某隧道主体结构内力计算及配筋设计

孙建波 李登寿 史金录 刘 渊 徐大桥

（1.中信建设有限责任公司，北京 100027；2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430000）

0 引言

随着中国公路路网建设的日益完善，隧道成了公路中不可或缺的一部分，隧道数量越来越多，建设里程也与日俱增。我国水文地质条件较为复杂，隧道衬砌结构是防止隧道围岩坍塌或变形的重要的永久性支护结构，因此在进行隧道衬砌结构设计时，需要确保能够准确地进行衬砌内力计算，并且得出准确的计算结果，为下一步设计提供基础，从而保证工程的施工和运营安全［1］。本研究采用SAP84软件，基于国道321线，对下穿红桥街及汉安大道隧道工程的隧道主体结构进行内力计算，并进行配筋设计，为隧道衬砌结构的设计提供依据。

1 工程概况

内江市国道321 线（汉安大道至西林大道）改造工程场地位于内江市高新区地界，国道321 线为城市主干道，主路设计速度为60 km∕h，双向六车道，道路红线宽度为60 m。该项目为下穿红桥街及汉安大道隧道工程K0-265～K0+710 段，全长975 m；其中敞开段桩号为K0-265～K0-060、K0+530～K0+710，长度为385 m；暗埋段桩号为K0-060～K0+530，长度为590 m。

2 工程地质与水文地质条件

根据道路地质勘探资料显示，本段隧道地质岩层主要处于素填土、粉质黏土、强风化泥岩和中风化泥岩、强风化砂岩和中风化砂岩。拟建工程场地属于构造剥蚀浅丘地貌，线路跨越多条浅丘及冲沟，工程场地地形有较大起伏，施工前地面标高约326.00～388.00 m，最大相对高差达62.00 m。

现场勘测表明，隧道拟建场地整体为浅丘地貌，岩土层从上至下可分为四层：第四系全新统人工填土层、第四系全新统坡洪积粉质黏土层、第四系全新统残坡积粉质黏土层和侏罗系中统上沙溪庙组基岩。地下水主要由基岩裂隙水和上层滞水两部分组成，根据《供水水文地质勘察规范》（GB 50027—2001），本场地水文地质条件复杂程度较为简单［2］。场地素填土为强透水层，淤泥质粉质黏土、粉质黏土和下伏基岩为相对隔水层，场地环境类别为Ⅱ类。

3 结构内力计算及配筋设计

3.1 计算原则及计算假定

综合分析隧道的地质、埋深、地面活载及地表建筑物的情况，选择隧道结构最不利的受力特征工况，根据不同的荷载组合对隧道进行横向的受力计算，从而确定隧道的结构设计参数。

在内力计算时遵守以下原则：①基坑安全等级为二级；②确定结构的安全等级为一级，构件的重要性系数取1.1；③隧道衬砌主体结构简化为平面问题进行分析，按弹性地基梁法进行内力和位移计算；④主体结构内力计算按照可能出现的永久荷载、可变荷载、偶然荷载按照最不利荷载组合进行计算，根据极限承载能力状态对结构进行验算；⑤根据隧道结构实际工作环境，确定结构计算简化模型，结构计算模型需要准确反映结构与周围围岩之间的相互作用关系［3］。

在内力计算时具备以下两个假定：①假定结构为小变形弹性梁；②结构与土体之间的相互约束关系在软件中用布置在节点上的弹簧单元进行模拟，并且弹簧不承受拉力，仅承受压力，不计算结构与围岩之间的黏聚力，围岩对衬砌结构的弹性抗力用弹簧受压的反力表示［4］。

3.2 内力计算及配筋设计

3.2.1 计算工况。计算工况一：车行隧道矩形框架风机加高断面，覆土深2 m、地面超载、风机荷载。计算工况二：车行隧道矩形框架标准断面，覆土深3.1 m、地面超载。计算工况三：车行隧道矩形框架洞口断面，覆土深1.5 m、地面超载、车辆荷载。

