对某快速路隧道主体结构设计的分析|隧道结构的主体构造物
时间：2019-05-16 03:17:57 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：道路建设随着经济的不断发展而逐步提出更高的要求。本文笔者结合实例就某快速路的隧道主体结构设计进行了探讨。 关键词：原则；分析；加固； 一、概况
某快速路隧道为长距离浅埋式隧道，隧道建筑长度为1495m。其中暗埋段长1135m，敞开段长360m。全线隧道分为敞开段、暗埋段、匝道并入暗埋段、暗埋段、敞开段的结构布置。暗埋段采用单箱双室结构。
二、结构计算原则
① 结构计算根据工程地质和水文地质条件及城市规划要求，结合周围地面既有建筑物、管线及公交状况，通过对技术、经济、环保及使用功能等的综合比较，合理选择施工方法和结构型式。结构计算应考虑施工、运营、城市规划、防水、防火、防迷流的要求，保证结构具有一定的安全性和耐久性。
② 结构横断面建筑限界和净空尺寸，应在满足建筑和设备限界的基础上,考虑测量误差、施工误差、结构变形和不均匀沉降的需要，预留适当的裕量。
③ 隧道断面形状和结构形式,应根据工程地质及水文地质条件、使用要求、埋置深度、施工方法及断面尺度等，从受力、结构稳定和环境保护等方面综合考虑，合理确定。
④ 隧道施工引起的地表沉降应控制在环境条件允许的范围内。根据周围环境、建筑物基础和地下管线对变形的敏感程度，采取稳妥可靠的措施。采用明挖法施工，地面沉降量一般宜控制在20mm以内。当穿越重要的建筑物和地下管线时，上述数值应按照允许的条件确定。
⑤ 结构计算应进行强度、刚度、稳定性、抗浮和裂缝宽度验算，并满足施工工艺的要求。
⑥ 隧道结构一般进行横断面方向的受力计算，遇到下列情况时，则应对其纵向强度和变形进行分析。
A、覆土荷载沿隧道纵向有较大的变化；
B、基底地层或基础有显著差异时。
⑦ 隧道区间在结构、地基、基础或荷载发生显著变化的部位，或因抗震要求必须设置变形缝时，应采取可靠的工程技术措施，确保变形缝两侧的结构不产生影响正常行车的差异沉降的曲率变化。
⑧ 设计时考虑公交汽车停靠站二期工程对已建成一期工程的影响，计算中应考虑二期施工对已有结构单侧土体开挖造成侧向土压力卸载对结构安全的影响。
三、结构内力分析
1、荷载与组合
(1)、荷载取值：
结构自重：钢筋混凝土重度γ=25KN/m3
地层压力：竖向压力：框架顶板按计算截面以上全部土柱重量考虑。
水平压力：施工期间支护结构的外土压力按朗金公式的主动土压力计算。使用阶段结构侧壁承受的水平力按静止土压力计算。设计采用的侧向水、土压力，对于不透水土地层采用水土合算，对于透水性土地层采用水土分算的办法。
计算中计入地面荷载以及施工机械等引起的附加水平侧压力。
侧向地层抗力和地基反力：根据基床系数采用弹簧进行模拟。
活荷载：汽车荷载采用城市A级车道荷载，人群荷载采用4.5KN/m2计算。
浮力及静水压力：按设防水位和实际水位设计，并考虑水位变化的不利影响。
施工荷载：结构设计中考虑各种施工荷载可能发生的组合，按q=10 计算。
地面超载：一般可按20kPa计算，并考虑扩散后作用在地下结构上。对于土厚度特别小的地下结构，按城市A级车道荷载计算，并考虑冲击系数。
地震荷载：按Ⅵ度地震设防，采用等代静荷载法，包括：结构本身、结构上方土柱的惯性力以及侧向土压力的增量。
