公路隧道明洞结构荷载计算方法

1、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 TunnelXie Zhuo-Xiong（Tunnel Department

2、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 bec

3、ome 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

4、 TunnelKeywords: 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

5、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编 号荷 载 分 类荷载名称1永久荷载上覆土压力主要荷载2侧向土压力3滑坡下滑力(抗滑明洞)4水压力(包括浮力)5混凝土收缩及徐变作用6可变荷载基本可变荷载公路车辆荷载7人群荷载8由车辆、人群荷载引起的侧向土压力9冲击力(公路车辆荷载)10其它可变荷载渡槽流水水压力(渡槽明洞)11车辆制动力附加荷载12温度荷载13施工荷载特殊荷载14偶然荷载落石冲击力附加荷载15地震荷载特殊荷载2. 水土合算与

6、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：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。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

7、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

8、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：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。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

9、,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

10、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 D602004)汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成，当进行整体计算时应采用车道荷载，而当考虑局部加载时则应使用车辆荷载。车道荷载作为虚拟荷载虽然已经考虑了车流密度、车型、车重、自然堵塞时的车距，并考虑了其在100年内随机变化，但是由于其荷载取值方式主要是通过对桥梁试算，调整qk和Pk的值，以求车道荷载qk和Pk加载的计算效应与汽车超20级、汽车20级加载的计算效应相接近，故在荷载确定时不可避免的引入了桥形、跨度等因数。对于隧道内的行车由于隧道全线断面基本一致计算主要方向为隧道横向，而车行方向则垂直于横断面因此如果采用车道荷

11、载作为隧道行车荷载显然不尽合理。因此对于隧道内行使的车辆荷载应采用车辆荷载进行计算。对于拱顶上方车辆荷载的计算应根据行车方向与明洞轴线的关系以及有无填土等因素综合考虑。当行车方向与隧道轴线方向垂直时可采用车道荷载、洞顶车道数以及横向折减系数进行计算，其中Pk(集中力)的位置应根据使计算确定布于最不利位置，除此以外由于洞顶存在填土还应考虑因填土产生的荷载横向扩散效应，一般荷载扩散角可取25°30°。当行车方向平行与明洞轴线时车作用于隧道结构上的荷载较行车方向垂直于明洞轴线时复杂的多。一般根据隧道顶部是否有覆土分成两种不同的算法。第一种情况，洞顶没有覆土或覆土很薄(此时隧道的顶

12、板一般是平的)，此时车轮荷载将直接作用在隧道顶板上(一般在隧道顶板上有一层10cm的装饰层)。车轮荷载作用在隧道顶板上，其产生的荷载效应通常是由一定纵向宽度的板条来承担的，其宽度的大小称为板的有效工作宽度，在计算时引入板的有效工作宽度其核心是为了考虑板在垂直跨向对荷载效应的承担作用，也就是说是为了反应荷载模型的一种空间效应。从单个车轮在板上的有效荷载分布情况，可以看出当车轮从板的中轴线向边跨移动时车轮荷载的扩散面积是减少的因而作用在计算条带上的荷载就会增加，但是由于车轮移离中轴线对于板的弯距效应也是递减的，所以对于以弯距控制的板其最不利荷载布置方式并不一定就位于跨中。最好解决上述问题的方法是通

13、过板的空间加载，求出最不利加载方式以后再使用平面梁模型进行计算，根据作者的经验(面板允许多辆车加载时)一般把两车辆对称布于中轴线的两则为最不利。第二种情况，当洞顶有覆土时，由于顶板覆土对车轮荷载起了一定的扩散作用此时车轮荷载作用在隧道顶板上的横向宽度较没有覆土时要宽得多，因此此时荷载在顶板上得作用使用均部荷载表现更为恰当。当覆土厚度大于2m时不妨参考现行地铁设计规范(GB 50157-2003)取10kpa均部荷载作为车辆荷载作用。3.6. 温度荷载隧道回填以后，地下结构外侧温度基本与周边土体温度一致，一般较为恒定，温度日差较小，而隧道内由于通风等原因温度则有较大变化，因此作者认为计算衬砌内外侧温差较计算衬砌整体的升温或降温更为重要。目前对于公路隧道内外壁温差的取值方法仍没有具体的规定，通过作者的实际计算一般取1015即可，同时还应注意在计算温度应力所产生的内力时应同时考虑混凝土徐变的影响，因此计算时弹模应取材料弹模的0.7倍。参考文献1.公路隧道设计规范 JTG D70-2004 P28；p160-1612