四车道大跨公路隧道二次衬砌设计

四车道大跨公路隧道二次衬砌设计毕 强 吴金刚 (北京市市政工程设计研究总院 北京 ) 摘要：近年来，相当数量的单洞四车道大跨交通隧道涌现出来。但由于缺乏相应的隧道设计规范与经验，给大跨隧道设计工作带来了挑战。本文以四车道大跨隧道的二衬受力特点为突破口，分析了衬砌结构设计的相应技术对策，即增加衬砌厚度和提高混凝土抗压强度。通过对外部荷载、结构内力规律的总结，并结合大量计算结果，得出四车道大跨隧道软弱围岩段（V级围岩）二次衬砌的承载能力薄弱点多为混凝土抗压强度不足的结论。以深圳市石清大道羊台山隧道为依托，通过有限元计算，对比研究了“增加二衬厚度”、“设置三层衬砌”、“提高混凝土标号”等三种技术对策，并认为提高混凝土标号是最经济合理的方式。另外，结合混凝土结构耐久性设计规范(GBT50476-2008)条文规定指出，对于交通量大、受汽车尾气影响大的大跨公路隧道，应采用C40以上标号的混凝土，既能提高衬砌承载能力，又可满足耐久性方面的要求。关键词：二次衬砌，四车道隧道，大跨隧道，混凝土标号，耐久性中图分类号：U45 文献标识码：A文章编号： Optimized design for secondary lining of Four-lane highway tunnel BI Qiang WU Jin-gang(Beijing General Municipal Engineering Design and Research Institute, Beijing , China) Abstract : In recent years, a considerable number of four-lane road tunnel emerges. Due to lack of appropriate cords and experiences, large cross-tunnel design face challenges. In this paper, four-lane span tunnel damage form is introduced. Then, the corresponding technical measures of structural design of the lining is analyzed, such as, change the section of tunnel, increase the lining thickness and improve the compressive strength of concrete. Through the analysis of external load, force structure, and combined with a lot of simulation results, the secondary lining of large span tunnel in low grade rock damage because of the low compressive strength. Based on the Yangtaishan Tunell of Shenzhen Shi-Qing Road, by the finite element method, three kinds of technical countermeasures is studied, including to increase two lining thickness, to add three-lining and to use high-grade concrete” . Finally, to use high-grade concrete is considered to be the most economical and reasonable way. In addition, combined toCord for durability design of concrete structures(GBT50476-2008), it is suggested that C40 concrete should be adopted in large-span road tunnels.Keywords : secondary lining; four-lane tunnel; a large cross-tunnel; high-grade concrete; durabilityE-mail： 引言近年来随着国内交通需求量的日益增长和隧道修建技术的快速发展，高等级公路的发展势头异常迅猛1，相继出现了不少单洞四车道以上的大跨度、大断面交通隧道。目前国内已建成通车的四车道以上大跨隧道有京珠国道主干线上的龙头山隧道，隧道全长1,010m，最大开挖宽度21.4m，开挖断面积230m2；厦门成功大道万石山隧道是全国首个隧道内的完整立交，该隧道主线全长2,715m，在匝道汇入主线的交叉口，隧道内轮廓宽度达到了26m；青岛胶州湾海底隧道隧道团岛段，洞内实现五车道分叉，分叉口最大开挖跨度28.2m。