四車道大跨公路隧道二次襯砌設(shè)計

畢 強(qiáng)，吳金剛

(北京市市政工程設(shè)計研究總院，北京 100082)

隨著國內(nèi)交通需求量的日益增長和隧道修建技術(shù)的快速發(fā)展，高等級公路的發(fā)展勢頭異常迅猛［1］，相繼出現(xiàn)了不少單洞四車道以上的大跨度、大斷面交通隧道。目前國內(nèi)已建成通車的四車道以上大跨隧道有:京珠國道主干線上的龍頭山隧道，隧道全長1 010 m，最大開挖寬度21.4 m，開挖斷面積230 m2;廈門成功大道萬石山隧道是全國首個隧道內(nèi)的完整立交，該隧道主線全長2 715 m，在匝道匯入主線的交叉口，隧道內(nèi)輪廓寬度達(dá)到了26 m;青島膠州灣海底隧道團(tuán)島段，洞內(nèi)實(shí)現(xiàn)五車道分叉，分叉口最大開挖跨度28.2 m;以及深圳福龍路的橫龍山隧道、沈大高速公路改擴(kuò)建工程韓家?guī)X隧道、貴州凱里市市政干線大閣山隧道、深圳南坪快速路的雅寶隧道等。

國外一些發(fā)達(dá)國家在過去的十幾年也修建了不少大跨隧道工程，并積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。日本的第二東名—名神高速公路長490 km，設(shè)計時速達(dá)140 km/h，其隧道開挖寬度超過20 m，開挖斷面積超過200 m2。英法海峽隧道分叉處斷面的開挖寬度達(dá)21.2 m，開挖斷面積達(dá)252.2 m2。

另外，《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》(GBT50476—2008)［7］實(shí)施以來，受各方面條件的制約，部分條文并未被公路行業(yè)尤其是隧道行業(yè)所認(rèn)可和貫徹執(zhí)行。本文將結(jié)合文獻(xiàn)［7］，以大跨公路隧道為例，進(jìn)一步優(yōu)化其襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 大跨隧道襯砌破壞形式

1.1 大跨隧道襯砌荷載特點(diǎn)

隧道外部荷載的計算方式根據(jù)隧道圍巖條件與隧道埋置深度的不同而截然不同。一般圍巖條件好、埋置深度大的隧道，由于考慮圍巖自身的成拱效應(yīng)，相比圍巖條件差、埋置深度較小的隧道，圍巖壓力要小得多。文獻(xiàn)［5］中第6.2.3條與附錄E分別給出了深、淺埋隧道的荷載計算方式，其中附錄E按照荷載計算方法將淺埋隧道區(qū)分為“埋深小于或等于等效荷載高度的超淺埋隧道”和“埋深大于等效荷載高度，但小于深、淺埋隧道分界深度的淺埋隧道”。

根據(jù)公式對比與工程運(yùn)用情況，對于四車道大跨隧道V級圍巖段，當(dāng)埋深達(dá)到超淺埋和淺埋隧道分界深度時，其外部荷載達(dá)到最大值。文獻(xiàn)［6］分別給出了雙、三車道隧道，深、淺埋臨界埋深和連拱四、六車道隧道臨界埋深的參考值，如表1和表2所示。

根據(jù)細(xì)則規(guī)定與工程計算經(jīng)驗(yàn)，單洞四車道隧道V級圍巖深淺埋臨界埋深約為50 m，按照文獻(xiàn)［5］附錄E，圍巖垂直壓力將接近1 MPa。顯著大于雙、三車道的圍巖壓力。因此，本文將主要以實(shí)際工程中的設(shè)計難點(diǎn)——四車道大跨隧道 V級圍巖段二次襯砌為研究對象，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計。文獻(xiàn)［6］提出，雙、三車道隧道V級圍巖段的二次襯砌承擔(dān)荷載比例分別不小于40%和60%。而四車道隧道的二次襯砌承擔(dān)荷載比例應(yīng)更大，本文建議可按照70%計算。

表1 確定隧道深淺埋的拱頂以上地層厚度 m

表2 連拱隧道深淺埋分界埋深參考值 m

1.2 大跨隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力

與普通跨度隧道相比，四車道公路隧道結(jié)構(gòu)上最大的不同是扁平率要小得多。文獻(xiàn)［8－10］已對扁平率變化影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力做了相關(guān)研究并得出結(jié)論如下:

1)軸力的變化。隨扁平率的減小，軸力數(shù)值增大，扁平率為0.5時的軸力約是扁平率為1時的4倍;最大軸力的位置隨扁平率的減小，從墻角向上移。

以往IPO也不是沒有教訓(xùn)。一些地方政府為了拼搶上市頭彩，為政績壯威加彩，不惜花費(fèi)財政資金，給擬定上市的企業(yè)輸血，并刻意包裝粉飾，還動用行政資源對IPO評審機(jī)構(gòu)游說，甚至賄賂，蒙混過關(guān)。這與地方政府的行政亂作為不無關(guān)系。

2)彎矩變化。隨扁平率減小，拱頂彎矩逐漸增大，扁平率為0.5時拱頂彎矩是扁平率為1時的5倍。最大彎矩發(fā)生在拱腰處，數(shù)值也隨扁平率的減小而增大，扁平率為0.5時該處彎矩是扁平率為1時的5倍。

1.3 結(jié)構(gòu)承載能力薄弱點(diǎn)多為混凝土抗壓強(qiáng)度不足

綜上所述，四車道隧道無論在外部荷載還是本身結(jié)構(gòu)的受力性能上，均要比雙、三車道隧道顯著不利。從多個工程的計算分析結(jié)果來看，在斷面設(shè)計基本合理的情況下V級淺埋四車道隧道二襯混凝土通常為偏心受壓。如果僅參照常規(guī)的二、三車道隧道設(shè)計，采用C25或C30等現(xiàn)場拌合情況下容易控制質(zhì)量的混凝土，并少量增加結(jié)構(gòu)厚度的設(shè)計思路，則二襯最不利位置表現(xiàn)為混凝土抗壓強(qiáng)度不足。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)對策

針對四車道超大跨度隧道在軟弱圍巖(V級)內(nèi)的受力特點(diǎn)，設(shè)計中常采用提高扁平率、增加結(jié)構(gòu)厚度以及提高混凝土抗壓強(qiáng)度等方法。

2.1 提高扁平率

國內(nèi)近年來修建了大量的三、四車道交通隧道，扁平率顯著低于二車道交通隧道。由于隧道跨度的顯著增大，單純利用隧道斷面形態(tài)的調(diào)整改善四車道隧道二襯受力性能的做法，勢必造成工程造價的顯著增加。因此，本文并不推薦在中等以上長度隧道設(shè)計過程中追求過高的扁平率。

2.2 增加結(jié)構(gòu)厚度

增加二次襯砌厚度，即通過增大結(jié)構(gòu)有效高度的方法提高偏心受壓構(gòu)件的承載能力。以深圳市石清大道羊臺山隧道為例，V級圍巖淺埋段最大覆土厚度為45.72 m。隧道開挖寬度20.4 m，結(jié)構(gòu)高度13.0 m，如圖1所示。

依據(jù)文獻(xiàn)［5］“附錄E”計算拱垂直土壓力與水平土壓力，分別為

拱頂覆土垂直壓力 q1=784.05 kN/m2

拱腰覆土垂直壓力 q2=902.45 kN/m2

拱頂處側(cè)向土壓力 e1=189.08 kN/m2

仰拱處側(cè)向土壓力 e2=239.97 kN/m2

按照荷載基本組合(自重+垂直土壓力+水平土壓力+結(jié)構(gòu)附加荷載)，其中垂直土壓力、水平土壓力均按照二襯承擔(dān)70%計算，安全系數(shù)不小于2.0。

采用有限元軟件Midas Civil 2010進(jìn)行計算，二襯承載能力控制組合為最大軸力組合(M=1 207 kN·m，Nmax=8 210 kN)，計算結(jié)果如圖2所示。

按照文獻(xiàn)［5］規(guī)定，對二襯結(jié)構(gòu)按破損階段法進(jìn)行承載能力驗(yàn)算。根據(jù)“附錄K”計算公式，二襯采用C30模筑混凝土，厚度提高到h=85 cm，配HRB335鋼筋φ28@10 cm才能滿足承載能力要求，詳見表3。

圖1 羊臺山隧道V級圍巖段復(fù)合式襯砌(單位:cm)

表3 V級圍巖淺埋段二襯強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

2.3 設(shè)置三層襯砌

四車道交通隧道采用三層襯砌使得最內(nèi)側(cè)襯砌(三次襯砌)可以在洞室周邊收斂變形基本穩(wěn)定的條件下施作，可以盡可能地發(fā)揮初次襯砌和二次襯砌的承載能力。

