淺析公路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計已成為公路設(shè)計中的重要組成部分。隨著隧道結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,結(jié)構(gòu)設(shè)計成為了結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計工作中的難度和重點。加強結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量,重視結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題,都應(yīng)從結(jié)構(gòu)體系加以科學(xué)嚴謹?shù)姆治觥Ｏ挛臑楸救私陙碓诠匪淼澜Y(jié)構(gòu)設(shè)計中總結(jié)的體會,供設(shè)計人員參考。

1 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)

1.1 基于圍巖的分類設(shè)計

這種方法是根據(jù)勘測鉆探所提供的圍巖分類情報資料,預(yù)先確定出對于各類圍巖的設(shè)計開挖斷面和設(shè)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(jù)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(shù)量等,設(shè)計時只需將山體分類圍巖的長度乘以對應(yīng)于每類圍巖的每米設(shè)計工程量,這樣,隧道的開挖和襯砌兩項的初步設(shè)計工作就基本完成。

目前,國內(nèi)外公路隧道大都是依據(jù)圍巖的分類來進行設(shè)計的。因為這種方法技術(shù)要求明確又直觀,設(shè)計人員容易掌握使用。

1.2 基于以往經(jīng)驗和工程類比的設(shè)計

這種方法是根據(jù)以往工程的實際施工經(jīng)驗資料,即參照當?shù)匾呀ǔ伤淼赖牡刭|(zhì)情況和斷面形狀,以及支護形式等,與擬建設(shè)計項目類比進行設(shè)計。

由于影響隧道設(shè)計的因素很多,故很難從已建成隧道工程中找到地質(zhì)情況和支護形式等完全與建設(shè)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(shù)值分析的設(shè)計

當?shù)刭|(zhì)情況特別復(fù)雜,尤其是埋置很淺的隧道,以及所經(jīng)路線附近又有其他人工構(gòu)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(shè)計。如用有限元法分析隧道開挖時間、空間效應(yīng)的三維問題等。

2 隧道結(jié)構(gòu)體系計算分析

2.1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)體系計算分析

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)體系將支護結(jié)構(gòu)和圍巖分開來考慮,支護結(jié)構(gòu)是承載主體,圍巖作為荷載的來源和支護結(jié)構(gòu)的彈性支承,故又可稱為荷載—結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系。圍巖的承載能力越高,它給予支護結(jié)構(gòu)的壓力越小,彈性支承約束支護結(jié)構(gòu)變形的抗力越大,相對來說,支護結(jié)構(gòu)所起的作用就變小了。

利用這類結(jié)構(gòu)力學(xué)體系進行隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題,是如何確定作用在支護結(jié)構(gòu)上的主動荷載,其中最主要的是圍巖所產(chǎn)生的松動壓力,以及彈性支承給支護結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)力學(xué)方法求出超靜定體系的內(nèi)力和位移了。屬于這一類結(jié)構(gòu)力學(xué)體系的計算方法有:彈性連續(xù)框架(含拱形)法、假定抗力法和彈性地基梁(含曲梁和圓環(huán))法等。假定抗力法和彈性地基梁法則已形成了一些經(jīng)典計算方法。由于這個結(jié)構(gòu)力學(xué)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(xué)結(jié)構(gòu)體系計算分析

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

在圍巖—結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)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(yīng)所形成的三維狀態(tài),以及地質(zhì)中不連續(xù)面等等。在這個結(jié)構(gòu)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(shù)學(xué)上的困難必須依賴數(shù)值方法,尤其是有限單元法。利用它進行隧道結(jié)構(gòu)體系設(shè)計的關(guān)鍵問題,是如何確定圍巖的初始應(yīng)力場,以及表示材料非線性特性的各種參數(shù)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(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移狀態(tài)。

3 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意的問題

3.1 隧道結(jié)構(gòu)荷載計算問題

隧道結(jié)構(gòu)上的荷載分為:永久荷載(恒載),如圍巖壓力、結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的沖擊力和土壓力、立交鐵路列車活載及其所產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)選擇問題

隧道支護結(jié)構(gòu)也就是隧道襯砌,結(jié)構(gòu)工程師在選擇襯砌結(jié)構(gòu)時,要充分了解各種襯砌結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點,在設(shè)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(shè)計階段被動。

3.3 隧道結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的基本原則問題

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

3.4 隧道結(jié)構(gòu)計算的空間問題

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

3.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度考慮與見解

確定結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計,應(yīng)充分考慮到國家和社會的經(jīng)濟、現(xiàn)有技術(shù)水平,結(jié)構(gòu)的使用周期,結(jié)構(gòu)的功能需求,以及增加安全度與增加費用之間的關(guān)系。目前,我國現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計安全度在總體上是合適的,只要施工質(zhì)量保證,設(shè)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(jié)構(gòu)的實際安全儲備仍會偏低。實踐已經(jīng)證明將現(xiàn)行設(shè)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(nèi)公路隧道設(shè)計規(guī)范規(guī)定,隧道結(jié)構(gòu)截面按破壞階段檢算構(gòu)件截面強度。規(guī)范對隧道襯砌和明洞的混凝土偏心受壓構(gòu)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(gòu)件不宜大于0.3倍截面厚度?；灼木嘞拗茷?巖石地基不應(yīng)大于0.25倍墻底厚度;土質(zhì)地基不應(yīng)大于1/6倍墻底厚度。

隧道襯砌和明洞的基底應(yīng)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(jù)圍巖類別用工程類比和經(jīng)驗估算的方法加以確定,有條件的可進行現(xiàn)場實驗。

4 結(jié)語

結(jié)構(gòu)設(shè)計是一門經(jīng)驗科學(xué),特別注重設(shè)計師在工作中總結(jié)經(jīng)驗,對設(shè)計中存在的問題,特別是容易被忽略的問題,加以發(fā)現(xiàn)與分析,是提高設(shè)計質(zhì)量、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計的一項重要內(nèi)容。設(shè)計師不僅要求熟練掌握結(jié)構(gòu)計算的理論與方法,更應(yīng)具備結(jié)構(gòu)設(shè)計概念、經(jīng)驗、悟性、判斷力和創(chuàng)造力。不斷總結(jié)設(shè)計經(jīng)驗,提高自己的業(yè)務(wù)能力和技術(shù)水平,從隧道工程安全性、經(jīng)濟性、舒適性和功能性出發(fā),設(shè)計出結(jié)構(gòu)合理的綠色建筑物。

[1] JTG D70-2004,公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].

[2] JTG B01-2003,公路工程技術(shù)標準[S].

[3] 渡邊邦夫.結(jié)構(gòu)設(shè)計的新理念、新方法[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

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

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