以及深圳福龙路的横龙山隧道、沈大高速公路改扩建工程韩家岭隧道、贵州凯里市市政干线大阁山隧道、深圳南坪快速路的雅宝隧道等。国外一些发达国家在过去的十几年也修建了不少大跨隧道工程，并积累了一定的经验。日本的第二东名名神高速公路长490km，设计时速达140km/h，其隧道开挖宽度超过20m、开挖断面积超过200m2。英法海峡隧道分叉处断面的开挖宽度达21.2m，开挖断面积达252.2m2。 虽然国内修建四车道隧道已有一些成功的实例，部分学者也对大跨公路隧道的结构设计进行了大量研究和探讨，如黄伦海等2对雅宝隧道的断面形式、结构设计、施工方案进行了介绍；谭忠盛、招国忠等3、4以龙头山隧道为依托，对大跨公路隧道结构耐久性进行了大量的试验研究。但对于隧道设计人员，仍缺乏足够规范性的设计依据。公路隧道设计规范（JTG D70-2004）5作为公路隧道结构设计的依据，仍主要是针对双车道隧道的条文规定。公路隧道设计细则（JTG D70-2010）6 作为公路工程行业自愿采用的推荐性标准，对四车道结构设计提出了推荐性的意见。另外，混凝土结构耐久性设计规范(GBT50476-2008) 7实施以来，受各方面条件的制约，部分条文并未被公路行业尤其是隧道行业所认可和贯彻执行。本文将结合混凝土结构耐久性设计规范(GBT50476-2008)，以大跨公路隧道为例，进一步优化其衬砌结构设计。1 大跨隧道衬砌破坏形式1.1大跨隧道衬砌荷载特点隧道外部荷载的计算方式根据隧道围岩条件与隧道埋置深度的不同而截然不同。一般围岩条件好、埋置深度大的深埋隧道，由于考虑围岩自身的成拱效应，相比围岩条件差、埋置深度较小的浅埋隧道围岩压力要小得多。规范中第6.2.3条与附录E分别给出了深、浅埋隧道的荷载计算方式，其中附录E按照荷载计算方法将浅埋隧道区分为“埋深小于或等于等效荷载高度的超浅埋隧道”和“埋深大于等效荷载高度，但小于深、浅埋隧道分界深度的浅埋隧道”。根据公式对比与工程运用情况，对于四车道大跨隧道V级围岩段，当埋深达到超浅埋和浅埋隧道分界深度时， 其外部荷载达到最大值。细则分别给出了双、三车道隧道深、浅埋临界埋深和连拱四、六车道隧道临街埋深的参考值。如表1、2所示。根据细则规定与工程计算经验，单洞四车道隧道V级围岩深浅埋临界埋深约为50m，按照规范“附录E”，围岩垂直压力将接近1Mpa。显著大于双、三车道的围岩压力。因此，本文将主要以实际工程中的设计难点四车道大跨隧道V级围岩段二次衬砌为研究对象，优化其结构设计。确定隧道深浅埋的拱顶以上地层厚度 表1围岩级别双车道隧道三车道隧道81012151520203030354050连拱隧道深浅埋分界埋深参考值 表2围岩级别四车道连拱隧道六车道连拱隧道81512202030254040605080细则提出，双、三车道隧道V级围岩段的二次衬砌承担荷载比例分别不小于40%和60%。而四车道隧道的二次衬砌承担荷载比例应更大，本文建议可按照70%计算。1.2大跨隧道衬砌结构内力与普通跨度隧道相比，四车道公路隧道结构上最大的不同是扁平率要小得多。文献8、9已对扁平率变化影响结构内力做了相关研究并得出结论如下：1轴力的变化：随扁平率的减小，轴力数值增大，扁平率为0.5时的轴力约是扁平率是1时的4倍；最大轴力的位置随扁平率的减小，从墙角向上移。2弯矩变化：随扁平率减小，拱顶弯矩逐渐增大，扁平率为0.5时拱顶弯矩是扁平率为1时的5倍。最大弯矩发生在拱腰处，数值也随扁平率的减小而增大，扁平率为0.5时该处弯矩是扁平率为1时的5倍。-1.3结构承载能力薄弱点多为混凝土抗压强度不足综上所述，四车道隧道无论在外部荷载还是本身结构的受力性能上，均要比双、三车道隧道显著不利。从多个工程的计算分析结果来看在断面设计基本合理的情况下V级浅埋四车道隧道二衬最不利位置通常为偏心受压构件;如果仅参照常规的二、三车道隧道设计采用C25或C30等现场拌合情况下容易控制质量的混凝土级别，并少量增加结构厚度的设计思路，则通常二衬最不利位置表现为混凝土抗压强度不足。（详见“2结构设计技术对策”算例部分）。2 结构设计技术对策针对四车道超大跨度隧道在软弱围岩（V级）内的受力特点，设计中常采用提高扁平率、增加结构厚度以及提高混凝土抗压强度等方法。2.1 提高扁平率国内近年来修建了大量的三、四车道交通隧道；扁平率显著低于二车道交通隧道；由于隧道跨度的显著增大，单纯利用隧道断面形态的调整改善四车道隧道二衬受力性能的做法势必造成工程造价的显著增加；因此本文并不推荐在中等以上长度隧道设计过程中追求过高的扁平率。2.2增加结构厚度增加二次衬砌厚度，即通过增大结构有效高度的方法提高偏心受压构件的承载能力。以深圳市石清大道羊台山隧道为例，V级围岩浅埋段最大覆土厚度为45.72m。洞深开挖宽度20.4m，结构高度13.0m，如图1所示。图1 羊台山隧道V级围岩段复合式衬砌依据规范 “附录E”计算拱垂直土压力 与水平土压力 值为： 拱顶覆土垂直压力 拱腰覆土垂直压力 拱顶处侧向土压力 仰拱处侧向土压力按照荷载基本组合（自重+垂直土压力+水平土压力+结构附加荷载），其中垂直土压力、水平土压力均按照二衬承担70%计算，安全系数不小于2.0。