一種高穩(wěn)定性矩形斷面地下隧道構(gòu)造
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種高穩(wěn)定性矩形斷面地下隧道構(gòu)造。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著城市建設(shè)步伐的不斷加快，超大跨度、多車道的地下隧道建設(shè)需求越來越大。 目前，多車道地下隧道常見的斷面形狀有圓形、矩形、橢圓形、雙圓形、多圓形，但它們的結(jié) 構(gòu)斷面面積使用率較低，造成挖掘面積和土地征用量大、工程造價高；而早期開發(fā)、具有高 結(jié)構(gòu)斷面面積使用率的矩形斷面隧道卻漸漸地被忽視，這是由于常規(guī)的矩形斷面隧道空間 受力性能較差，當(dāng)上部荷載較大或隧道無支承跨度較大時，隧道頂板的跨中位移大、剛性 差，無法滿足隧道的穩(wěn)定性要求。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，解決上述問題的方式主要有以下兩種：
[0004] 第一種方式，如圖1所示的矩形斷面隧道，其隧道主體由隧道頂板1、隧道左側(cè)壁 201、隧道右側(cè)壁202和隧道底板3構(gòu)成，隧道頂板1采用常規(guī)的平板結(jié)構(gòu)，該方式解決上述 問題的方法是通過加大隧道頂板1、隧道左側(cè)壁201和隧道右側(cè)壁202的壁厚，并且加強它 們的配筋強度，從而提高隧道頂板的穩(wěn)定性，但這往往造成材料的巨大浪費，并且大大增加 了隧道的自重；甚至，對于上部荷載較大或隧道無支承跨度較大的情形，隧道頂板所需的厚 度過大，根本無法實現(xiàn)。
[0005] 第二種方式，是通過在隧道內(nèi)設(shè)置立柱來支撐隧道頂板，中國實用新型專利 CN201020230829. 8公開了該方式的其中一種具體實施例，如圖2所示，該矩形斷面隧道通 過在隧道頂板5c與隧道底板5b之間設(shè)置跨支撐柱6來提高隧道頂板的穩(wěn)定性，但跨支撐 柱6的設(shè)置會占用隧道車行空間，不利于隧道內(nèi)的車道轉(zhuǎn)換，并有可能導(dǎo)致交通事故的發(fā) 生。 【實用新型內(nèi)容】
[0006] 本實用新型所要解決的技術(shù)問題是：提供一種高穩(wěn)定性矩形超大斷面地下隧道構(gòu) 造，以克服現(xiàn)有技術(shù)中矩形斷面隧道穩(wěn)定性低、自重較大的問題。
[0007] 解決上述技術(shù)問題，本實用新型所采用的技術(shù)方案如下：
[0008] -種高穩(wěn)定性矩形斷面地下隧道構(gòu)造，包括隧道主體，該隧道主體由隧道頂板、隧 道左側(cè)壁、隧道右側(cè)壁和隧道底板構(gòu)成，所述隧道頂板包括平板部，平板部設(shè)置在隧道左側(cè) 壁和隧道右側(cè)壁的頂面并與該兩者剛接，其特征在于：所述的隧道頂板還包括多個拱頂部， 所述拱頂部為具有底面凹腔的六面體，該六面體由水平頂壁、傾斜前壁、傾斜后壁、梯形左 壁和梯形右壁構(gòu)成，所述各個拱頂部沿隧道的延伸方向逐個設(shè)置在平板部的頂面，每一個 拱頂部的底部均與平板部剛接，位于前方的拱頂部的傾斜后壁底部與位于后方的拱頂部的 傾斜前壁底部相連并剛接，每一個拱頂部的頂面均與所述平板部平行。
[0009] 作為本實用新型的一種改進(jìn)，所述傾斜前壁和傾斜后壁的厚度均由其中間部向與 梯形左壁接合的左端部和與梯形右壁結(jié)合的右端部逐漸增加
[0010] 作為本實用新型的一種改進(jìn)，所述水平頂壁和平板部的厚度均由其中間部向與梯 形左壁接合的左端部和與梯形右壁結(jié)合的右端部逐漸增加。
