浅析某二级公路隧道结构设计

浅析某二级公路隧道结构设计

辜勇军，贺朝美

（湖南省农林工业勘察设计研究院有限公司  长沙市  410007）

摘 要：随着人民生活水平的提高，对于山区公路的技术指标要求也越来越高，因此，在山区干线公路建设中，展线困难地段往往需要设置中、短隧道。本文通过工程实例介绍了某二级公路隧道的设计，对类似工程的设计和施工具有一定的指导意义。

关键词：二级公路；隧道；设计；施工

中图分类号：U52 文献标志码：B  

0 引言

随着公路隧道建设的持续发展，对隧道设计的要求逐渐提高，充分考虑地质条件、生态环境及安全运行的因素，隧道设计应考虑线形、结构、防排水及消防等。对于地质复杂的隧道，其结构设计尤为重要；隧道结构设计应采用动态与静态相结合；工程类比与理论计算相结合。本文通过某二级公路隧道设计的论述和评价，对类似工程具有一定意义。

1 项目概况

1.1隧道概况

台望岭隧道横穿南岭山脉，系G357裁弯取直项目，G357蜿蜒盘旋通过该低山山脉，山脉北东侧为集龙乡，南西侧为益将乡，为低山地貌，有G357通过，交通条件较为便利。

本隧道所处的线路为二级公路，设计速度40km/h，根据规范净高取5.0米，净宽9米；隧道紧急停车带限界12.25m×5.0m，主洞一般地段建筑限界为9.0m×5.0m。

1.2 水文及地质

根据地质调查和勘探成果，拟建隧道区下伏基岩主要为寒武系下统（∈1）页岩、炭质页岩及碎裂状砂岩，呈夹层或互层状分布，软硬互层，岩体较为破碎。同时岩层受构造运动挤压明显，发育有向斜及背斜构造，其核部分别与路线交汇于K10+460、K10+960处，且在K10+550、K11+185处发育有两条逆断层F1、F2，未见其近期活动的痕迹，断层基本已经趋于稳定。

2 结构设计

2.1 结构计算理论

荷载结构法和地层结构法是现行隧道规范的计算方法。

荷载结构法的设计原理认为，隧道开挖后地层的作用主要是对衬砌结构产生荷载，衬砌结构应能安全可靠地承受地层压力等荷载。计算时先按地层分类法或由实用公式确定地层压力，然后按弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌内力，并进行结构截面设计。依据《公路隧道设计规范》，深埋隧道中的整体式衬砌、浅埋隧道中的整体或复合式衬砌及明洞衬砌等应采用荷载结构法计算。深埋隧道中复合式衬砌的二次衬砌也可采用荷载结构法计算。

地层结构法的设计原理，是将衬砌结构和地层视为整体共同受力的统一体系，在满足变形协调的前提下分别计算衬砌与地层的内力，据以验算地层的稳定性和进行结构截面设计。依据《公路隧道设计规范》，Ⅰ～Ⅴ级围岩中，复合衬砌的初期支护按工程类比法设计，Ⅳ、Ⅴ级围岩的支护参数采用地层结构法计算确定。Ⅰ～Ⅲ级围岩复合式衬砌中的二次衬砌作为安全储备，按构造要求设计；在Ⅳ、Ⅴ级围岩中，二次衬砌作为承载结构，可采用地层结构法计算内力和变形。

从结构受力看，荷载结构法计算受力的对象是衬砌结构，而地层结构法的受力对象是衬砌和土层。荷载结构法的全部荷载是由衬砌结构承担的，反应的是围岩在垮塌的情况下，支护结构能够承载不至于倒塌；地层结构法的全部荷载由岩土和结构来承担，充分考虑和利用围岩的自承能力，此也是新奥法设计的核心理念。隧道的围岩、初期支护和二次衬砌共同承担荷载，《公路隧道设计规范》规定隧道初期支护根据工程类比并辅以必要的理论分析确定，二次衬砌为承载结构，需计算其内力和变形。由于计算隧道结构截面处埋深较深，可按二次衬砌承担总荷载的60%计算其受力和配筋，其余40%荷载由初期支护承担。

2.2 计算方法及软件

本次计算采用荷载结构法。计算软件采用MIDAS/GTS岩土隧道结构专用有限元分析软件，基于荷载结构法，用梁单元模拟衬砌结构，梁单元宽度为单位宽度，梁高按实际设计厚度考虑。