文獻(xiàn)［6］中規(guī)定:“第三次襯砌可采用素混凝土結(jié)構(gòu);當(dāng)圍巖壓力荷載較大需要第三次襯砌承擔(dān)部分荷載時，可采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。”從結(jié)構(gòu)承載能力來說，它仍然是利用結(jié)構(gòu)厚度的增加提高襯砌的總體承載能力。當(dāng)三次襯砌與二次襯砌需聯(lián)合受力時，多層結(jié)構(gòu)的設(shè)置方式實(shí)際上浪費(fèi)了材料，增加了工程造價。同時三層襯砌的設(shè)置將導(dǎo)致工期的較大增長。文獻(xiàn)［5］中給出了四車道隧道復(fù)合式襯砌的設(shè)計參數(shù)，如表4所示。

同樣以羊臺山隧道為例，采取設(shè)置三次襯砌的方法，設(shè)計參數(shù)應(yīng)為:若二襯、三襯采用常用的C30模筑混凝土，二襯厚度 h=60 cm，三襯厚度 h=30 cm，配HRB335鋼筋 φ28@10 cm。

表4 四車道隧道復(fù)合式襯砌設(shè)計參數(shù)

2.4 提高二襯混凝土強(qiáng)度等級

提高二襯混凝土強(qiáng)度等級，即通過提高混凝土抗壓極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，從而提高結(jié)構(gòu)的承載能力。提高混凝土強(qiáng)度等級，對二襯結(jié)構(gòu)按破損階段法進(jìn)行承載能力驗(yàn)算。設(shè)計參數(shù)為:二襯采用 C40模筑混凝土，厚度h=70 cm，配 HRB335鋼筋 φ28@10 cm即可滿足承載能力要求。

近些年來由于國內(nèi)交通運(yùn)輸水平的大幅提高，隧道工程已大量采用商品混凝土代替現(xiàn)拌混凝土。四車道隧道更是普遍位于或靠近大、中型城市，使全部采用商品混凝土成為可能。商品混凝土的廣泛采用，使得進(jìn)一步提高二襯混凝土強(qiáng)度等級成為可能。

2.5 小結(jié)

通過2.1～2.4的分析比較，筆者認(rèn)為通過提高混凝土強(qiáng)度等級提高二襯承載能力，是比較經(jīng)濟(jì)、合理的設(shè)計思路。對于四車道大跨隧道，如果將二襯模筑混凝土強(qiáng)度等級由常用的C30提高到C40，材料可節(jié)約15% ～20%。

3 耐久性要求與混凝土強(qiáng)度等級的提高

按照《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》(JTG/T B07—01—2006)［11］與《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》(GBT50476—2008)［7］基本規(guī)定，特大隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期應(yīng)為100年。環(huán)境分類及作用等級定義為“汽車或其它機(jī)車廢氣污染的C類環(huán)境”，混凝土強(qiáng)度等級不得小于C40。長期以來，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計沒有受到足夠的重視。直到上世紀(jì)70年代末期，發(fā)達(dá)國家才逐漸發(fā)現(xiàn)原先建成的基礎(chǔ)設(shè)施工程在一些環(huán)境因素影響下出現(xiàn)過早損壞。我國建設(shè)部于20世紀(jì)80年代的一項調(diào)查表明，國內(nèi)大多數(shù)工業(yè)建筑物在使用25～30年后即需大修，處于嚴(yán)酷環(huán)境下的建筑物使用壽命僅15～20年。

四車道公路隧道具有斷面大、洞內(nèi)交通量大、廢氣污染嚴(yán)重的特點(diǎn)，因此在執(zhí)行《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》(GBT50476—2008)時，應(yīng)更加嚴(yán)格對待。因此無論從結(jié)構(gòu)承載能力設(shè)計還是結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方面，隧道二襯均應(yīng)該采用C40以上的混凝土結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

通過上述分析，本文研究結(jié)論如下:

1)四車道大跨隧道軟弱圍巖(V級)段圍巖壓力較普通跨度隧道顯著增大。拱腰處的垂直壓力約為1 MPa，且其二次襯砌承擔(dān)荷載比例也更大，應(yīng)不小于70%。

2)四車道大跨隧道軟弱圍巖(V級)段二次襯砌結(jié)構(gòu)承載能力薄弱點(diǎn)多為混凝土抗壓強(qiáng)度不足。

3)通過提高混凝土強(qiáng)度等級提高二襯承載能力，是比較經(jīng)濟(jì)、合理的設(shè)計思路。

4)大跨隧道結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計理念的進(jìn)步同樣要求二襯混凝土強(qiáng)度等級的提高。

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