[0011] 作為本實用新型的優(yōu)選實施方式，所述梯形左壁和梯形右壁均豎直設(shè)置在平板部 上，梯形左壁的外壁面與所述隧道左側(cè)壁的外壁面平齊，梯形右壁的外壁面與所述隧道右 側(cè)壁的外壁面平齊，并且，梯形左壁與所述隧道左側(cè)壁的厚度相等、梯形右壁與所述隧道右 側(cè)壁的厚度相等。
[0012] 作為本實用新型的優(yōu)選實施方式，所述傾斜前壁與水平頂壁之間的夾角、傾斜后 壁與水平頂壁之間的夾角均在45°至60°之間。
[0013] 其中，上述隧道頂板的平板部和拱頂部由鋼筋混凝土澆筑而成。所述隧道頂板的 平板部設(shè)有預(yù)應(yīng)力鋼筋。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下有益效果：
[0015] 第一，本實用新型的矩形斷面地下隧道構(gòu)造設(shè)有多個由水平頂壁、傾斜前壁、傾斜 后壁、梯形左壁和梯形右壁構(gòu)成的拱頂部，使得各個拱頂部與平板部分別形成了封閉空腔， 有效提高了隧道頂板的豎向及側(cè)向穩(wěn)定性，使得本隧道構(gòu)造的承載力與剛度遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有采 用板式隧道頂板的地下隧道；
[0016] 并且，本實用新型將相鄰兩個拱頂部之間進(jìn)行剛接、每一個拱頂部的底部與平板 部進(jìn)行剛接、平板部與隧道左、右側(cè)壁進(jìn)行剛接，也即構(gòu)成了空間受力體系，使得隧道左、右 側(cè)壁能夠承擔(dān)隧道頂板兩端的負(fù)彎矩，減少隧道頂板的跨中彎矩，并由于拱頂部以水平頂 壁、傾斜前壁和傾斜后壁形成梯形的構(gòu)造，使得每一個拱頂部自身的剛度較大、且抗剪能力 和側(cè)向穩(wěn)定性好，由此，在該兩因素的共同起作用下減小了隧道頂板的跨中位移，提高了隧 道頂板以及隧道增提的剛性；
[0017] 如圖4至圖6以及圖12-1至圖12-3所示，本實用新型中，由水平頂壁1021、傾斜 前壁1022、傾斜后壁1023和平板部101連接構(gòu)成了折曲板件，其具有整體剛性好、穩(wěn)定性 高、但跨中正彎矩大的特點，而該折曲板件分別與左側(cè)壁（包括梯形左壁1024和隧道左側(cè) 壁201)和右側(cè)壁（包括梯形右壁1025和隧道右側(cè)壁202)實現(xiàn)了良好剛接，為折曲板件的 端部提供剛度，形成折曲板件結(jié)合左、右側(cè)壁的門式框架整體受力形式，從而大幅降低折曲 板件的跨中正彎矩（參見圖12-1);并且，作用在左、右側(cè)壁的側(cè)土壓力所產(chǎn)生的跨中負(fù)彎 矩，也能降低頂板的跨中正彎矩（參見圖12-2)。而從圖12-3的彎矩合成圖也可以看出，覆 土荷載及上部荷載F1產(chǎn)生的彎矩與側(cè)土壓力F2產(chǎn)生的彎矩相疊加后，隧道頂板1的彎矩 分布均勾、受力合理；
[0018] 綜上所述，本實用新型的地下隧道構(gòu)造通過折曲板件、門式框架整體受力形式、兩 側(cè)側(cè)土壓力作用三者的結(jié)合，使隧道頂板的正、負(fù)彎矩值相當(dāng)，隧道頂板配筋情況得到改 善，并有效降低跨中撓度。因此本實用新型的地下隧道構(gòu)造更適用于大跨度、重荷載的場 合；
[0019] 并且，通過表1和表2的實測數(shù)據(jù)可以看出，本實用新型的地下隧道構(gòu)造具有開挖 量少，不影響隧道上部的使用空間，可適用跨度大、承載力大，后期檢修容易的優(yōu)點。