2.3 结构计算

2.3.1  结构计算模型

图1 结构计算模型

2.3.2  材料参数

衬砌结构的计算参数参考规范数值选取，如表1所示。

表1  结构计算参数

计算中用仅受压弹簧单元模拟围岩弹性抗力，压缩状态地层弹性抗力系数：200000kPa/m。

2.3.3 围岩荷载计算

围岩压力计算关键是确定不同围岩级别深浅埋的分界高度。验算中依据《公路隧道设计规范》荷载等效高度的分类方法，并结合施工顺序，地质条件等因素综合确定。

按荷载等效高度的判定公式为：

式中：—浅埋隧道分界深度（m）；

—荷载等效高度（m）：

式中：—计算出的深埋围岩垂直均布压力（KPa）；

—围岩重度（KN/m3）；

在矿山法施工条件下，不同围岩级别深浅埋分界深度如下表所示：

表2 深浅埋隧道分界深度

根据不同围岩级别，隧道实际埋深H小于表2计算值时，按浅埋隧道考虑。

根据《公路隧道设计规范》6.2.3节规定，IV～V级围岩中深埋隧道的围岩压力为松散荷载时，其垂直均布压力及水平均布压力按下列方法计算：

①垂直均布压力计算：

式中：—垂直均布压力（KPa）；

      —围岩重度（KN/m3）；

      —荷载等效高度（m）；

      —围岩级别；

      —宽度影响系数，；

—隧道最大开挖跨度，考虑超挖影响(m)；

—每增加一米的围岩压力增减率，以=5m的隧道围岩垂直均不压力为准；当＜5m时，取＝0.2；＞5m时，可取＝0.1。

②水平均布压力按表3的规定确定。

根据隧道埋深、围岩级别、隧道开挖宽度和高度，可由上式计算出荷载等效高度hq=10.9m，Hp=27.2m，进而区分深浅埋的分界深度，分别计算围岩压力。

本项目隧道V级围岩浅埋段埋深最大处为隧道结构受力最不利的位置，因此进行V级围岩最大埋深（H=25.2m）处隧道结构的静力计算分析，其它情况进行类似复核，不在此列出。

表3 围岩水平均布压力

由于hq＜H≤Hp，所以此处作用在隧道支护结构上的竖向均布荷载为：

作用在支护结构最上部和最下部的侧向均布压力为：

代入参数：

得：

＝2.52

＝0.350

隧道的围岩、初期支护和二次衬砌共同承担荷载，《公路隧道设计规范》规定隧道初期支护根据工程类比并辅以必要的理论分析确定，二次衬砌为承载结构，需计算其内力和变形。由于计算隧道结构截面处埋深较深，可按二次衬砌承担总荷载的60%计算其受力和配筋，其余40%荷载由初期支护承担。

作用于二次衬砌上的竖向和侧向土压力为：

q=314.3×0.6＝188.6kN/m2

e1=176.4×0.6＝105.8 kN/m2

e2=239.4×0.6＝143.6 kN/m2

作用于初期支护上的竖向和侧向土压力为：

q=314.3×0.4＝125.7kN/m2

e1=176.4×0.4＝70.6 kN/m2

e2=239.4×0.4＝95.8 kN/m2

计算初期支护结构应力，对钢拱架的作用采用等效的方法，即将钢拱架弹性模量折算予喷射混凝土，计算公式为：

式中:—为折算后混凝土的弹性模量；

—为原混凝土的弹性模量；

— 为钢拱架的截面积；

—为钢材的弹性模量；

—为混凝土的截面积；

（4）结构受力计算

①二次衬砌静力计算结果

如图2所示为二次衬砌的竖向变形。从图可知道，衬砌的最大竖向变形发生在拱顶处，最大值约为-9.8mm。

图2 二次衬砌的侧向及竖向变形图

图3-1 二次衬砌轴力图

图3-2 二次衬砌弯矩图

如图3-1和3-2所示为二次衬砌的轴力和弯矩。从图可知，衬砌全断面受压，最大压力发生在拱边墙，弯矩分布不均匀，最大弯矩在仰拱端部，这说明仰拱处的受力是最大的，因此施工时应及时施做仰拱，尽早封闭衬砌，若不及时封闭，围岩自身调整盈利，荷载会传递给隧道上部衬砌结构，使衬砌结构承受更大的荷载。拱顶截面承受轴向压力N=1969kN，弯矩M=380kNm。

由于二次衬砌为弯压构件，在弯矩较大的截面处会出现截面内外侧分别受拉压的情况，各个截面的最大拉压应力分别如图4-1和4-2所示。由图可知，拱顶、拱腰、拱脚出现较大的拉压应力，为不利截面。

图4-1 最大应力图1

图4-2 最大应力图2

根据《公路隧道设计规范》对混凝土强度安全系数的规定，素混凝土结构达到抗压极限强度的安全系数不应小于2.4，达到抗拉极限强度的安全系数不应小于3.6。若二次衬砌不配筋，为素混凝土时，其静力分析结果如表4所示。

