘用于管线穿越的通道，能够降低隧道的施工成本，实现“绿色建筑”的设计方针。

第五，由于拱顶部的增设对整个隧道的高度影响较小，拱顶部并不阻碍隧道上方的空间布置，本矩形断面地下隧道构造仍具备常规矩形断面隧道断面扁平的优点，因此，本矩形断面地下隧道构造能够适用于隧道上方有其他车行隧道4(参见图6)或者隧道有限高要求的场合。

第六，由于隧道顶板的各个构件之间以及与隧道左、右侧壁之间的节点区域较大，节点钢筋不需要采用特殊的构造形式即可实现节点区的良好刚接，因此，本矩形断面地下隧道构造的能够采用常规的隧道钢筋布置方法，使各个拱顶部的水平分布钢筋在端部弯折后伸入隧道左、右侧壁，与隧道左、右侧壁的竖向分布钢筋搭接而形成整体钢筋骨架，因此，本本矩形断面地下隧道构造具有施工方便、工艺成熟的优点。

第七，本发明通过将倾斜前壁和倾斜后壁的厚度由其中间部向与梯形左壁接 合的左端部和与梯形右壁结合的右端部逐渐增加，提高了隧道顶板的抗剪能力； 

第八，本发明通过将水平顶壁和平板部的厚度由其中间部向与梯形左壁接合的左端部和与梯形右壁结合的右端部逐渐增加，确保了水平顶壁和平板部与隧道侧壁之间的良好嵌固，该隧道侧壁是指隧道左侧壁、隧道右侧壁、梯形左壁和梯形右壁；

第九，本发明能够在隧道顶板的平板部设置预应力钢筋，减少了整个隧道顶板的拉、压应力，保证了在隧道跨度和上部荷载大的情况下，仍能足够的空间布置预应力钢筋，使得预应力钢筋的布置方式灵活方便；

第十，本发明将倾斜前壁与水平顶壁之间的夹角、倾斜后壁与水平顶壁之间的夹角均设置在45°至60°之间，确保了本隧道构造能够同时满足隧道顶板的抗剪能力要求和侧向稳定性要求，其中，隧道顶板的侧向稳定性是指隧道延伸方向的稳定性，上述夹角越小，隧道顶板的抗剪能力越好、侧向稳定性越差，反之亦然。

综上所述，本发明的矩形断面地下隧道构造具有稳定性高、施工成本低、施工工艺成熟的优点，特别适用于承重大，跨度大、施工范围受限制的地下隧道。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

图1为现有技术中常规矩形断面隧道的剖面结构示意图；

图2为中国专利CN201020230829.8公开的矩形断面隧道的结构示意图；

图3为本发明的矩形断面地下隧道构造带有透视效果的立体结构示意图；

图4为本发明的矩形断面地下隧道构造带纵剖面的立体结构示意图；

图5为本发明的矩形断面地下隧道构造带横剖面的立体结构示意图；

图6为本发明的矩形断面地下隧道构造的横截面结构示意图；

图7为图6的A-A剖视图；

图8为图6的B-B剖视图；

图9为本发明的矩形断面地下隧道构造在坡度段的纵向剖面结构示意图；

图10为本发明的矩形断面地下隧道构造在弯道段的带有透视效果的俯视结构示意图；

图11-1为本发明的矩形断面地下隧道构造的施工方法步骤一的示意图； 

图11-2为本发明的矩形断面地下隧道构造的施工方法步骤二的示意图；

图11-3为本发明的矩形断面地下隧道构造的施工方法步骤三的示意图；

图11-4为本发明的矩形断面地下隧道构造的施工方法步骤四的示意图；

图11-5为本发明的矩形断面地下隧道构造的施工方法步骤五的示意图；

图11-6为本发明的矩形断面地下隧道构造的施工方法步骤六的示意图；

图12-1为本发明的地下隧道构造在覆土压力及上部荷载F1作用下的弯矩分布及受力示意图，图中M11、M21和M31分别表示隧道顶板1、左侧壁和右侧壁在该状态下的弯矩；

图12-2为本发明的地下隧道构造在侧土压力F2作用下的弯矩分布及受力示意图，图中M12、M22和M32分别表示隧道顶板1、左侧壁和右侧壁在该状态下的弯矩；

图12-3为本发明的地下隧道构造在覆土压力及上部荷载F1和侧土压力F2作用下的弯矩分布及受力示意图，图中M13、M23和M33分别表示隧道顶板1、左侧壁和右侧壁在该状态下的弯矩；

