公路隧道明洞结构荷载计算方法

公路隧道明洞结构荷载计算方法

谢卓雄

（广东省公路勘察规划设计院隧道设计部，广州510620）

摘要：随着公路隧道的飞速发展，特别是近年来人们越来越重视公路环保设计，作为隧道结构重要形式的明洞结构也开始倍受人们所重视。虽然明洞结构在目前设计中使用较多，但是对其结构荷载计算方法的系统论述仍较少，本文将结合有关规范和过往工程计算经验，对明洞结构荷载计算方法进行系统的论述和总结为工程设计提供参考。关键词：荷载计算方法，明洞，数值分析

Load Calculation Method for Open-Cut Highway Tunnel

Xie Zhuo-Xiong

（Tunnel Department of Guangdong Highway Design Institute, Guangzhou 510620, P. R. China ）

Abstract: With the rapid development of highway tunnels, especially in recent years, growing emphasis on Environmental protection of highway design, Open-Cut Highway Tunnel as an important form of the tunnel structure began to become popular.Although the Open-Cut Tunnel is in common use, but its structure calculation methods of the load calculation is still less discussed.this article will combine engineering calculation practice and the speciality standard to give the advice for Load Calculation Method of

Open-Cut Highway Tunnel

Keywords: load calculation method, open-cut highway tunnel, numerical analysis

随着近年公路隧道的飞速发展以及公路环保意识的加强，明洞结构使用越趋频繁，从工程实践来看一般占项目工程隧道的0.5%~2%不等。明洞结构荷载明确,与地面结构较为接近，一般采用荷载结构法进行计算。由于公路隧道起步较晚，许多计算方法和理论还不成熟，故对于明洞荷载计算的方法在多数情况下仍需要参考其它行业规范，但是由于公路隧道本身具有自身的一些特殊性，不能简单套用其它行业规范的荷载计算方法，因而造成设计人员难以确定荷载取值。本文根据有关行业规范和实际工程的计算经验对目前常用的明洞荷载计算方法做一个系统的论述和总结为工程设计提供参考。

1.作用于明洞结构上的荷载分类

作用于明洞结构上的荷载可根据下表进行分类[1],[2]。

表1 明洞结构上荷载分类表

2.水土合算与分算

隧道结构埋藏于地下，其荷载必然有土压力和水压力，一般说来涉及土压力及水压力时通常都有两种方法称为水土的分算与合算。在实际计算中采用哪一种方法应根据围岩或填土的实际情况以及计算工况来决定，一般应符合以下原则

[3]：

①当计算使用阶段工况的荷载组合时无论砂性土或粘性土，都应采用水土分算原则进行计算。

②当验算施工阶段工况的荷载组合时可根据围岩的实际情况区别对待，置于渗透系数较小的粘性土地层或采用粘性土作为回填土时可按水土合算的方式进行计算；当回填土料或围岩为砂性土时应采用水土分算的方式进行计算。

另外关于这两种计算方法还有三点应该说明：第一，无论是水土合算还是水土分算其围岩的强度参数都应采用三轴试验的固结不排水剪强度参数(CU)[4],[5]；第二，在验算施工阶段的荷载组合时对于基础的为粘性土的隧道在计算施加在隧道底部的浮力时应适当折减或把仰拱以下的的粘土层作为压重层考虑；第三，当采用水土分算时在计算土压力时应采用浮容重，当采用水土合算时应采用饱和容重。

3.主要荷载计算方法

3.1.土压力

土压力的计算虽然比较复杂但是其计算理论却讨论的最多，在大多数隧道计算手册中均有论述，故本文就跳过该部分，详细的计算方法见有关设计手册或规范。

3.3.水压力及浮力[3]

如果明洞回填以后地下水位较高，且隧道结构采用全包防水，侧此时结构将受到水压力和浮力的作用。

作用在地下结构上的水压力，原则上应采用孔隙水压力，但空隙水压力的确定比较困难，从实用和偏于安全考虑，设计水压一般都按静水压计算。其次确定设计地下水位时还应注意以下问题：

①由于季节和认为的工程活动都可能使地下水位发生变动，所以在确定设计地下水位时，不能仅凭地质勘察取得的当前结果，必须估计将来可能发生的变化。尤其是近年对水资源保护的力度加大，需要考虑结构在长期使用过程中地下水位可能的变化。

②符合结构受力的最不利荷载组合的原则：由于高水位和低水位将引起土侧压力(水土分算时水位以下浮容重，水位以上天然容重)及浮力的变化，对衬砌的拱部、边墙及仰拱等不同构件的内力影响是截然不同的，因此应根据结构实际受力的情况分别使用高水位及低水位进行计算。

3.4.混凝土收缩及徐变作用[2],[3]

超静定或厚度大的混凝土结构应考虑混凝土收缩的影响，一般采用降温法进行模拟。通常将通过对结构降温15℃模拟。混凝土的收缩是一个长期、缓慢的过程，而混凝土又是一种具有徐变性能的塑性材料。因此，由于时间效应必然引起应力的松弛，从而限制或抵消部分的收缩应力，为了考虑这种影响国内外的通常做法是通过弹模折减的方法模拟，弹模折减为原来的0.45倍。由于考虑徐变影响需要折减弹模，当需要计算混凝土收缩徐变作用及其他荷载共同作用时使用降温法就会出现困难(在其他工况下弹模是不予折减的)，因此为了可以结合其他荷载计算，可先通过对折减弹模后的结构施加降温，将其产生的应力作为应力荷载使用来实现多种荷载作用下的混凝土收缩徐变作用。

3.5.公路车辆荷载[7],[8]

根据现行《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组