[0020] 第二，由于本矩形斷面地下隧道構(gòu)造的剛度能夠滿足較大上部荷載、大跨度隧道 的要求，其相較于現(xiàn)有技術(shù)中通過加大壁厚方式解決隧道頂板穩(wěn)定性問題的隧道構(gòu)造，能 夠節(jié)省鋼材20%以上、混凝土 30%以上；其相較于CN201020230829. 8這類的隧道構(gòu)造，能 夠免于在隧道內(nèi)設(shè)置立柱；因此，本矩形斷面地下隧道構(gòu)造具備施工成本低的優(yōu)點。
[0021] 第三，由于各個拱頂部均設(shè)有底面凹腔，本隧道構(gòu)造在具備足夠剛度的前提下，能 夠最大限度的減輕隧道的自重。
[0022] 第四，由于各個拱頂部所具有的底面凹腔是沿隧道的寬度方向延伸的，而由于施 工成本和空間有限的原因，一般地下隧道僅在隧道主體的一側(cè)設(shè)置電力設(shè)備倉和管道倉 5 (參見圖6)，因此，通過在相對的梯形左壁和梯形右壁上開設(shè)通孔，本實用新型的拱頂部 的底面凹腔可用作電力線路、給排水管線、空調(diào)管線和電力燃?xì)夤芫€等管線在隧道主體兩 側(cè)穿越的通道，免于在隧道主體外另行挖掘用于管線穿越的通道，能夠降低隧道的施工成 本，實現(xiàn)"綠色建筑"的設(shè)計方針。
[0023] 第五，由于拱頂部的增設(shè)對整個隧道的高度影響較小，拱頂部并不阻礙隧道上方 的空間布置，本矩形斷面地下隧道構(gòu)造仍具備常規(guī)矩形斷面隧道斷面扁平的優(yōu)點，因此，本 矩形斷面地下隧道構(gòu)造能夠適用于隧道上方有其他車行隧道4 (參見圖6)或者隧道有限高 要求的場合。
[0024] 第六，由于隧道頂板的各個構(gòu)件之間以及與隧道左、右側(cè)壁之間的節(jié)點區(qū)域較大， 節(jié)點鋼筋不需要采用特殊的構(gòu)造形式即可實現(xiàn)節(jié)點區(qū)的良好剛接，因此，本矩形斷面地下 隧道構(gòu)造的能夠采用常規(guī)的隧道鋼筋布置方法，使各個拱頂部的水平分布鋼筋在端部彎折 后伸入隧道左、右側(cè)壁，與隧道左、右側(cè)壁的豎向分布鋼筋搭接而形成整體鋼筋骨架，因此， 本本矩形斷面地下隧道構(gòu)造具有施工方便、工藝成熟的優(yōu)點。
[0025] 第七，本實用新型通過將傾斜前壁和傾斜后壁的厚度由其中間部向與梯形左壁接 合的左端部和與梯形右壁結(jié)合的右端部逐漸增加，提高了隧道頂板的抗剪能力；
[0026] 第八，本實用新型通過將水平頂壁和平板部的厚度由其中間部向與梯形左壁接合 的左端部和與梯形右壁結(jié)合的右端部逐漸增加，確保了水平頂壁和平板部與隧道側(cè)壁之間 的良好嵌固，該隧道側(cè)壁是指隧道左側(cè)壁、隧道右側(cè)壁、梯形左壁和梯形右壁；
[0027] 第九，本實用新型能夠在隧道頂板的平板部設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋，減少了整個隧道頂 板的拉、壓應(yīng)力，保證了在隧道跨度和上部荷載大的情況下，仍能足夠的空間布置預(yù)應(yīng)力鋼 筋，使得預(yù)應(yīng)力鋼筋的布置方式靈活方便；
[0028] 第十，本實用新型將傾斜前壁與水平頂壁之間的夾角、傾斜后壁與水平頂壁之間 的夾角均設(shè)置在45°至60°之間，確保了本隧道構(gòu)造能夠同時滿足隧道頂板的抗剪能力 要求和側(cè)向穩(wěn)定性要求，其中，隧道頂板的側(cè)向穩(wěn)定性是指隧道延伸方向的穩(wěn)定性，上述夾 角越小，隧道頂板的抗剪能力越好、側(cè)向穩(wěn)定性越差，反之亦然。
[0029] 綜上所述，本實用新型的矩形斷面地下隧道構(gòu)造具有穩(wěn)定性高、施工成本低、施工 工藝成熟的優(yōu)點，特別適用于