表4 二次衬砌素混凝土静力分析结果

从表中看出，拱顶、拱腰部混凝土的抗压强度不满足设计要求；拱顶、拱腰和拱脚处混凝土的抗拉强度不满足设计要求，需要对二次衬砌进行配筋设计，V级围岩二衬应为钢筋混凝土结构。

②初期支护计算结果

表5 初期支护静力分析结果

拱顶、拱腰、拱脚出现较大的拉压应力，为受力的不利截面。本计算结果是对钢混组合界面的计算结果，根据应变协调的原则，通过弹性模量的转化，可得到钢拱架应力结果，如表5。

以上结果均满足材料性能要求，结构安全。需要注意的是上述计算基于荷载结构法，未考虑锚杆支护效果，但为最不利工况，若实测静力结果内力超过上述值，应加强监测，结合监测结果和支护变形情况，对围岩支护及时进行加固。

（5）二次衬砌计算

①二次衬砌配筋计算

a.基本参数

二次衬砌采用钢筋混凝土结构，混凝土采用C25，轴心抗压强度设计值，轴心抗拉强度设计值；主筋采用HRB400，。

衬砌按矩形截面计算配筋，截面高度取衬砌厚度di为45cm，宽度均取1m；混凝土保护层厚度，截面对称布筋，实际配筋3800mm2。

b.配筋核算

计算方法采用《混凝土结构设计原理》（高等教育出版社出版）中的方法。由2.3.（4）①条知最大弯矩，相应轴力。首先判断大小偏心：

此截面不是大偏心受压而是小偏心受压。

按照《公路隧道设计规范》对钢筋混凝土小偏心受压构件的安全系数计算公式进行计算，计算K=3.25。

其它截面安全计算过程一样，不一一叙述。结果见表6：

规范规定钢筋达到计算强度或混凝土达到抗压或抗剪极限强度的安全系数不少于2.0，混凝土达到抗拉极限强度的安全系数不少于2.4。从表6可以看出，二次衬砌配筋后，钢筋混凝土结构各个截面均满足设计规范要求。

表6 二次衬砌钢筋混凝土静力分析结果

② 二次衬砌裂缝验算

根据《混凝土结构设计规范》、《公路隧道设计规范》、《混凝土结构耐久性设计标准》，衬砌配筋首先要满足承载力要求，在结构满足承载力要求前提下还需要满足最大裂缝宽度要求。配筋计算时，首先采用保护层厚度55mm，按承载力要求计算配筋量；然后混凝土保护层厚度取30mm，验算最大裂缝宽度，并调整最大配筋量，最终计算结果：衬砌结构中拱顶受拉区裂缝最大宽度0.18mm，满足规范要求。

3  注意事项

(1) 在荷载作用下，衬砌多个位置最大拉应力小于C25砼极限抗拉强度，衬砌最大压应力小于C25砼极限抗压强度，结构安全系数满足规范要求，但根据耐久性规范相关要求，二次衬砌混凝土强度提高至C30。

(2) 本次计算最大裂缝宽度标准采用0.2mm控制，根据《混凝土结构耐久性设计标准》的相关规定，裂缝验算时，混凝土保护层厚度取3cm。结构设计时，已考虑以上条件。

(3)以上仅取最差V级围岩最不利情况进行计算分析，在工程实例中，应根据具体情况针对每种情况进行验算。

4  结语

由上所述，隧道结构计算步骤主要如下：（1）确定隧道轮廓尺寸；（2）根据围岩类别、隧道宽度及施工方法等确定荷载等效高度值判别浅埋和深埋隧道；（3）根据隧道埋深确定最不利状况；（4）根据最不利状况计算围岩压力；（5）利用荷载结构法计算二次衬砌的强度并进行配筋设计；（6）根据工程类比法设计初期支护并根据地层结构法进行支护参数的验算。

隧道设计属于施工前预设计，其设计是根据工程实例采用工程类比设计与理论计算相结合的方法，需根据洞内外地质调查、岩土力学实验、施工观测及现场监控测量等施工反馈信息，分析确定围岩参数，最终确定和修改支护参数，其设计应与施工应动态配合，设计用来指导施工，施工后的监测用来指导动态调整设计，其相辅相成才能确保隧道在施工阶段和运营阶段的安全、经济。

参考文献：

[1] JTG 3370.1-2018 公路隧道设计规范[S]．

[2] JTG/T D70-2010 公路隧道设计细则[S]．

[3] GB 50010-2010（2015版） 混凝土结构设计规范[S]．

[4] GB/T 50476-2019 混凝土结构耐久性设计标准[S]．

作者简介：辜勇军（360424198104190576），男，毕业于兰州交通大学；高级工程师，主要从事道路与桥梁设计工作；

工作单位：湖南省农林工业勘察设计研究总院；

联系地址：长沙市城南中路232号；

联系电话：15084832478；

E-mail：32693651@qq.com