城市隧道结构设计研究

Architectural Design

建筑设计

第46卷第14期

2019年7月

城市隧道结构设计研究

刘 亮

（东南大学建筑设计研究院有限公司，南京 210098）

［摘 要］随着我国经济发展，城市化进程加快，许多特大型城市形成并持续发展。在大城市建设过程中，因为人口数量较大，交通压力非常大，要想在现有地面建筑基础上进行建设已经不可能，所以城市加大地下工程的建设，以地下隧道建设舒缓压力满足需求。因为地面建筑密集型的存在，对地下工程实施仍然造成很大影响，基于对影响现有地下工程建设的限制因素的了解，结合已有工程技术成就和典型案例探讨新的工程设计方案，提高工程水平。［关键词］城市建设；地下隧道；结构设计［中图分类号］TU 99；U 452.2　　　　　［文献标志码］A　　　　　［文章编号］1001–523X（2019）14–0033–03

Structural Design of Urban Tunnel

Liu Liang

［Abstract］With the development of economy and the acceleration of urbanization in China，many mega-cities have been formed and developed continuously.In the process of large city construction，because of the large population and great traffic pressure，it is impossible to construct on the basis of existing ground buildings. Therefore，the city should increase the construction of underground projects to alleviate the pressure of underground tunnel construction to meet the demand. Because the existence of dense ground buildings still has a great impact on the implementation of underground engineering. Based on the understanding of the restrictive factors affecting the existing underground engineering construction，this paper combines the existing engineering technology achievements and typical cases to explore new engineering design schemes，so as to improve the engineering level.［Keywords］urban construction；underground tunnel；structural design

1 实例情况

本工程处于北京奥林匹克公园的东南方位，为了连接奥林匹克公园南北侧，按照工程的设计要求，需要将北辰东路进行下穿。但是由于该地在之前举办奥运会时为了方便交通，满足奥运会需求，已经建有立交桥，导致工程外部环境变得复杂非常，设计难度增加。在具体进行设计时，必须对该区域的地质条件进行勘察，还要对该区域建筑情况进行详细的了解，针对该区域复杂的外部环境，综合考量进行设计，进行施工办法的选择，要保证尽量减少对立交桥的伤害。具体情况如图1所示。

9 200

8008 00050 554

墩柱43.3

2 400

2 750

800

盾构法和矿山法在地下深层进行挖掘施工，对地面影响较小，但要进行明挖，需要特别大的外部空间，工程量非常大，所以要在开始施工时进行必要的基坑支护。基坑的支护方式的选择受很多条件影响，所以必须对所有因素条件都要全面考虑。对基坑支护方式影响的因素有：地质条件因素、施工时间因素、工程造价因素、公司的施工经验因素、设备条件因素等。支护方式也是多种多样的，如连续墙、钻孔咬合桩、钻孔灌注桩+止水帷幕、连体桩、SWM工法加劲性水泥土搅拌桩等。在施工选择前，需要总体进行比较分析，综合利弊进行确定。具体因素比较情况见表1。

表1 因素比较情况

项目地质条件要求

钻孔灌注

连续墙钻孔咬合桩桩+止水

帷幕较低

高有要求较低一般复杂低小低1 680

低无要求高好较复杂较高大很高2 050

连体桩较高无要求较低一般复杂低小平常2 000

SWM工法加劲性水泥土搅拌桩

很低有要求低一般复杂较高小平常700

基坑深度要求无要求结构强度要求止水效果支撑体系施工要求环境影响经济指标工程造价

较高很好较简单高很小高2 420

图1 结构截面示意

目前在进行地下工程施工时，普遍采用明挖法、矿山法和盾构法进行工程建设，针对不同的客观情况、不同的工程要求需要采取不同的施工办法。所谓矿山法就是像矿产资源开发一样，利用爆破设备进行隧道施工，这种办法需要进行爆破，对结构沉降不好把控，具有一定危险性，一般常用于野外公路或铁路隧道的建设工程。在城市中心进行隧道施工一般进行明挖或者盾构，而盾构法一般用于施工位置较深的截面小的隧道工程，如地铁隧道工程的施工建设。而一般的公路交通隧道埋深浅，结构截面和地铁施工建设相比较宽，所以，进行市内公路交通隧道建设采取明挖法更为适合。

