淺析公路隧道結構設計體會

李艷春 王 洋

近幾年,大型公路項目紛紛上馬,隨著公路等級的不斷提高,大橋梁長隧道的興建,方便了人們的出行。

隧道工程設計已成為公路設計中的重要組成部分。隨著隧道結構越來越復雜,結構設計成為了結構工程師在設計工作中的難度和重點。加強結構設計質量,重視結構設計中存在的問題,都應從結構體系加以科學嚴謹的分析。下文為本人近年來在公路隧道結構設計中總結的體會,供設計人員參考。

1 隧道結構設計的依據

1.1 基于圍巖的分類設計

這種方法是根據勘測鉆探所提供的圍巖分類情報資料,預先確定出對于各類圍巖的設計開挖斷面和設計支護形式,如隧道的各部尺寸、錨桿的長度、間距、噴射混凝土和模筑混凝土的厚度,然后據以計算出每米的開挖工程量、錨桿的重量、噴射混凝土和模筑混凝土的數量等,設計時只需將山體分類圍巖的長度乘以對應于每類圍巖的每米設計工程量,這樣,隧道的開挖和襯砌兩項的初步設計工作就基本完成。

目前,國內外公路隧道大都是依據圍巖的分類來進行設計的。因為這種方法技術要求明確又直觀,設計人員容易掌握使用。

1.2 基于以往經驗和工程類比的設計

這種方法是根據以往工程的實際施工經驗資料,即參照當地已建成隧道的地質情況和斷面形狀,以及支護形式等,與擬建設計項目類比進行設計。

由于影響隧道設計的因素很多,故很難從已建成隧道工程中找到地質情況和支護形式等完全與建設項目相一致的情況,所以實際工作中較少采用。

1.3 基于理論分析和數值分析的設計

當地質情況特別復雜,尤其是埋置很淺的隧道,以及所經路線附近又有其他人工構造物,或有其他特殊要求時,一般可考慮采用解析的方法解析設計。如用有限元法分析隧道開挖時間、空間效應的三維問題等。

2 隧道結構體系計算分析

2.1 傳統結構力學體系計算分析

傳統結構力學體系將支護結構和圍巖分開來考慮,支護結構是承載主體,圍巖作為荷載的來源和支護結構的彈性支承,故又可稱為荷載—結構結構體系。圍巖的承載能力越高,它給予支護結構的壓力越小,彈性支承約束支護結構變形的抗力越大,相對來說,支護結構所起的作用就變小了。

利用這類結構力學體系進行隧道支護結構設計的關鍵問題,是如何確定作用在支護結構上的主動荷載,其中最主要的是圍巖所產生的松動壓力,以及彈性支承給支護結構的彈性抗力。一旦這兩個問題解決了,剩下的就只是運用普通結構力學方法求出超靜定體系的內力和位移了。屬于這一類結構力學體系的計算方法有:彈性連續框架(含拱形)法、假定抗力法和彈性地基梁(含曲梁和圓環)法等。假定抗力法和彈性地基梁法則已形成了一些經典計算方法。由于這個結構力學體系概念清晰,計算簡便,易于被工程師們所接受,至今仍很通用,尤其是對模筑襯砌。

2.2 巖體力學結構體系計算分析

巖體力學結構體系視圍巖為承載主體,支護結構則為約束圍巖變形的。它是將支護結構與圍巖視為一體,作為共同承載的隧道結構體系,故又稱為圍巖—結構結構體系或復合整體結構體系。在這個結構體系中圍巖是直接的承載單元,支護結構只是用來約束和限制圍巖的變形,這一點正好和上述結構體系相反。復合整體結構體系是目前隧道結構體系設計中力求采用的并正在發展的方向,因為它符合當前的施工技術水平。

在圍巖—結構結構體系中可以考慮各種幾何形狀,圍巖和支護材料的非線性特性,開挖面空間效應所形成的三維狀態,以及地質中不連續面等等。在這個結構體系中有些問題可以用解析法求解,或用收斂—約束法圖解,但絕大部分問題,因數學上的困難必須依賴數值方法,尤其是有限單元法。利用它進行隧道結構體系設計的關鍵問題,是如何確定圍巖的初始應力場,以及表示材料非線性特性的各種參數及其變化情況。一旦這些問題解決了,原則上任何場合都可用有限單元法圍巖和支護結構應力和位移狀態。

