公路隧道混凝土结构强度和配筋问题探析

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1、公路隧道混凝土结构强度和配筋问题探析　　摘要：目前公路隧道建设，在Ⅳ级围岩浅埋地段以及Ⅴ级围岩深埋地段的二次衬砌多数采用C25素混凝土，而非钢筋混凝土，这样就会导致隧道在运营后期存在一些结构和耐久性问题。针对这个问题，本文从结构强度和耐久性两个角度进行了详细的分析，充分地论证了这种类型衬砌的一些缺陷，并针对这些问题提出了自己的解决措施，即采用C30钢筋混凝土衬砌来代替C25素混凝土衬砌，以此来提高二次衬砌在后期运营过程中的结构可靠性和耐久性。关键词：二次衬砌，混凝土，耐久性，结构强度中图分类号：TU37文献标识码：A文章编号：1前言9目前公路隧

2、道建设，在隧道设计和建设阶段为达到降低成本、优化投资的目的，二次衬砌大量采用素混凝土，并非钢筋混凝土。比如双车道公路隧道中，在Ⅳ级围岩浅埋地段以及Ⅴ级围岩深埋地段，往往只是采用40~45cm厚的C25素混凝土作为二次衬砌，并不进行配筋。在隧道建设阶段及运营初期，这些隧道能够维持结构强度和稳定性，并没有出现过多的结构问题，但是，实践已经证明，随着运营年限逐步增加，公路隧道结构同样难以避免出现诸如如混凝土碳化、地下水侵蚀、衬砌开裂以及裂纹扩展等等问题，继而威胁到结构的安全性，这就对隧道后期的维护产生了许多不利影响，并且从隧道全寿命周期的安全性来考虑

3、，也是极为不利的。针对上述问题，本文采用ANSYS数值模拟结合实际工程经验，分析了在Ⅳ级围岩浅埋地段的二次衬砌受力问题，验算了二次衬砌混凝土结构的受力状态，并针对其中的一些问题进行探讨，最后提出自己的建议以及理由。2数值计算本文对于上述讨论的Ⅳ级围岩浅埋地段以及Ⅴ级围岩深埋地段的二衬混凝土问题，采用了ANSYS有限元分析软件对Ⅳ级围岩浅埋地段的双车道公路隧道的二次衬砌进行了受力分析，分析了该型衬砌的受力特点。根据《公路隧道设计细则》（JTG/TD70-2010）,当隧道支护结构在稳定洞室过程中起主要作用、承担外部荷载较明确、自重荷载可能控制结构

4、强度时，宜采用荷载—结构模型进行内力计算，并对其极限状态进行校核[1]。所以本文采用荷载—结构模型对Ⅳ级围岩浅埋隧道进行数值模拟。所采用的地层参数根据设计细则所推荐的Ⅳ岩质围岩基本力学参数进行选取，所取参数如下表1所示。表1隧道围岩主要物理力学指标所依据的二次衬砌的实际结构的断面形式如图1所示。二次衬砌采用C25素混凝土，基本参数如表2所示。9表2二次衬砌的主要参数根据设计细则计算所得的等效荷载高度为6.34m，深浅埋的分界高度为15.8m，水平侧压力系数为0.15。对于双车道隧道，二次衬砌分担的荷载比例不小于30%，所以本次计算中，按照二衬承

5、担50%的荷载进行计算[2]，荷载计算值如下表3所示。表3荷载计算值二衬的结构计算结果如图3、4所示。图1二衬轮廓图图2模型基本结构图图3二衬弯矩图图4二衬轴力图通过上述计算，可得到各截面的轴力和对应的弯矩，强度按分项系数法检算。由图3、图4可知，二衬在拱顶、拱肩以及墙脚处弯矩较大，仰拱部位轴力最大，应对这些部位进行验算，结果如下表所示。表4二衬截面计算结果9由上述计算结果可知：二次衬砌典型截面按分项系数法检算后，结构验算能够基本满足抗拉和抗压的使用要求，基本承载力可以得到保证。但是结构的作用效应与结构的抗力值已十分接近，尤其是受拉抗力值基本与

6、作用效应相持平，对于结构的抗裂性是相对不利的，从二次衬砌的长期耐久性和使用性来说，受拉抗力的富余度略显不足。3改进措施及理由实际中在Ⅳ级围岩浅埋地段以及Ⅴ级围岩深埋地段，这种C25素混凝土衬砌大量使用，在短期内，其结构强度并不存在过多问题，但是这类衬砌由于混凝土强度等级过低、未配筋，在后期运营过程中易出现开裂、渗漏现象，对于高速公路隧道要求其设计基准期为100年，隧道的长期耐久性很难得到充分保证。所以在二衬中仅仅采用C25素混凝土并不能够完全满足结构的实际需要。因此本文建议：在这类围岩中的二次衬砌采用C30钢筋混凝土来代替C25素混凝土，以此来

7、提高二衬的抗拉承载力和长期的耐久性。以此来缓解隧道后期运营的耐久性问题，减少维护工作量，其主要理由如下：（1）混凝土强度方面9随着混凝土配制技术的不断提升和发展，以及混凝土“双掺”技术的大量使用，即在掺入粉煤灰的同时再掺入高效减水剂，混凝土的强度以及耐久性得到了很大的提升。对于C30混凝土来说，在不增加成本的前提下，强度很容易得到满足，当施工质量有保障时，混凝土的实际强度往往都可达到C35或者更高的标准，于此同时混凝土的生产成本并没有明显增加。市面销售的众多品牌的减水剂都具有很好的减水效果，以常见的聚羧酸系减水剂为例，减水率一般都可达到30%左

8、右。由于拌合用水的有效降低，混凝土的强度和使用性能获得了很大的提升，对混凝土的28天抗压强度提高幅度可达40%之多，混凝土的后期强度（56天以后）提高