城市下穿隧道封閉段結構受力分析

羅 鑫

(廣東省交通規劃設計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達，下穿隧道因其在城市交通中不可或缺的重要地位，越來越多的出現在我們的身邊，伴隨而來的許多問題(運營期間結構滲漏水、暴雨天雨水倒灌)引起了人們的關注[1,2]，本文就設計期間參與的廣佛江快速通道項目中的茶坑隧道為例，詳細介紹了隧道設計期間結構計算參數選取、計算過程、計算思路、計算結果的處理等問題，相關結論及過程可供同行從業人員討論以及為類似項目提供借鑒。

茶坑隧道位于新會區會城街道茶坑村附近，起點在茶坑村西側，沿茶坑村西側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，路段終點設置在三江鎮官田村，該路段路線長3.30 km。隧道起始里程K40+025～K40+585，全長560 m。

2 主要技術標準[3,4]

隧道設計主要依照JTG D60—2004公路橋涵設計通用規范、GB 50010—2010混凝土結構設計規范以及JTG D70—2004公路隧道設計規范進行設計。

2.1 幾何設計標準

1)公路等級：一級公路，60 km/h；

2)設計車道：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 隧道結構設計標準

1)工程結構安全等級：一級；

2)車輛荷載等級：公路—Ⅰ級；

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)抗震設防：結構設防烈度為8度。

3 主體結構方案

封閉段典型結構斷面形式如圖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 設計參數[5,6]

1)隧道結構材料。

混凝土強度等級：C35；

鋼筋：HRB300，HRB400。

2)混凝土參數。

混凝土參數見表1。

表1 混凝土參數表

3)鋼筋參數。

鋼筋參數見表2。

表2 鋼筋參數表

5 設計荷載

5.1 荷載類型

本次隧道設計為一級公路上的下沉隧道，結構所承受的作用可分為永久荷載、可變荷載和偶然荷載三類，相關內容見表3。

表3 計算荷載表

5.2 永久作用

1)結構自重。

結構自重按結構設計的尺寸與材料單位體積的自重計算。相關材料重度見表4。

2)覆土荷載。

覆土荷載可根據地勘資料所給的覆土重度及計算斷面隧道頂板埋深確定。

表4 相關材料參數表

3)土側壓力。

隧道置于砂性土和滲透系數較大的粘性土組成的地層，在結構驗算中土側壓力采用水土分算原則；對于粘土和淤泥質土等滲透系數小的土質，采用水土合算的計算原則。在設計時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算。

4)水的浮力。

本次計算考慮豐水期，設計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構應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《公路橋涵設計通用規范》規定的車輛荷載。

2)施工荷載。

隧道在施工過程中所承受的荷載主要包括結構自重，側向土壓力，側面超載。

3)溫度荷載。

外露結構及覆土小于1 m或位于受外界影響較大的洞口段應考慮溫度影響。

4)人群荷載。

人群荷載標準值為3.5 kN/m2。

5.4 偶然荷載

1)地震作用。

地勘報告顯示地震基本烈度為7度。本項目按抗震設防烈度為8度進行抗震計算。

a.隧道封閉段的地震作用。

隧道襯砌上任一計算質點的水平地震荷載，按下式計算：

Eih=CiCzKhGis。

其中，Eih為水平地震荷載，kN；Ci為重要性修正系數，取1.7；Cz為綜合影響系數，取0.25；K0為水平地震系數，取0.2；Gis為結構計算點的重力,kN。

由于隧道頂部承受荷載較大，地震作用可視為質量集中在隧道頂部的單質點振動，即水平地震荷載Eh集中作用于隧道頂部，并取Gis為隧道結構上部的總重力荷載。

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，因此應對其進行計算，汽車撞擊力標準值可取500 kN，作用位置為行車道上1.2 m處。

6 結構計算

6.1 計算程序

采用MIDAS(CIVIL及GTS)版。

6.2 計算荷載和模型建立

計算方法采取荷載—結構法。結構采用梁單元模擬，結構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；相關荷載(土壓力、車輛荷載等)嚴格按上述分析流程代入相關數據后進行取值，選取封閉段典型斷面進行建模計算。結構典型斷面荷載示意圖及計算模型如圖2，圖3所示,結構計算截面如圖4所示。

6.3 荷載組合

按照《公路橋涵設計通用規范》規定，公路橋涵結構按承載能力極限狀態設計時，應采用基本組合和偶然組合；按正常使用極限狀態設計時，應根據不同的設計要求，采用作用短期效應組合和作用長期效應組合。結構典型地段荷載組合具體參見規范。

6.4 計算結果

本文選取典型斷面,在承載能力極限狀態和正常使用極限狀態兩種狀態下,分別計算了施工情況下結構受力，承載能力極限狀態下計算結果如圖5～圖7所示。

6.5 結果分析

通過結構受力云圖，導出計算結果，得到結構受力情況，承載能力極限工況為設計值，正常使用工況為標準值，具體如表6所示(此處僅列出地板截面受力，其他部位可同樣導出)。

表6 底板截面內力

將表6數據，代入如下公式：

通過上述公式，反復調整結構尺寸、鋼筋型號、鋼筋數量等結構變量，使得最終結果滿足規范要求。

7 結語

本次項目所在地地質較差(多淤泥質土)，地震烈度高達8度，對設計工作而言，是一個比較大的挑戰，需要設計者反復論證結構的安全性。

通過MIDAS有限元軟件的數值模擬分析，可以得出結構截面的受力情況，然后可以對結構的尺寸、鋼筋型號、鋼筋數量進行承載力和裂縫驗算優化，確保截面尺寸滿足設計和規范要求。

參考文獻:

[1] 黃 曦.城市下穿隧道交通安全分析[D].成都:西南交通大學碩士學位論文,2013.

[2] 肖 寒.基于駕駛人生理特性的城市下穿隧道安全改善研究[D].合肥:合肥工業大學碩士學位論文,2017.

[3] JTG D70—2004,公路隧道設計規范[S].

[4] JTG/T D70—2010,公路隧道設計細則[S].

[5] 廣佛江快速通道江門棠下至三江段(第二設計合同段)初測初勘[Z].2013.