3 隧道結構設計中應注意的問題

3.1 隧道結構荷載計算問題

隧道結構上的荷載分為:永久荷載(恒載),如圍巖壓力、結構自重力、填土壓力及混凝土收縮和徐變影響力等;可變荷載,包括公路車輛荷載、人群荷載、立交公路車輛荷載及其所產生的沖擊力和土壓力、立交鐵路列車活載及其所產生的沖擊力和土壓力、立交渡槽流水壓力、溫度變化的影響力和凍脹力等;偶然荷載,有落石沖擊力與地震力等。在結構計算時考慮荷載類型,按其最不利組合進行計算。

3.2 隧道支護結構選擇問題

隧道支護結構也就是隧道襯砌,結構工程師在選擇襯砌結構時,要充分了解各種襯砌結構的優缺點,在設計支護時,要充分的考慮各種可能情況,進行多次論證,以免施工圖設計階段被動。

3.3 隧道結構抗震設計的基本原則問題

針對抗震特點,加強構造措施是抗震設計的重要方面。應從抗震實踐出發,保證結構的整體性和連續性,保護人身及重要設備不受損害,同時也能達到對震波有一定吸附能力,加強構造物的使用壽命。所以,忽略其中任何一個方面都會給結構設計或后期工程造成較大影響。

3.4 隧道結構計算的空間問題

不能只將隧道結構簡化為平面應變問題來研究,應把隧道結構引入“空間效應”中,以考慮空間工作狀態的影響。由于隧道工程埋深、地質條件及斷面形式不同,在結構空間計算時需加以分析,以避免后期設計工作大量修改后埋下安全隱患。

3.5 結構設計安全度考慮與見解

確定結構的安全設計,應充分考慮到國家和社會的經濟、現有技術水平,結構的使用周期,結構的功能需求,以及增加安全度與增加費用之間的關系。目前,我國現行規范的設計安全度在總體上是合適的,只要施工質量保證,設計不出錯誤,安全程度已能滿足要求。但由于施工和材料的管理水平尚與國外有較大差距,結構的實際安全儲備仍會偏低。實踐已經證明將現行設計可靠度水平適當提高一點,這樣投入不大,卻對國家總體和長遠利益有利。

3.6 隧道襯砌截面強度驗算與分析

目前,國內公路隧道設計規范規定,隧道結構截面按破壞階段檢算構件截面強度。規范對隧道襯砌和明洞的混凝土偏心受壓構件的軸向力偏心距限制為:不宜大于0.45倍截面厚度;石料砌體偏心受壓構件不宜大于0.3倍截面厚度。基底偏心距限制為:巖石地基不應大于0.25倍墻底厚度;土質地基不應大于1/6倍墻底厚度。

隧道襯砌和明洞的基底應力不得大于地基容許承載力。隧道襯砌地基容許承載力可根據圍巖類別用工程類比和經驗估算的方法加以確定,有條件的可進行現場實驗。

4 結語

結構設計是一門經驗科學,特別注重設計師在工作中總結經驗,對設計中存在的問題,特別是容易被忽略的問題,加以發現與分析,是提高設計質量、優化結構設計的一項重要內容。設計師不僅要求熟練掌握結構計算的理論與方法,更應具備結構設計概念、經驗、悟性、判斷力和創造力。不斷總結設計經驗,提高自己的業務能力和技術水平,從隧道工程安全性、經濟性、舒適性和功能性出發,設計出結構合理的綠色建筑物。

[1] JTG D70-2004,公路隧道設計規范[S].

[2] JTG B01-2003,公路工程技術標準[S].

[3] 渡邊邦夫.結構設計的新理念、新方法[M].北京:中國建筑工業出版社,2008.

[4] 黃 俊.新疆天山公路隧道設計[J].山西建筑,2009,35(13):327-328.

[5] 李寧軍,曹文貴,劉 生.公路建設百問叢書——隧道設計與施工百問[M].北京:人民交通出版社,2004.