明挖下穿隧道計(jì)算方法探討

樊長(zhǎng)剛

(中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，四川成都 610081)

隨著生活水平的不斷提高，城市車行交通壓力不斷加大，特別是中心城區(qū)平交路口已不能滿足發(fā)展的需要，城市中重要的交叉路口常采用立交方式處理，主交通流方向采用跨線高架橋或下穿隧道。由于修建高架橋會(huì)帶來(lái)道路景觀、行車視線、汽車噪聲的問(wèn)題，影響周邊地塊的商業(yè)價(jià)值和居住環(huán)境，現(xiàn)越來(lái)越多平交路口改造采用下穿隧道的方式。

明挖下穿隧道閉口段多采用鋼筋混凝土矩形框架斷面，隧道框架結(jié)構(gòu)修建后，框架兩側(cè)基坑采用回填土回填夯實(shí)，雖采用人工夯實(shí)，在隧道建成后一定時(shí)間段內(nèi)，其新近回填土的密實(shí)度以及回填土與框架側(cè)墻緊密度仍無(wú)法與原狀天然地基土比擬。根據(jù)回填土的特性，設(shè)計(jì)計(jì)算模擬時(shí)多采用不考慮框架側(cè)墻水平彈性約束的計(jì)算模型，少數(shù)情況計(jì)算模擬時(shí)采用考慮框架側(cè)墻水平彈性約束的計(jì)算模型。下面以雙向四車道的單箱雙室矩形框架為例，分別對(duì)采用不同水平彈性約束條件的模型進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)比不同水平彈性約束條件下框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分配，確定合理的計(jì)算模型。

1　隧道框架斷面

框架為單箱雙室斷面，單室凈高5.5 m，凈跨9 m，頂板厚度0.7 m，底板厚度0.8 m，側(cè)墻厚度0.7 m，中墻厚度0.5 m。頂板覆土等厚，厚度為2.5 m(圖1)。

圖1　框架結(jié)構(gòu)斷面(單位:cm)

設(shè)計(jì)汽車荷載：城-A級(jí)；人群荷載：4.0 kPa；板頂覆土平均容重21 kN/m3；側(cè)墻回填土內(nèi)摩擦角30°；整體升降溫10°；地下水位頂板頂處；基底持力層為稍密卵石層，豎向基床系數(shù)25 000 kN/m3；側(cè)墻兩側(cè)砂卵石回填，考慮水平彈性約束時(shí)，水平基床系數(shù)15 000 kN/m3。

2　計(jì)算模型

2.1　計(jì)算模型一

不考慮側(cè)墻水平彈性約束(圖2)。

圖2　框架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型一

2.2　計(jì)算模型二

考慮側(cè)墻水平受壓彈性約束(圖3)。

圖3　框架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型二

3　計(jì)算結(jié)果

兩種計(jì)算模型分布從承載能力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)彎矩、軸力和剪力進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1　計(jì)算模型一

不考慮側(cè)墻水平彈性約束(圖4～圖6)。

3.2　計(jì)算模型二

考慮側(cè)墻水平受壓彈性約束(圖7～圖9)

3.3　計(jì)算結(jié)果對(duì)比

兩種計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。

頂、底板彎矩、剪力(絕對(duì)值)模型一均較模型二大2 %～3 %；頂、底板剪力(絕對(duì)值)模型一較模型二大1.3 %；頂、底板軸力(絕對(duì)值)模型一較模型二小8 %～37 %。

圖4　承載力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)彎矩包絡(luò)圖一

圖5　承載力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)剪力包絡(luò)圖一

圖6　承載力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)軸力包絡(luò)圖一

圖7　承載力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)彎矩包絡(luò)圖二

圖8　承載力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)剪力包絡(luò)圖二

結(jié)構(gòu)部位模型一:不考慮側(cè)墻水平彈性約束模型二:考慮側(cè)墻水平受壓彈性約束彎矩/(kN·m)剪力/kN軸力/kN彎矩/(kN·m)剪力/kN軸力/kN最大最小最大最小最大最小最大最小最大最小最大最小頂板支點(diǎn)處-659-1061548371-97-270-646-1028541366-133-335跨中處41325400-97-27039824600-133-335底板支點(diǎn)處900611581403-165-519882598574398-206-562跨中處-340-50800-165-519-333-49400-206-562側(cè)墻支點(diǎn)處-348-601519165-401-561-380-652562206-356-511跨中處107-13900-351-500158-9000-407-572中墻支點(diǎn)處0000-823-11920000-813-1177跨中處0000-787-11480000-776-1134

