羅 鑫

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507)

1 概述

隨著城市交通越來越發(fā)達(dá)，下穿隧道因其在城市交通中不可或缺的重要地位，越來越多的出現(xiàn)在我們的身邊，伴隨而來的許多問題(運(yùn)營(yíng)期間結(jié)構(gòu)滲漏水、暴雨天雨水倒灌)引起了人們的關(guān)注[1,2]，本文就設(shè)計(jì)期間參與的廣佛江快速通道項(xiàng)目中的茶坑隧道為例，詳細(xì)介紹了隧道設(shè)計(jì)期間結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)選取、計(jì)算過程、計(jì)算思路、計(jì)算結(jié)果的處理等問題，相關(guān)結(jié)論及過程可供同行從業(yè)人員討論以及為類似項(xiàng)目提供借鑒。

茶坑隧道位于新會(huì)區(qū)會(huì)城街道茶坑村附近，起點(diǎn)在茶坑村西側(cè)，沿茶坑村西側(cè)與英洲海水道間走廊往南，在K40+315位置與金門公路相交叉，后沿既有金門公路往東，跨越江門水道，路段終點(diǎn)設(shè)置在三江鎮(zhèn)官田村，該路段路線長(zhǎng)3.30 km。隧道起始里程K40+025～K40+585，全長(zhǎng)560 m。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[3,4]

隧道設(shè)計(jì)主要依照J(rèn)TG D60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范、GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范以及JTG D70—2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 幾何設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1)公路等級(jí)：一級(jí)公路，60 km/h；

2)設(shè)計(jì)車道：雙向六車道；

3)隧道建筑限界：建筑限界寬：0.25+0.5+3×3.75+0.75+0.75=13.5 m；建筑限界高：5.0 m。

2.2 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1)工程結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：一級(jí)；

2)車輛荷載等級(jí)：公路—Ⅰ級(jí)；

3)鋼筋混凝土裂縫寬度控制：迎水面不大于0.2 mm，背水面不大于0.3 mm；

4)抗震設(shè)防：結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度為8度。

3 主體結(jié)構(gòu)方案

封閉段典型結(jié)構(gòu)斷面形式如圖1所示，頂板厚100 cm，底板厚100 cm，外墻厚90 cm，中墻厚70 cm，具體如圖1所示。

4 設(shè)計(jì)參數(shù)[5,6]

1)隧道結(jié)構(gòu)材料。

混凝土強(qiáng)度等級(jí)：C35；

鋼筋：HRB300，HRB400。

2)混凝土參數(shù)。

混凝土參數(shù)見表1。

表1 混凝土參數(shù)表

3)鋼筋參數(shù)。

鋼筋參數(shù)見表2。

表2 鋼筋參數(shù)表

5 設(shè)計(jì)荷載

5.1 荷載類型

本次隧道設(shè)計(jì)為一級(jí)公路上的下沉隧道，結(jié)構(gòu)所承受的作用可分為永久荷載、可變荷載和偶然荷載三類，相關(guān)內(nèi)容見表3。

表3 計(jì)算荷載表

5.2 永久作用

1)結(jié)構(gòu)自重。

結(jié)構(gòu)自重按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的尺寸與材料單位體積的自重計(jì)算。相關(guān)材料重度見表4。

2)覆土荷載。

覆土荷載可根據(jù)地勘資料所給的覆土重度及計(jì)算斷面隧道頂板埋深確定。

表4 相關(guān)材料參數(shù)表

3)土側(cè)壓力。

隧道置于砂性土和滲透系數(shù)較大的粘性土組成的地層，在結(jié)構(gòu)驗(yàn)算中土側(cè)壓力采用水土分算原則；對(duì)于粘土和淤泥質(zhì)土等滲透系數(shù)小的土質(zhì)，采用水土合算的計(jì)算原則。在設(shè)計(jì)時(shí)最不利水位按照取至原地面考慮。土壓力按靜止土壓力理論計(jì)算。

4)水的浮力。

本次計(jì)算考慮豐水期，設(shè)計(jì)最不利水位按照取至原地面考慮。

5)混凝土的收縮徐變作用。

超靜定或厚度大的混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮混凝土收縮的影響。

5.3 可變荷載

1)汽車荷載。

汽車荷載采用《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》規(guī)定的車輛荷載。

2)施工荷載。

隧道在施工過程中所承受的荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重，側(cè)向土壓力，側(cè)面超載。