图13为拱形隧道的结构示意图；

图14为带拉杆的拱形隧道的结构示意图。

具体实施方式

如图3至图8所示，本发明的高稳定性矩形断面地下隧道构造，包括隧道主体，该隧道主体由隧道顶板1、隧道左侧壁201、隧道右侧壁202和隧道底板3构成。其中，隧道顶板1包括平板部101和多个拱顶部102，平板部101和拱顶部102由钢筋混凝土浇筑而成，平板部101设有预应力钢筋，其设置在隧道左侧壁201和隧道右侧壁202的顶面并与该两者刚接。

上述拱顶部102为具有底面凹腔1a的六面体，该六面体由水平顶壁1021、倾斜前壁1022、倾斜后壁1023、梯形左壁1024和梯形右壁1025构成。梯形左壁1024和梯形右壁1025均竖直设置在平板部101上，梯形左壁1024的外壁面与隧道左侧壁201的外壁面平齐，梯形右壁1025的外壁面与隧道右侧壁202的外壁面平齐，并且，梯形左壁1024与隧道左侧壁201的厚度相等、梯形右壁1025与隧道右侧壁202的厚度相等。倾斜前壁1022与水平顶壁1021之间的夹角、倾斜后壁1023与水平顶壁1021之间的夹角均在45°至60°之间。倾斜前壁1022 和倾斜后壁1023的厚度均由其中间部向与梯形左壁1024接合的左端部和与梯形右壁1025结合的右端部逐渐增加；水平顶壁1021和平板部101的厚度均由其中间部向与梯形左壁1024接合的左端部和与梯形右壁1025结合的右端部逐渐增加。

上述各个拱顶部102沿隧道的延伸方向逐个设置在平板部101的顶面，每一个拱顶部102的底部均与平板部101刚接，位于前方的拱顶部102的倾斜后壁1023底部与位于后方的拱顶部102的倾斜前壁1022底部相连并刚接，每一个拱顶部102的顶面102a均与平板部101平行。

上述各个拱顶部102的壁厚应按相应拱顶部102所在位置受到的上部载荷进行设计，例如在隧道顶板1上部载荷较大恒载与活载之和大于50kN/m2及无支承隧道宽度较大隧道宽度大于14m的情况下，宜增大拱顶部102和平板部101的厚度。

上述隧道顶板1所设置拱顶部102的数量由各个拱顶部102的肋板净距S_n以及倾斜前壁1022与水平顶壁1021的法线之间、倾斜后壁1023与水平顶壁1021的法线之间的夹角决定。对于每一个拱顶部102，倾斜前壁1022与水平顶壁1021的法线之间、倾斜后壁1023与水平顶壁1021的法线之间的夹角按隧道的具体设计要求独立选取，而肋板净距S_n则应根据隧道的具体设计要求将计算跨度L₀、厚度b₁、厚度b₂和翼缘受压区高度h′_f确定下来后，再按以下条件选取：

在隧道主体的同一纵截面中，满足：S_n≤2b′_f， $b_f^{\prime }=\min (\frac{1}{3}{L}_0,b_1+12h_f^{\prime },b_2+12h_f^{\prime });$

其中，参见图6，计算跨度L₀为梯形左壁1024的厚度中间位置与梯形右壁1025的厚度中间位置之间的距离；

参见图7，对位于拱顶部102正弯矩区的纵截面，肋板净距S_n为拱顶部102的底面凹腔1a顶面在该纵截面上的宽度，翼缘受压区高度h′_f为拱顶部102的水平顶壁1021在该纵截面上的厚度；

参见图8，对位于拱顶部102负弯矩区的纵截面，肋板净距S_n为拱顶部102 的底面凹腔1a底面在该纵截面上的宽度，翼缘受压区高度h′_f为平板部101在该纵截面上的厚度；

厚度b₁为拱顶部102的倾斜前壁1022在该纵截面上的厚度，厚度b₂为拱顶部102的倾斜后壁1023在该纵截面上的厚度；

b′_f为翼缘受压区有效计算宽度，其取值为b₁+12h′_f和b₂+12h′_f三者中的最小值。

参见图9，本发明的矩形断面地下隧道构造在隧道坡度段的构造与图3至图8所示出的构造相同，而相对于图3至图8将本地下隧道构造以水平方式设置的示例，在隧道坡度段，本地下隧道构造应整体按隧道设计的坡度进行倾斜布置。

参见图10，本发明的矩形断面地下隧道构造在隧道弯道段的构造与图3至图8所示出的构造相同，而相对于图3至图8将本地下隧道构造以水平方式设置的示例，在隧道弯道段，本地下隧道构造应将将拱顶部102的弯道外侧跨度设置成大于弯道内侧跨度。并且，为了确保车辆在隧道弯道段的安全行驶，一般将本地下隧道构造的弯道段设计成圆弧形弯道段，在此情况下，还应尽量将本地下隧道构造在弯道段上的各块倾斜前壁1022和倾斜后壁1023的延长线相交于圆弧形弯道段的圆心。