側(cè)墻支點(diǎn)處彎矩(絕對(duì)值)模型一較模型二大8 %～9 %，側(cè)墻跨中處彎矩最大、最小值模型一均較模型二小48 %～54 %；側(cè)墻剪力(絕對(duì)值)模型一較模型二小8 %～24.8 %；側(cè)墻軸力(絕對(duì)值)模型一較模型二小10 %～16 %；。

中墻軸力(絕對(duì)值)模型一較模型二大1.3 %。

3.4　結(jié)果小結(jié)

3.4.1頂板和底板

明挖下穿蘇雕結(jié)構(gòu)都設(shè)計(jì)有外防水體系及其保護(hù)層(聚乙烯泡沫板、磚砌墻等)，或采用支護(hù)樁結(jié)構(gòu)對(duì)基坑開(kāi)挖作臨時(shí)支護(hù)，以致水平向水、土壓力不能完全有效的作用于側(cè)墻，甚至水平向水、土壓力無(wú)法作用于側(cè)墻的情況也常出現(xiàn)。基于此，多數(shù)設(shè)計(jì)單位對(duì)頂板和底板設(shè)計(jì)驗(yàn)算時(shí)，都不考慮頂、底板軸力的有利影響，偏安全的采用純彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，這個(gè)也在JTG D61-2005《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中7.0.6條對(duì)蓋板涵的蓋板也作了類似的規(guī)定。

頂板和底板采用模型一按純彎構(gòu)件進(jìn)行彎矩、剪力進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算是合理的，且偏安全。

3.4.2側(cè)墻

側(cè)墻是偏心受壓、受剪構(gòu)件，側(cè)墻支點(diǎn)處采用模型一按壓彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)是偏安全的；側(cè)墻跨中處采用模型一按偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)是偏不安全的，但其彎矩絕對(duì)值較小，軸力計(jì)算值偏小，同時(shí)考慮水平向水、土壓力作用不確定性，側(cè)墻作適當(dāng)加強(qiáng)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)安全度也同樣可以保證。水平向水、土壓力完全有效作用于側(cè)墻時(shí)，其側(cè)墻剪力驗(yàn)算采用模型一是不安全的，需特別注意抗剪的驗(yàn)算。

3.4.3中墻

中墻是純壓或小偏心受壓構(gòu)件，中墻結(jié)構(gòu)安全富裕度通常較大，模型一內(nèi)力較大，中墻采用模型一進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算是合理的，且偏安全。

4　結(jié)論

明挖下穿隧道結(jié)構(gòu)閉口段多采用鋼筋混凝土矩形框架斷面，計(jì)算采用不考慮側(cè)墻水平彈性約束的模型大多數(shù)情況都可以取得較好的適用性和安全度，對(duì)類似明挖下穿隧道的計(jì)算提供借鑒和參考，減少對(duì)比設(shè)計(jì)計(jì)算的工作量。有如下幾點(diǎn)應(yīng)引起注意：

(1)頂板和底板結(jié)構(gòu)抗彎和抗剪驗(yàn)算建議按純彎構(gòu)件設(shè)計(jì)。

(2)側(cè)墻結(jié)構(gòu)抗彎、抗壓和穩(wěn)定性建議按偏心受壓構(gòu)件設(shè)計(jì)；側(cè)墻抗剪驗(yàn)算是偏不安全的，建議側(cè)墻不計(jì)軸力按照純彎構(gòu)件進(jìn)行抗剪驗(yàn)算，其軸力作抗剪驗(yàn)算的安全儲(chǔ)備。

(3)中墻結(jié)構(gòu)抗彎、抗壓和穩(wěn)定性建議按偏心受壓構(gòu)件設(shè)計(jì)。