东西高速公路隧道二次衬砌结构计算

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1、万方数据第29卷第4期209年8月中外公路393文章编号：1671—2579(2009)04—0393--04东西高速公路隧道二次衬砌结构计算韩常领1。张稚光1，史彦文1。张晓峰2(1．中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安710075；2．陕西省交通建设集团公司西商建设管理处)摘要：该文简要介绍了阿尔及利亚东西高速公路隧道二次衬砌的计算方法，从计算假设、荷载的确定及二衬配筋等几个方面进行了论述，与我国计算假定与习惯作法有一定的区别，可供参考。关键词：隧道；二次衬砌；围岩压力；计算公路隧道衬砌目前基本上采用复合式衬

2、砌结构，在我国，二次衬砌是根据围岩地质条件按承受部分或不承受荷载考虑；在欧洲，二次衬砌通常是按能够承担全部围岩压力进行计算，同我国有很大区别，并且在欧洲非常重视二次衬砌的理论计算，没有对二次衬砌的计算验证，其设计是不能得到业主批准的。在欧洲，没有像国内规范中推荐的衬砌结构设计参数表，同国内以工程类比为主的设计理念有一定的区别，是经过理论验证下的经验设计。本次设计遵循法国有关标准规范，结合隧道地质条件进行了多工况计算验证，为隧道衬砌结构设计提供了理论依据。1二次衬砌计算原则与计算荷载确定1．1二次衬砌计算原则在欧洲进行二次

3、衬砌计算时，一般遵循以下原则：不考虑初期支护的作用，计算中可将其弱化为围岩考虑；考虑在长期使用过程中建筑材料老化、支护材料劣化、因地质水文环境改变而产生的地质力学特性等因素；采用可靠的地质力学参数，这些应从围岩的概率性特征中提取出来(在欧洲进行的地勘工作量比国内的要多)。1．2荷载组合在衬砌结构计算中应考虑以下荷载：结构自重、围岩垂直压力、围岩侧向压力、水压力、地震力、施工(左右洞之间开挖影响)可能引起的不对称荷载等，围岩压力的确定可利用基于Bieniawski或巴顿Q分类的经验公式、泰沙基理论或利用收敛～约束曲线进行估

4、算。隧道二次衬砌计算考虑两种状态：一种是最终极收稿日期：2008—10一25作者简介：韩常领．男，教授级高工．E—mail：hanchangl@163．corn限状态；另一种是正常使用极限状态。最终承载力极限状态(ELU)验算各断面的强度(复合弯曲、剪切力)是否满足要求；正常使用极限状态(ELS)验算在正常使用过程中保持设计功能(应力、弯曲、开裂)的能力。在正常使用极限状态下，《CETU》中建议的隧道荷载组合如下：基本荷载组合：1．35Gkmax+Gkmin+1．50QK；偶然荷载组合：G尼+Ad+驴1QK；式中：Gk为

5、永久荷载；QK为可变荷载；Ad为偶然荷载；廿l为可变荷载发生的频率。但是考虑到地层与岩土体的相互作用，采用上述分项系数的方法往往会使计算结果得到扩大而失去实际意义(如塑性区的扩大)。为此，对于基本荷载组合，在不存在偶然荷载(如地震力)的状态下，CETU推荐的实用荷载组合为：Gk+1．1QK2东西高速公路隧道二次衬砌结构计算2．1计算参数的确定隧道穿越地层以全风化、强风化、弱风化页岩为主，中间夹砂岩或灰岩，为此在计算中分为两种类型断面(埋深均大于30m)。围岩地质参数及衬砌混凝土特性参数分别见表1、2。2．2计算荷载的确定

6、2．2．1围岩压力计算围岩压力按Terzaghi理论计算，围碧压力计算结果见表3。万方数据394中外公路第29卷表l围岩地质参数类别项目数值其中：b=27m。表3围岩压力表2．2．2膨胀压力隧道围岩为泥质页岩具有对水的高敏感性，存在膨胀力。垂直膨胀力(Pg。)认为作用在仰拱上，其大小在0．3～O．6MPa之间；作用于侧墙上的水平膨胀力为P卧，Pg^。i。在0．15～o．6MPa之间。详见图l。膨胀压力的可能分布工况见表4。驴粤／2·C＼．[，一e一]图。⋯Pg．胀力表4隧道膨胀力可能分布工况示意图工况膨胀力分布图工况膨胀

7、力分布图工况膨胀力分布图一Qz撬15MP攀∥、。．‰⋯‰。Q⋯‰。Q撬s撬60MPa‘、e施Q撬⋯‰。Q⋯6‰0MPaQ鬓撬⋯孙。Q如。．固‰h2．2．3两面体局部荷载两面体局部荷载主要是指开挖后可能产生的楔形坍落体，从而引起荷载不均匀分布，主要是针对衬砌背后空洞等原因而提出的。两面体局部荷载分布见表5。万方数据2009年第4期韩常领，等：东西高速公路隧道．-go衬砌结构计算395表5两面体局部荷载分布示意图注：两面体荷载不能与膨胀力同时作用2．2．4结构自重结构自身重量在计算过程中得到了考虑，其重度为25kN／m3。2

8、．3计算模型本次计算采用荷载结构法，衬砌的有限元离散化模型见图2，拱顶由结点14"--48组成，侧墙分别由结点5～13和49"-'57组成，仰拱由结点65"-87组成，连接角分别由结点88～90，1～4和58～64组成。衬砌厚度按照两种情况计算，其中断面1厚度为50cm，断面2厚度为60cm。图2二次衬砌结构计算单元