上述矩形断面隧道构造的施工方法，包括以下步骤：

步骤一，参见图11-1，按现有的施工方法完成隧道底板3、隧道左侧壁201、隧道右侧壁202和隧道顶板1的平板部101的施工，其中，平板部101的钢筋骨架与隧道左侧壁201和隧道右侧壁202的钢筋骨架刚接；

步骤二，参见图11-2，在平板部101的顶面放置建筑用泡沫6，并且，该建筑用泡沫6的设置适配于拱顶部102的底面凹腔1a的形状、大小以及各个拱顶部102的底面凹腔1a相对于平板部101的位置，以便于以该建筑用泡沫6形成各个拱顶部102的底面空腔1a；

其中，由于建筑用泡沫的质量很轻、价格低廉，且对混凝土、钢筋无腐蚀或其他不良作用，因此其不需在混凝土硬化后取出；

步骤三，参见图11-3，围绕步骤二放置的建筑用泡沫6搭建各个拱顶部102 的钢筋骨架7，其中，各个拱顶部102的钢筋骨架7与平板部101的钢筋骨架刚接，相邻两个拱顶部102的钢筋骨架7的相连底部刚接；

步骤四，参见图11-4，围绕步骤三设置的钢筋骨架7搭建适配于各个拱顶部102外壁面的模板8；

步骤五，参见图11-5，在步骤二设置的建筑用泡沫6与步骤四搭建的模板8之间浇筑混凝土9，形成由钢筋混凝土浇筑而成的隧道顶板1的拱顶部102；

步骤六，参见图11-6，拆卸步骤四设置的模板8。

常规平顶板隧道(参见图1)设计时最大的难题在于隧道顶板1位移过大，特别是隧道横向跨度较大时(跨度大于20m)，隧道顶板1厚度往往需要1.8m以上。而拱形隧道(参见图13)则存在开挖量较大，影响隧道上部适用空间的问题。而且拱形隧道存在拱脚水平推力，造成侧壁拉应力过大。解决拱形隧道缺点的方法是在拱脚处加钢拉杆(参见图14，图中G表示钢拉杆)，抵抗拱的水平推力，但隧道的钢拉杆构造复杂，施工较困难。而投资方往往不愿采用带拉杆拱形隧道的最重要原因是隧道检修、维修很困难。一旦拉杆发生损坏，则需要采取措施抵抗拱脚推力，进而更换拉杆。但由于拉杆承受的拉力巨大，实际上在更换拉杆时很难采取措施去补偿这部分拱脚推力。

下面通过具体实例对本发明地下隧道构造的进行说明：

以隧道横向跨度25m，上部荷载均为160kN/m2的隧道为例，在等材料用量的前提下，建立了常规平顶板隧道(参见图1)、拱形隧道(参见图13)、带拉杆的拱形隧道(参见图14)和本发明的地下隧道构造的有限元模型，计算结果详见下表1。

从下表1可以看出，本发明地下隧道构造的竖向变形优于拱形隧道、常规平顶板矩形隧道。较小的隧道顶板折起高度便可实现与之相比矢高大一倍的带拉杆拱形隧道相媲美的竖向刚度，足见本发明地下隧道构造在竖向刚度方面的优势。

而水平位移小是常规平顶板矩形隧道优点，本发明地下隧道构造的水平变形与常规平顶板矩形隧道很接近，且远小于拱形隧道。

本发明地下隧道构造的隧道侧壁、隧道顶板的拉、压、剪应力基本均优于拱形隧道、常规平顶板矩形隧道，仅次于带拉杆拱形隧道。

表1：

本发明地下隧道构造的受力虽然略逊于带拉杆的拱形隧道，但其具有施工方便、造价低廉、便于检修的优点。

常规平顶板隧道(参见图1)、拱形隧道(参见图13)、带拉杆的拱形隧道(参见图14)和本发明的地下隧道构造，该四者在经济性、可施工性、受力性能、建筑适用性等方面的对比如下表2：

表2：

由以上的实例可以看出，本发明的地下隧道构造很好的解决了常规平顶板隧道(参见图1)、拱形隧道(参见图13)和带拉杆的拱形隧道(参见图14)的缺点，具有：开挖量少，不影响隧道上部的使用空间，可适用跨度大、承载力大，后期检修容易的优点。

本发明不局限与上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之中。