收稿日期：2019–02–25作者简介：刘亮（1985—）󰀃，男，安徽临泉人，工程师，主要研究方向为

明挖隧道、地铁车站结构设计工作。

此工程项目开工依照传统设计，需要对基坑支护进行比较，需要支护的桩径普遍为直径800 mm的钻孔灌注桩，桩间距离1.1 m安装止水帷幕。但是，此工程实施仍然受到很多因素影响：本区域建筑物密集，进行道路修筑施工的可用空间范围太小；在本区域工程管道很多，埋在地下对施工造成影响；工程结构水平位置变化太大，施工需谨慎。综合所有因素考虑，在进行明挖施工建设时困难很大，需要让施工范围内地下空间障碍全部消除，并且不能对道路和桥梁造成不良的影响，不会阻碍正常交通。

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第46卷第14期

2019年7月

Architectural Design

建筑设计建 筑 技 术 开 发

Building Technology Development2 结构形式选择

2.1 结构边界和工况分析

钢筋混凝土闭合框架用C30混凝土，一般的钢筋用R235、HRB235型号的钢筋，整个结构自重密度是24.5 kN/m3，回填土质密度范围为18.8~20 kN/m3，侧向压力是侧向水压加上侧向土压，结构顶层的顶板和地面距离为3.3 m。

结构参考沉井结构进行设计施工。这种办法可以做到尽量减少因为施工时支护结构复杂而占据隧道的施工空间，最大程度减少因为支护工程量增加带来的总体施工成本增加。体安全，必须对结构的竖向界面进行验算，所有测算过程根

据文件GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》严格进行。以隧道制作段长10 m，结构断面0.7 m，高度7 m，按照简支撑结构进行检验复核。

复核的内容主要包括：钢筋混凝土深受弯构件正截面受弯承载力验算；钢筋混凝土深受弯构件受剪力验算；钢筋混凝土深受弯构件截面抗裂验算。2.4 计算结构分析

在整个隧道工程开挖工程中，通过验算可以得到验证，在沉井结构基础上，还要对工程结构进行必要的改善，对工程施工程序要进行严密的计划设计，保证结构设计和工程能符合国家工程建设的相关规定。

开始施工时要先将施工场地整平，布置相关设备，搭设支架模板，进行结构侧面墙体的浇筑，并进行横向的支撑；将枕木和支架从场地撤出，开始挖掘基坑；在基坑挖掘过程中要分步骤进行，工程每步都要严密监控，防止结构出现位移，增加不必要的麻烦；将结构向下沉，沉到实际要求的高度，进行隧道顶板和地板的施工，在结构内部必须设置防水层，在基坑周围进行回填时，泥土覆盖结构应达到设计厚度。2.2 对结构形成过程进行内力分析

在进行施工建设时，按照施工建设程序进行结构的应力分析，保证结构的安全性、可靠性。文章内工程结构用midas Civil软件进行结构内力的计算。按照设计要求，以10 m为单位分段进行制作施工，在进行取土时，分别在侧墙顶部和底部进行横向的支撑，每个横向支撑之间的间隔是3 m，确保在进行挖掘过程中结构施工发展和设计目标不会出现位置偏移，增加工程量。工程以10 m为单位为方便计算和观察结构进行和开始挖掘时的变化，还可保证在施工时的灵活性和施工自由。根据条件变化，模拟纵向不均匀沉降造成的结构纵向变形，对顶板和侧墙影响分析见表2、表3。