3)溫度荷載。

外露結(jié)構(gòu)及覆土小于1 m或位于受外界影響較大的洞口段應(yīng)考慮溫度影響。

4)人群荷載。

人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值為3.5 kN/m2。

5.4 偶然荷載

1)地震作用。

地勘報(bào)告顯示地震基本烈度為7度。本項(xiàng)目按抗震設(shè)防烈度為8度進(jìn)行抗震計(jì)算。

a.隧道封閉段的地震作用。

隧道襯砌上任一計(jì)算質(zhì)點(diǎn)的水平地震荷載，按下式計(jì)算：

Eih=CiCzKhGis。

其中，Eih為水平地震荷載，kN；Ci為重要性修正系數(shù)，取1.7；Cz為綜合影響系數(shù)，取0.25；K0為水平地震系數(shù)，取0.2；Gis為結(jié)構(gòu)計(jì)算點(diǎn)的重力,kN。

由于隧道頂部承受荷載較大，地震作用可視為質(zhì)量集中在隧道頂部的單質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，即水平地震荷載Eh集中作用于隧道頂部，并取Gis為隧道結(jié)構(gòu)上部的總重力荷載。

b.地震作用下的土壓力。

表5 地震角

2)汽車的撞擊作用。

隧道中隔墻在汽車撞擊下較易損毀，因此應(yīng)對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，汽車撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值可取500 kN，作用位置為行車道上1.2 m處。

6 結(jié)構(gòu)計(jì)算

6.1 計(jì)算程序

采用MIDAS(CIVIL及GTS)版。

6.2 計(jì)算荷載和模型建立

計(jì)算方法采取荷載—結(jié)構(gòu)法。結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M，結(jié)構(gòu)與地基的作用按彈性地基梁考慮，地基反力用受壓彈簧模擬；相關(guān)荷載(土壓力、車輛荷載等)嚴(yán)格按上述分析流程代入相關(guān)數(shù)據(jù)后進(jìn)行取值，選取封閉段典型斷面進(jìn)行建模計(jì)算。結(jié)構(gòu)典型斷面荷載示意圖及計(jì)算模型如圖2，圖3所示,結(jié)構(gòu)計(jì)算截面如圖4所示。

6.3 荷載組合

按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》規(guī)定，公路橋涵結(jié)構(gòu)按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用基本組合和偶然組合；按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，采用作用短期效應(yīng)組合和作用長(zhǎng)期效應(yīng)組合。結(jié)構(gòu)典型地段荷載組合具體參見規(guī)范。

6.4 計(jì)算結(jié)果

本文選取典型斷面,在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩種狀態(tài)下,分別計(jì)算了施工情況下結(jié)構(gòu)受力，承載能力極限狀態(tài)下計(jì)算結(jié)果如圖5～圖7所示。

6.5 結(jié)果分析

通過結(jié)構(gòu)受力云圖，導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果，得到結(jié)構(gòu)受力情況，承載能力極限工況為設(shè)計(jì)值，正常使用工況為標(biāo)準(zhǔn)值，具體如表6所示(此處僅列出地板截面受力，其他部位可同樣導(dǎo)出)。

表6 底板截面內(nèi)力

將表6數(shù)據(jù)，代入如下公式：

通過上述公式，反復(fù)調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸、鋼筋型號(hào)、鋼筋數(shù)量等結(jié)構(gòu)變量，使得最終結(jié)果滿足規(guī)范要求。

7 結(jié)語

本次項(xiàng)目所在地地質(zhì)較差(多淤泥質(zhì)土)，地震烈度高達(dá)8度，對(duì)設(shè)計(jì)工作而言，是一個(gè)比較大的挑戰(zhàn)，需要設(shè)計(jì)者反復(fù)論證結(jié)構(gòu)的安全性。

通過MIDAS有限元軟件的數(shù)值模擬分析，可以得出結(jié)構(gòu)截面的受力情況，然后可以對(duì)結(jié)構(gòu)的尺寸、鋼筋型號(hào)、鋼筋數(shù)量進(jìn)行承載力和裂縫驗(yàn)算優(yōu)化，確保截面尺寸滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

參考文獻(xiàn):

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