一种高稳定性矩形断面地下隧道构造
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种高稳定性矩形断面地下隧道构造。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 现有技术中，解决上述问题的方式主要有以下两种：
[0004] 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。
[0005] 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。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型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。
[0007] 解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下：
[0008] -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。
[0009] 作为本实用新型的一种改进，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
[0010] 作为本实用新型的一种改进，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。
[0011] 作为本实用新型的优选实施方式，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。
[0012] 作为本实用新型的优选实施方式，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。
[0013] 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。
[0014] 与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
[0015] 第一，本实用新型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；
[0016] 并且，本实用新型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；
[0017] 如图4至图6以及图12-1至图12-3所示，本实用新型中，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 分布均勾、受力合理；
[0018] 综上所述，本实用新型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。因此本实用新型的地下隧道构造更适用于大跨度、重荷载的场 合；
[0019] 并且，通过表1和表2的实测数据可以看出，本实用新型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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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，本实用新型的拱顶部 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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 第七，本实用新型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；
[0026] 第八，本实用新型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；
[0027] 第九，本实用新型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；
[0028] 第十，本实用新型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。
[0029] 综上所述，本实用新型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