表2 结构开挖竖向受力分析表

隧道结

构下沉

侧墙厚

竖向结侧墙构每延弯矩/侧墙轴侧墙位力/kN移/mm承载力

结构

深度/m度/m

米配筋kN·m裂缝20.77303048000.0230.773012048010.07

40.77303104901弯矩M= 60.773040049011 900 kN·m，0.0570.77304406802轴力N=

0.08

2 000 kN

0.0980.773060068520.15闭合结构

0.7

7

30

720

730

2

0.20

表3 结构开挖时纵向受力分析

隧道结

竖向结侧墙构下沉

侧墙厚

构每延弯矩/侧墙轴侧墙位承载力

结构

深度/m度/m

米配筋kN·m力/kN移/mm裂缝20.7728104500.00230.7728434300.019

40.772880390弯矩M= 60.7728100350840 kN·m，0.03570.7728150500轴力N=

0.050

235 kN

0.05580.772860068810.072闭合结构

0.7

7

28

180

40

0

0.090

2.3 侧墙截面纵向截面分析

结构的侧墙在基坑开挖时，因为基础为天然地基，或许存在土质不牢固不紧密，所以导致侧墙底部支撑不均匀，在局部区域很有可能造成侧墙底部没有支撑。若想保证结构整

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截面钢筋的受力符合隧道工程规范要求，在结构形成整体闭合的框架结构时，配筋依然能满足工程所需材料受力的要求；在隧道工程结构开始挖掘时，对侧墙部分进行的横向位置的支撑很重要，尽可能让下方的横向支撑力量分布均匀，必须让侧墙纵向的受力变得均匀，尽量减少工程纵向配筋的使用数量；结构不可能再发生不均匀的沉降现象，隧道结构施工的截面根据深受弯构件进行截面复核，都能满足相关规范的要求，完全说明结构的设计可以满足施工中出现的不确定因素带来的影响，保证工程顺利进行，保证工程的质量。

3 结论和探讨

具体采取何种结构形式主要受隧道工程项目所在区域的地质条件和附近其他建筑的影响，需要视具体情况进行具体分析。针对客观的事实，结合参考相关工程案例，采取相应的施工工序进行施工，保证整个隧道工程的施工安全性能，保证工程建设经济投入合理。

针对本工程而言，通过对所有条件进行综合的考量，对所有工程数据按照相关规定进行严密的计算、检验，说明本隧道结构工程采取的设计方案和施工程序、施工技术都是正确的。现在对已经复核过的问题和未进行检验的问题进行梳理和归纳。

（1）通过详细的计算和对整个施工过程的分析，对本工程所有部位进行受力的分析计算，对施工时有可能发生的问题进行预先验算。充分证明该隧道施工结构能满足全部施工部分，全部施工阶段的受力要求，满足隧道使用的安全要求。（2）本施工设计取消了结构施工时基坑支护设施（护壁桩、地下连续墙、喷锚等），减少工程造价。

（3）本隧道施工的防水结构处理在施工设计阶段还需要进行认真分析。

（4）可以将防水层包裹于侧墙上，并且在防水层上进行混凝土浇筑，形成对防水层的保护，侧墙的两头要埋在保护块里，防止结构下沉对防水层造成破坏。等结构下沉到目标高度时，再进行防水层的搭接铺设。

（5）在工程结构现在的程序安排上还要进行严密的考验，要与原明挖法基坑支护的施工程序进行比较，对比两者之间的优缺点，寻找更好地工程建设程序，保证施工时间安排尽量优化。

（6）对于特别大的工程，结构截面较宽，统一结构会加大工程的难度，工程整体受力较复杂，可以选择结构的分化，将大截面大宽度改为小宽度结构，将几个小宽度结构进行组合，保证工程的安全和施工方便。

（7）此种施工工法经过严密测算，要结合施工能力将施工分段进行加长，原以10 m为单位进行结构建造，若施工技术能力允许可以适当延长2 m之内，减少后续隧道结构段的制造量，大幅节省工程资金投入，减少人力物力投入，提高施工效率。

4 结束语

城市隧道施工建设数量随着经济发展、城市化发展会越来越多，也因为城市化的建设，外部环境会越来越复杂。所以，城市隧道建设工程质量要求会越来越高。在相关人员进行隧

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长沙冰雪世界项目消防水系统设计研究

夏伊君

（华东建筑设计研究总院，上海 200002）

［摘 要］随着冰雪运动在国内的兴起，湖南湘江新区投资建设了矿坑生态修复利用工程长沙冰雪世界项目。该项目的冰雪乐园主体建筑在运营过程中，地面大部区域被冰雪覆盖，环境温度维持在–5.0~3.0℃，我国现行的防火技术规范对此类建筑的消防灭火设施、排烟设施、电气消防设施等如何进行设计尚未做出明确的规定，也难以完全按常规建筑的要求进行设计，给排水专业方面，结合项目实际情况，通过消防性能化分析，最终在大空间的低温区仅设置了干式消火栓系统及灭火器进行保护，在人员密集的常温服务用房内增设自动喷水灭火系统。［关键词］冰雪乐园；冷区；干式消火栓系统；自动喷水冷却系统［中图分类号］TU 991；U 231.96　　　　　［文献标志码］A　　　　　［文章编号］1001–523X（2019）14–0035–02