采用有限元软件Midas Civil 2010进行计算，结果表明，二衬承载能力控制组合为最大轴力组合（M=1207kNm，Nmax=8210kN），计算结果如图2所示。按照规范规定，对二衬结构按破损阶段法进行承载能力验算。根据“附录K”计算公式，二衬采用C30模筑混凝土，厚度提高到h=85cm，配HRB335钢筋2810cm才能满足承载能力要求，详见表3。1）弯矩图2）轴力图图2四车道隧道结构内力V级围岩浅埋段二衬强度验算表 表3弯矩标准值M(KN*m)1197轴力标准值N(KN)8175截面高度h(m)0.85受拉钢筋面积(m2)0.006受压钢筋面积(m2)0.006公式一安全系数(K.0.9-1)2.051轴向力偏心距e0(m)0.146受拉钢筋Ag中心至受拉边缘距离a(m)0.055受压钢筋Ag中心至受压边缘距离a(m)0.055受拉钢筋Ag中心至轴向力作用点距离e(m)0.516受压钢筋Ag中心至轴向力作用点距离e(m)-0.224截面有效高度h0(m)0.795受压钢筋有效高度h0(m)0.795混凝土弯曲抗压极限强度标准值Rw(kpa)2.81E+04混凝土抗压极限强度标准值Ra(kpa)2.25E+04钢筋抗拉强度标准值Rg(kpa)3.40E+05受压区高度x(m)0.711大小偏压判定(x=0.55h0)小偏压构件是否需进行裂缝宽度验算(eo=0.55h0)不需要2.3设置三层衬砌四车道交通隧道采用三层衬砌使得最内侧衬砌（三次衬砌）可以在洞室周边收敛变形基本稳定的条件下施做；可以尽可能的发挥初衬和二衬的承载能力。细则中规定：“第三次衬砌可采用素混凝土结构；当围岩压力荷载较大需要第三次衬砌承担部分荷载时，可采用钢筋混凝土结构。”从结构承载能力来说，它仍然是利用结构厚度的增加提高衬砌的总体承载能力；当三次衬砌与二次衬砌需联合受力时，多层结构的设置方式实际上浪费了材料，增加了工程造价。同时三层衬砌的设置将导致工期的较大增长。细则中.给出了四车道隧道复合式衬砌设计参数，如表4所示。四车道隧道复合式衬砌设计参数 表4围岩级别初支厚度二衬厚度三衬厚度3055603040252850553040同样以2.1中羊台山隧道为例，采取设置三次衬砌的方法，设计参数应为：若二、三衬采用常用的C30模筑混凝土，二衬厚度h=60cm，三衬厚度h=30cm，配HRB335钢筋2810cm。2.4提高二衬混凝土标号提高二衬混凝土标号，即通过提高混凝土抗压极限强度标准值，从而提高结构的承载能力。同样以2.1中羊台山隧道为例，提高混凝土标号，对二衬结构按破损阶段法进行承载能力验算，设计参数为：二衬采用C40模筑混凝土，厚度h=70cm，配HRB335钢筋2810cm即可满足承载能力要求，详见表5。V级围岩浅埋段二衬强度验算表 表5弯矩标准值M(KN*m)1207轴力标准值N(KN)8210截面高度h(m)0.7受拉钢筋面积(m2)0.006受压钢筋面积(m2)0.006公式一安全系数(K.0.9-1)2.031轴向力偏心距e0(m)0.147受拉钢筋Ag中心至受拉边缘距离a(m)0.055受压钢筋Ag中心至受压边缘距离a(m)0.055受拉钢筋Ag中心至轴向力作用点距离e(m)0.442受压钢筋Ag中心至轴向力作用点距离e(m)-0.148截面有效高度h0(m)0.645受压钢筋有效高度h0(m)0.645混凝土弯曲抗压极限强度标准值Rw(kpa)3.69E+04混凝土抗压极限强度标准值Ra(kpa)2.95E+04钢筋抗拉强度标准值Rg(kpa)3.40E+05受压区高度x(m)0.532大小偏压判定(x=0.55h0)小偏压构件是否需进行裂缝宽度验算(eo=0.55h0)不需要近些年来由于国内交通运输水平的大幅提高，隧道工程已大量采用商品混凝土代替现拌混凝土；四车道隧道更是普遍位于或靠近大、中型城市，使全部采用商品混凝土成为可能。商品混凝土的广泛采用，使得进一步提高二衬混凝土标号成为可能。2.5小结通过2.12.4的分析比较，笔者认为通过提高混凝土标号提高二衬承载能力，是比较经济、合理的设计思路。对于四车道大跨隧道，如果将二衬模筑混凝土标号由常用的C30提高到C40，材料可节约1520%。3 耐久性要求与混凝土标号的提高按照公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范(JTG/T B07-01-2006)10 与混凝土结构耐久性设计规范(GBT50476-2008) 7基本规定，特大隧道结构设计基准期应为100年，环境分类及作用等级定义为“汽车或其它机车废气污染的C类环境”，混凝土强度等级不得小于C40。长期以来，混凝土结构的耐久性设计没有受到足够的重视。直到上世纪70年代末期，发达国家才逐渐发现原先建成的基础设施工程在一些环境因素影响下出现过早损坏。我国建设部于20世纪80年代的一项调查表明，国内大多数工业建筑物在使用2530年后即需大修，处于严酷环境下的建筑物使用寿命仅1520年。四车道公路隧道具有断面大、洞内交通量大、废气污染严重的特点，因此在执行混凝土结构耐久性设计规范(GBT50476-2008)时，应更加严格对待。因此无论从结构承载能力设计还是结构耐久性设计方面，隧道二衬均应该采用C40以上的混凝土结构。4 结论通过上述分析，本文研究