人防荷载：Ⅵ级抗力地面空气冲击波超压ΔPm=0.1MPa。
(2)、荷载组合
荷载组合表（表9）
（括号内荷载有利的情况）
2、计算简图
采用荷载-结构模型平面杆系有限单元法。假定框架结构为小变形弹性梁，将结构离散为多个等厚度直杆梁单元。结构底板各节点上设置单向受压弹性约束抵抗结构反力。初期支护在施工期间承受施工荷载、土压力。正常使用期间由结构承受全部水土压力和其他各种荷载。降水措施作为安全储备，不考虑在结构计算内。计算简图见下图。
主线暗埋段计算简图
主线+匝道暗埋段计算简图
3、初步计算结果及分析
(1)、主线暗埋段
弯矩图（最大弯矩）（kN.m）
弯矩图（最小弯矩）（kN.m）
变形图 （m）
(2)、主线+匝道暗埋段
弯矩图（最大弯矩）（kN.m）
弯矩图（最小弯矩）（kN.m）
变形图 （m）
计算结果显示，最大弯矩出现在中隔墙处顶板上缘及底板下缘（外侧受拉），箱室跨中处顶板下缘及底板上缘处也较大（内侧受拉），此外结构边墙墙角受力也较大。根据内力分析，对结构单元采用偏心受压构件进行计算，框架结构采用普通钢筋混凝土能够满足正常使用的需求，配筋设计以正常使用极限状态下短期荷载效应组合（考虑结构自重、顶板竖向填土压力恒载、边墙侧壁水平土压力恒载、地面超载、水浮力、行车道汽车活载等进行组合），以最大裂缝宽度0.2mm作为控制进行配筋设计。经验算构件满足承载能力极限状态设计相关要求，并符合抗震、人防等偶然组合强度验算以及抗浮验算相关规定。
隧道的主体结构采用C40防水钢筋混凝土（抗渗等级S8），垫层采用C20砼。隧道主体结构纵向变形缝间距不大于30m。根据工程类比与计算，对于不同深度的埋深分段采用不同的结构厚度。
结构设计参数一览表 （表10）
根据道路总体设计，隧道暗埋段结构覆土最大达6.0m左右，由于隧道结构箱体宽，覆土厚，因此覆土回填部分采用EPS轻质材料以减轻荷载。
隧道长1495m，其中暗埋段1135 m，暗埋段经计算均能满足自抗浮要求，抗浮系数≥1.05。隧道敞开段长360米，经计算大部分敞开段结构在地下水位恢复后存在抗浮能力不足问题，必须考虑该段结构的抗浮。采用钻孔灌注桩做抗拔桩来满足抗浮要求是解决本工程抗浮问题的有效方案。即在结构下设置不同数量和深度的钻孔灌注桩。抗拔桩技术成熟，在实际工程中运用较多，结构安全可靠，对结构的长久运行有利，故推荐抗拔桩作为隧道敞开段的抗浮措施。
四、地基加固处理
1、变形缝两侧
变形缝两侧如发生较大差异沉降，可能会破坏变形缝处防、止水材料，引起渗漏水。为控制变形缝两侧结构差异沉降，在变形缝两侧各3米范围进行深层搅拌桩加固，加固深度基坑底面下4米。
2、围护结构两侧被动区土体
软土地区深基坑工程结构沉降主要来自于基坑底土体底鼓（隆起）后的再次压缩沉降。而通过加固被动区土体以改善其岩土物理、力学性质可以有效减小基底隆起量，有利于基坑工程的安全，也有利于控制隧道结构浇注后基底土体的压缩沉降。加固方案：在两侧围护结构内侧各3米范围进行深层搅拌桩加固，加固深度为基坑底面下4米。
五、结论
每个公路项目在运营期间的变形、沉降及水位变化监测都十分重要，在可能的危险情况出现之前，可以采取及时有效的工程措施来保证隧道的抗浮稳定、沉降控制和结构受力安全。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
