浅析公路隧道结构设计体会

李艳春 王 洋

近几年,大型公路项目纷纷上马,随着公路等级的不断提高,大桥梁长隧道的兴建,方便了人们的出行。

隧道工程设计已成为公路设计中的重要组成部分。随着隧道结构越来越复杂,结构设计成为了结构工程师在设计工作中的难度和重点。加强结构设计质量,重视结构设计中存在的问题,都应从结构体系加以科学严谨的分析。下文为本人近年来在公路隧道结构设计中总结的体会,供设计人员参考。

1 隧道结构设计的依据

1.1 基于围岩的分类设计

这种方法是根据勘测钻探所提供的围岩分类情报资料,预先确定出对于各类围岩的设计开挖断面和设计支护形式,如隧道的各部尺寸、锚杆的长度、间距、喷射混凝土和模筑混凝土的厚度,然后据以计算出每米的开挖工程量、锚杆的重量、喷射混凝土和模筑混凝土的数量等,设计时只需将山体分类围岩的长度乘以对应于每类围岩的每米设计工程量,这样,隧道的开挖和衬砌两项的初步设计工作就基本完成。

目前,国内外公路隧道大都是依据围岩的分类来进行设计的。因为这种方法技术要求明确又直观,设计人员容易掌握使用。

1.2 基于以往经验和工程类比的设计

这种方法是根据以往工程的实际施工经验资料,即参照当地已建成隧道的地质情况和断面形状,以及支护形式等,与拟建设计项目类比进行设计。

由于影响隧道设计的因素很多,故很难从已建成隧道工程中找到地质情况和支护形式等完全与建设项目相一致的情况,所以实际工作中较少采用。

1.3 基于理论分析和数值分析的设计

当地质情况特别复杂,尤其是埋置很浅的隧道,以及所经路线附近又有其他人工构造物,或有其他特殊要求时,一般可考虑采用解析的方法解析设计。如用有限元法分析隧道开挖时间、空间效应的三维问题等。

2 隧道结构体系计算分析

2.1 传统结构力学体系计算分析

传统结构力学体系将支护结构和围岩分开来考虑,支护结构是承载主体,围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承,故又可称为荷载—结构结构体系。围岩的承载能力越高,它给予支护结构的压力越小,弹性支承约束支护结构变形的抗力越大,相对来说,支护结构所起的作用就变小了。

利用这类结构力学体系进行隧道支护结构设计的关键问题,是如何确定作用在支护结构上的主动荷载,其中最主要的是围岩所产生的松动压力,以及弹性支承给支护结构的弹性抗力。一旦这两个问题解决了,剩下的就只是运用普通结构力学方法求出超静定体系的内力和位移了。属于这一类结构力学体系的计算方法有:弹性连续框架(含拱形)法、假定抗力法和弹性地基梁(含曲梁和圆环)法等。假定抗力法和弹性地基梁法则已形成了一些经典计算方法。由于这个结构力学体系概念清晰,计算简便,易于被工程师们所接受,至今仍很通用,尤其是对模筑衬砌。

2.2 岩体力学结构体系计算分析

岩体力学结构体系视围岩为承载主体,支护结构则为约束围岩变形的。它是将支护结构与围岩视为一体,作为共同承载的隧道结构体系,故又称为围岩—结构结构体系或复合整体结构体系。在这个结构体系中围岩是直接的承载单元,支护结构只是用来约束和限制围岩的变形,这一点正好和上述结构体系相反。复合整体结构体系是目前隧道结构体系设计中力求采用的并正在发展的方向,因为它符合当前的施工技术水平。

在围岩—结构结构体系中可以考虑各种几何形状,围岩和支护材料的非线性特性,开挖面空间效应所形成的三维状态,以及地质中不连续面等等。在这个结构体系中有些问题可以用解析法求解,或用收敛—约束法图解,但绝大部分问题,因数学上的困难必须依赖数值方法,尤其是有限单元法。利用它进行隧道结构体系设计的关键问题,是如何确定围岩的初始应力场,以及表示材料非线性特性的各种参数及其变化情况。一旦这些问题解决了,原则上任何场合都可用有限单元法围岩和支护结构应力和位移状态。

3 隧道结构设计中应注意的问题

3.1 隧道结构荷载计算问题

隧道结构上的荷载分为:永久荷载(恒载),如围岩压力、结构自重力、填土压力及混凝土收缩和徐变影响力等;可变荷载,包括公路车辆荷载、人群荷载、立交公路车辆荷载及其所产生的冲击力和土压力、立交铁路列车活载及其所产生的冲击力和土压力、立交渡槽流水压力、温度变化的影响力和冻胀力等;偶然荷载,有落石冲击力与地震力等。在结构计算时考虑荷载类型,按其最不利组合进行计算。

3.2 隧道支护结构选择问题

隧道支护结构也就是隧道衬砌,结构工程师在选择衬砌结构时,要充分了解各种衬砌结构的优缺点,在设计支护时,要充分的考虑各种可能情况,进行多次论证,以免施工图设计阶段被动。

3.3 隧道结构抗震设计的基本原则问题

针对抗震特点,加强构造措施是抗震设计的重要方面。应从抗震实践出发,保证结构的整体性和连续性,保护人身及重要设备不受损害,同时也能达到对震波有一定吸附能力,加强构造物的使用寿命。所以,忽略其中任何一个方面都会给结构设计或后期工程造成较大影响。

3.4 隧道结构计算的空间问题

不能只将隧道结构简化为平面应变问题来研究,应把隧道结构引入“空间效应”中,以考虑空间工作状态的影响。由于隧道工程埋深、地质条件及断面形式不同,在结构空间计算时需加以分析,以避免后期设计工作大量修改后埋下安全隐患。

3.5 结构设计安全度考虑与见解

确定结构的安全设计,应充分考虑到国家和社会的经济、现有技术水平,结构的使用周期,结构的功能需求,以及增加安全度与增加费用之间的关系。目前,我国现行规范的设计安全度在总体上是合适的,只要施工质量保证,设计不出错误,安全程度已能满足要求。但由于施工和材料的管理水平尚与国外有较大差距,结构的实际安全储备仍会偏低。实践已经证明将现行设计可靠度水平适当提高一点,这样投入不大,却对国家总体和长远利益有利。

3.6 隧道衬砌截面强度验算与分析

目前,国内公路隧道设计规范规定,隧道结构截面按破坏阶段检算构件截面强度。规范对隧道衬砌和明洞的混凝土偏心受压构件的轴向力偏心距限制为:不宜大于0.45倍截面厚度;石料砌体偏心受压构件不宜大于0.3倍截面厚度。基底偏心距限制为:岩石地基不应大于0.25倍墙底厚度;土质地基不应大于1/6倍墙底厚度。

隧道衬砌和明洞的基底应力不得大于地基容许承载力。隧道衬砌地基容许承载力可根据围岩类别用工程类比和经验估算的方法加以确定,有条件的可进行现场实验。

4 结语

结构设计是一门经验科学,特别注重设计师在工作中总结经验,对设计中存在的问题,特别是容易被忽略的问题,加以发现与分析,是提高设计质量、优化结构设计的一项重要内容。设计师不仅要求熟练掌握结构计算的理论与方法,更应具备结构设计概念、经验、悟性、判断力和创造力。不断总结设计经验,提高自己的业务能力和技术水平,从隧道工程安全性、经济性、舒适性和功能性出发,设计出结构合理的绿色建筑物。

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[5] 李宁军,曹文贵,刘 生.公路建设百问丛书——隧道设计与施工百问[M].北京:人民交通出版社,2004.