曾小刚

（南昌市城市规划设计研究总院，南昌 330038）

1 引言

随着交通事业的发展，市政道路的下穿或者上跨的情况越来越频繁，同时出于对景观、环境的考虑，减少汽车、人流等地面交通的影响，下穿隧道成为一种常见且可行的方案选择。由于箱涵整体性好、受力分布合理，城市下穿隧道多采用箱涵结构。而城市隧道由于地理位置的特殊性，需考虑地下隧道的通风、采光及出入口与各地面交通的衔接疏散等【1】。因此，隧道平面及断面相应比较复杂，涉及较多的箱涵异型段，如通风开口段、分叉变宽段等。本次异型箱涵计算采用的是平面杆系计算模型，计算分析简便和计算结果可靠，在工程设计中应用广泛。以南昌市青山湖隧道工程为依托，对通风开孔双孔箱涵结构设计进行分析，并采用MIDAS 有限元进行计算分析，对各结构截面承载力受力进行探讨。

2 工程简介

青山湖隧道工程位于南昌市老城区，为南昌市阳明东路东延部分，对连接南昌东西向交通有重大意义。该工程西起阳明东路铁路箱涵，下穿洪都大道、湖滨南路、青山湖、湖滨东路、国安路，东接江大北路。工程起点桩号K1+835，终点桩号K3+800，全长1 965m，隧道段长约1 130m；整个工程设置2 段暗埋段。其中K2+220～K2+460 段，长240m，位于青山湖西岸洪都大道下，结构纵向分成6 段，每段40m；里程K2+500～K3+390 段，长890m，位于青山湖湖中及两岸。箱涵暗埋标准段采用双孔矩形钢筋混凝土整体箱涵结构，单孔净宽为8.9m，具体详见横断面（见图1）。为了保证车辆尾气的排放通畅，降低空气中废气的浓度，以满足城市环境保护的要求；在隧道K2+220～K2+340 段顶左右箱室顶板设置 1 道通风口【2】。

图1 箱涵横断面图（单位：cm）

3 开口段箱涵结构设计

隧道箱涵左右箱室顶板靠中隔墙位置各设置1 道2m 宽通风口，两侧对称布置。一般而言，箱涵顶板开孔结构处理基本采用孔洞周边设置洞口加固梁形式。由于该段箱涵位于洪都大道与阳明东路的交叉口范围，路段处于交通繁忙区域，而且工程完工后需要在道路下埋设众多地下管线（电力、电信管、雨污水管等）。通风口如采用加固反梁形式，同时由于顶板覆土较厚（最高达4.5m），结构出于承载能力要求，根据计算梁至少上翻1～1.5m；如此将导致开口箱涵区域内地下各种管线布置受限，对后期市政管线布置产生极为不利的影响。基于此，开口箱涵顶通风口结构采用梁板墙组合设计进行处理，可以避免结构上缘过多侵入上部空间，为后期市政设施埋设提供便利条件。

通风开口箱涵段主箱涵顶板厚80cm，底板厚80cm，侧墙厚80cm，中隔墙厚80cm，顶板与隔墙或侧墙衔接处设置150cm×50cm 倒角，底板与隔墙或侧墙衔接处设置50cm×50cm倒角。顶部通风口外侧墙厚80cm，中隔墙厚40cm，上下各设置1 道横梁。每道横梁间距为3.1m，上下部横梁平面重合。同时，横梁尺寸根据覆土进行调整，具体为：覆土厚度2～3m 时，上部撑梁截面尺寸为100cm（宽）×100cm（高）；覆土在3～4.5m时，上部横梁截面尺寸为100cm（宽）×110cm（高）；下部横梁截面尺寸为100cm×（80～130）cm，梁下缘同箱涵顶板下缘保持一致。同时在横梁与顶板及侧墙交接处各设置1 道暗梁。

开口段箱涵的横断面布置图见图2，平面布置图见图3。

4 异型箱涵结构的空间分析

4.1 结构荷载

4.1.1 永久荷载

1）钢筋混凝土结构自重r=26kN/m3；

2）覆土荷载 r=18.5kN/m3；

3）侧向压力：侧向土压力采用朗金主动土压力公式计算。墙外水土压力：施工阶段黏性土采用水土合算，砂性土按水土分算，使用阶段采用水、土分算。

4.1.2 可变荷载

1）车辆及设备荷载：城-A 级汽车荷载，人群5kN/m2。

2）地面超载：施工阶段按20kN/m2计算；使用阶段湖中段按10kN/m2计算，岸段按20kN/m2计算。

图2 箱涵横断面布置图（单位：cm）

图3 箱涵平面布置图（单位：cm）

4.2 结构建模

计算模型采用平面杆系计算模型，该模型取3.1m 箱涵节段，采用Midas 软件进行有限元建模。基础底部采用弹簧支撑，弹簧刚度根据现有的地质资料及查阅相关工程资料拟定为15 000kN/m；箱梁两端限制轴向位移。

具体计算模型见图4。

计算考虑10a 的混凝土收缩徐变；数值模拟划分2 个施工阶段，施工阶段一是箱涵混凝土施工阶段及回填土完成，施工阶段二是箱涵建成运营、收缩徐变分析。

图4 箱涵计算模型

5 计算结果分析

箱涵顶覆土最高达4.5m，结构受力的重点为上下梁及顶底板的内力计算结果是否满足极限承载能力及正常使用状态要求。

1）正截面抗弯承载能力计算，弯矩包络图见图5。

图5 箱涵正截面弯矩包络图（单位：kN·m）

图5 中开口处上横梁支点负弯矩为1 433.9kN·m，下横梁支点负弯矩为1 957.4kN·m；开口处侧墙下缘弯矩最大为1 961.7kN·m，顶板跨中正弯矩为1 318.7kN·m，负弯矩最大为1 469.5kN·m；底板跨中弯矩为1 698.5kN·m，中支点弯矩为3 722.9kN·m。经验算，箱涵开口处上下横梁、顶底板、侧墙配筋满足正截面抗弯承载力要求。

2）斜截面抗剪承载能力计算，剪力包络图见图6。

图6 箱涵斜截面剪力包络图（单位：kN）

图6 中开口处上横梁剪力最大为1 012.2kN，下横梁剪力最大为1 157.2kN；开口处侧墙最大剪力为994.2kN；顶板最大剪力为1 825.0kN；底板最大剪力为2 248kN；经验算，箱涵开口处上下横梁、顶底板、侧墙配筋满足斜截面抗剪承载力要求。

3）正常使用极限状态验算：结构配筋按正常使用极限状态验算，最不利覆土状态下结构构件变形验算、裂缝宽度验算（最大裂缝宽度不大于0.2mm）均满足规范要求。

6 结语

青山湖隧道通风开口部分采用梁板组合结构以替换常规的洞口加固反梁结构，经结构计算及裂缝验算表明，结构承载能力及正常使用状态能够满足规范要求。而且青山湖隧道已于2009 年正式建成使用，至今已十余年，在2019 年6 月对隧道进行了全面的检测。实践证明，隧道通风开口段未见明显变形及结构性裂缝，结构整体运营良好。隧道箱涵异型段的结构处理在整个隧道设计中为关键部分，而结构处理不能仅考虑结构设计的便利性，也应充分考虑后继市政管线的埋设要求，这样，才能使工程结构设计及后期的建成运营更合理。