3.2.2 计算模型。隧道的纵向尺寸远大于其横向尺寸，故进行结构计算时可以将隧道受力简化为平面应变问题，可取每延米作为横向计算单元［5］。本次计算将对三个工况分别进行计算和设计，暗埋段采用矩形框架结构按照结构力学法计算内力，并用弹性地基结构和地层有限元两种计算模式进行计算校核。计算程序采用SAP84，按照《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）计算配筋，并按照规范进行结构裂缝宽度验算［6］。计算简图如图1所示。

图1 矩形框架结构计算模型

3.2.3 工况一内力计算及配筋结果。在风机加高段结构埋深为2 m，同时存在最不利荷载。计算断面结构如图2 所示。对最不利断面进行计算，计算土层参数见表1，荷载计算表见表2。

图2 隧道风机加高段主体结构横断面（单位：mm）

表1 土层参数

表2 风机加高段荷载计算

利用SAP84进行正常使用状态内力计算，计算结果见表3。

表3 风机加高段结构内力计算

由表3 内力计算结果，结合承载能力极限状态计算结果，进行配筋计算，结果见表4。

表4 风机加高段配筋计算

根据承载能力极限状态计算结果进行抗剪验算，得出最大剪力值1 216 kN，剪力最大值：1 216 ＜0.7βhftbh0= 1 496.25 kN，符合规范要求。

根据以上结果箍筋构造配筋：A10@200*100（ρsv= 0.315%），为保守起见，实配A10@200*100（加密区）及A10@400*200（非加密区）。

柳含烟有了淡淡的忧伤，她凄婉地道：“您该是不愿亲手把我埋了。”萧飞羽愣住了，因为他不知道柳含烟怎会有此古怪的联想。看到柳含烟泪花在眼眶里打转凄婉欲泣，他按住转动的钢环把她拉到腿上。

3.2.4 工况二内力计算及配筋结果。在暗埋段结构标准段埋深为3.1 m，同时存在最不利荷载。计算断面结构如图3 所示。对最不利断面进行计算，计算土层参数见表1，荷载计算表见表5。

图3 暗埋标准段主体结构横断面（单位：mm）

表5 暗埋标准段段荷载计算

利用SAP84进行正常使用状态内力计算，计算结果见表6。

表6 暗埋标准段结构内力计算

根据表6 中的内力计算结果，结合承载能力极限状态计算结果，进行配筋计算，结果见表7。

表7 暗埋标准段配筋计算

根据承载能力极限状态计算结果进行抗剪验算，得出最大剪力值1 250 kN，剪力最大值：1 250 ＜0.7βhftbh0= 1 256.85 kN，满足规范要求。

根据以上结果箍筋构造配筋：A10@200*100（ρsv= 0.315%），为保守起见，实配A10@200*100（加密区）及A10@400*200（非加密区）。

3.2.5 工况三内力计算及配筋结果。在暗埋段结构洞口段埋深为1.5 m，同时存在最不利荷载。计算断面结构如图4 所示。对最不利断面进行计算，计算土层参数见表1，荷载计算表见表8。

图4 暗埋洞口段主体结构横断面（单位：mm）

表8 暗埋标准段段荷载计算

利用SAP84进行正常使用状态内力计算，计算结果见表9。

表9 暗埋洞口段结构内力计算

根据表9中的内力计算结果，结合承载能力极限状态计算结果进行验证配筋计算，结果见表10。

表10 暗埋洞口段配筋计算

根据承载能力极限状态计算结果进行抗剪验算，得出最大剪力值1 044 kN，剪力最大值：1 044 ＜0.7βhftbh0= 1 496.25 kN,满足规范要求。

根据以上结果箍筋构造配筋：A10@200*100（ρsv= 0.315%），为保守起见，实配A10@200*100（加密区）及A10@400*200（非加密区）。

4 结语

隧道衬砌设计是隧道设计的重要部分，决定着隧道的施工、运营的安全性，通过综合分析隧道的地质、埋深、地面活载及地表建筑物的情况，对隧道的最不利位置进行确定。然后利用有限元计算软件SAP84 对最不利位置进行正常使用下的状态内力计算，并结合承载能力极限状态进行配筋计算。为了方便施工，在对配筋进行合理的调整后，确定隧道的衬砌设计和配筋。研究结果为配筋提供了依据，也为今后类似项目提供设计参考。