Design of Fire Water System for Changsha Ice and Snow World Project

Xia Yi-jun

［Abstract］With the rise of ice and snow movement in China，Hunan Xiangjiang New Area has invested in Changsha Ice and Snow World Project，a mine ecological restoration and utilization project. During the operation of the main building of the Ice and Snow Paradise in this project，most of the ground area is covered with ice and snow，and the ambient temperature is maintained at–5.0~3.0℃.The current fire protection technical specifications of our country have not yet clearly stipulated how to design the fire extinguishing facilities，smoke exhausting facilities and electrical fire fighting facilities of such buildings，and it is difficult to design them completely in accordance with the requirements of conventional buildings. In drainage specialty，combined with the actual situation of the project，through fire performance analysis，only dry hydrant system and fire extinguisher are installed in the low temperature area of large space to protect，and automatic sprinkler fire extinguishing system is added in densely staffed room with room temperature service.

［Keywords］ice and snow paradise；cold zone；dry hydrant system；automatic sprinkler cooling system2022年冬季奥运会将在北京市和河北省张家口市联合举行，这是中国历史上第一次举办冬季奥运会，越来越多的人开始关注冰雪运动。为了促进冰雪运动更快的普及和提高，高质量冰雪场地的建设毋庸置疑是一切的前提和基础。就这样，以政府投资建设作为引导，正在和即将开展一批形式多样、类型丰富的冰雪场地设施建设。长沙冰雪世界项目就是这样应运而生的。

由于冰雪运动在国内起步较晚，可以供设计参考借鉴的案例和规范比较少。本文结合给排水专业的设计分析长沙冰雪世界主体建筑雪乐园内的消防水系统设计。

2 水源

由于这个项目所在地块市政有可用的中水管网，和冰雪世界同期开发并且紧挨着有一个大型水上乐园，同时雪乐园主体建筑是悬浮于巨大水坑之上的，于是建设方提出消防水源是否有不用市政自来水的可能性，以及消防水池可否用水乐园水池或矿坑水体替代，从而减小机房面积或降低运营成本。设计院对以上3种水源水体替代自来水和消防水池的可行性进行了分析。

2.1 讨论一——市政中水作为消防水源

本项目若引入市政中水管作为消防用水，最大的问题是无法满足规范“两路供水”的要求，即至少有两条不同的市政中水干管上不少于两条引入管可以持续不间断向地块供水。所以最终没有采用市政中水作为消防水源，仅将引入的中水管道直接作为景观补水、道路冲洗、园林绿化喷灌用途。2.2 讨论二——水乐园游乐水池替代消防水池

水乐园的游乐水池水体均深1m以下，去掉无效水位以后

1 项目概况

长沙冰雪世界项目建筑面积约10万m2，总投资约21亿元，装饰主题是阿尔卑斯山，场馆内结合了众多新奇的冰雪游乐设施，配置了滑雪、戏雪等多样化娱乐活动。它还是目前世界上唯一一座悬浮于废弃矿坑之上的冰雪游乐园，建设难度之高可想而知，引得美国的相关电视频道也对此项目进行着跟踪报道。消防设计，是建筑设计中保护人民生命安全和财产安全的最有力措施之一，是现代建筑的重要组成部分。但

收稿日期：2019–03–10作者简介：夏伊君（1986—）󰀃，女，上海人，工程师，主要研究方向为建

筑给水排水及消防系统设计与施工。

道结构设计时，要结合具体情况慎重分析，善于参考学习已有的工程设计方法，在向发达国家的成熟经验学习的基础上，要发挥主动创造力，结合自己的建设情况进行方法创新。要不断提高设计水平，不断提高工程质量水平，促进我国隧道工程建设不断向前发展。

参考文献

[1] 张京，胡鹏，李国峰.城市隧道结构设计研究[J].地下空间与工程学报，2014，10（S1）：1679–1682.

[2] 姚坚.城市明挖道路隧道结构设计方法分析与研究[J].城市道桥与防洪，

2014（7）：384–387.[3] 刘慕清.城市大断面明开平顶隧道结构设计浅述[J].城市道桥与防洪，2007（5）：96–99.[4] 高频 城市明挖长隧道的结构设计[J].科技经济导刊，2016（11）：11–13.[5] 吴涛，万利，李振江.城市道路特大断面双层隧道设计关键技术研究[J].铁道科学与工程学报，2016，13（7）：1372–1378.

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