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      城市明挖道路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法分析與研究

      2014-09-27 07:22:36堅(jiān)
      城市道橋與防洪 2014年7期
      關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)規(guī)范公路荷載

      姚 堅(jiān)

      (上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092)

      1 研究背景

      隨著人們對城市環(huán)境和景觀要求的提高,越來越多的城市快速路或主干道穿越敏感區(qū)域的部分,采用地下隧道的方案,其連續(xù)長度甚至達(dá)到1~6 km,如:上海東西通道、外灘隧道、杭州紫荊港隧道,在建的彩虹快速路隧道等。這類道路隧道,施工工法以明挖法為主,結(jié)構(gòu)形式為矩形箱涵結(jié)構(gòu)。

      此類工程在設(shè)計(jì)方法上由于國內(nèi)規(guī)范行業(yè)多,體系復(fù)雜,相關(guān)的橋梁、公路、民建等行業(yè)規(guī)范都具有一定的適用性,但缺乏比較明確和系統(tǒng)的規(guī)定與要求,加上參與工程設(shè)計(jì)、咨詢等各方本身其背景或行業(yè)可能也不同,出現(xiàn)了對隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是按公路隧道破損階段法或按極限狀態(tài)法存在爭議的情況。在杭州彩虹路隧道段設(shè)計(jì)中,筆者對此類道路隧道的設(shè)計(jì)方法和概念進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理和分析,所闡述的內(nèi)容可供類似工程參考和借鑒。

      2 規(guī)范解讀與分析

      2.1 規(guī)范背景

      從行業(yè)上看,與該類工程相關(guān)的主要有民用建筑行業(yè)、市政公用行業(yè)和公路交通行業(yè),涉及的規(guī)范有《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范2006年版》(GB 50009-2001)、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010-2010)、《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50153-2008)、《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50283-1999)、《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2004)、《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70-2010)、《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG/D60-2004)、《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》(GB 50108-2008)等,上述規(guī)范的發(fā)布單位主要是建設(shè)部和交通部,建設(shè)部的大部分為國標(biāo),交通部的均為公路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

      在城市路網(wǎng)規(guī)劃中,對城市道路和公路的區(qū)段劃分已有明確的規(guī)定,雖然這類地下道路采用了隧道的型式,但從道路的歸屬和服務(wù)功能上來看,仍屬城市道路的范疇,線型設(shè)計(jì)采用的是城市道路和快速路的相關(guān)規(guī)范,故應(yīng)屬于市政公用行業(yè)。

      由于市政公用行業(yè)并無專門的行業(yè)規(guī)范來指導(dǎo)此類道路隧道的設(shè)計(jì),故在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,不得不應(yīng)用其它相關(guān)行業(yè)的規(guī)范作為設(shè)計(jì)依據(jù)。各設(shè)計(jì)院往往根據(jù)自身的行業(yè)背景和經(jīng)驗(yàn),選取認(rèn)為合適的規(guī)范和設(shè)計(jì)方法。

      2.2 設(shè)計(jì)方法和原則概述

      上述規(guī)范中針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法主要有極限狀態(tài)法、破損階段法和容許應(yīng)力法。其中破損階段法和容許應(yīng)力法僅是針對結(jié)構(gòu)承載能力的設(shè)計(jì)方法;極限狀態(tài)法包括承載能力極限狀態(tài)(結(jié)構(gòu)承載)和正常使用極限狀態(tài)(裂縫、撓度等)。

      在公路行業(yè)的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》和《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》中都已采用了極限狀態(tài)法的概念;在《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》中,當(dāng)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)計(jì)算時(shí),提到了綜合安全系數(shù)法和分項(xiàng)系數(shù)法,其中綜合安全系數(shù)法從表達(dá)式來看,與破損階段法是基本一致的。

      按照《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》的防水要求,明挖隧道的迎土面裂縫寬度要求小于0.2 mm,無論是按破損階段法,還是按極限狀態(tài)法進(jìn)行設(shè)計(jì)的,裂縫寬度控制要求應(yīng)該是一致的。

      總結(jié)起來,該類明挖隧道在設(shè)計(jì)方法和原則的確定中應(yīng)注意以下幾個方面:

      (1)極限狀態(tài)法和破損階段法兩套計(jì)算體系是完全獨(dú)立的,其荷載、組合、材料強(qiáng)度的取值也完全不同。本文中提到的破損階段法是采用《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的要求和公式,而極限狀態(tài)法是采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的要求和公式。

      (2)即便都采取極限狀態(tài)法設(shè)計(jì),不同行業(yè)、不同規(guī)范中,采用的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期、可靠度和可靠指標(biāo)也不相同??煽恐笜?biāo)β的功能主要有兩個:其一,是度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠性大小的尺度;其二,目標(biāo)可靠指標(biāo)是分項(xiàng)系數(shù)法所采用的各分項(xiàng)系數(shù)取值的基本依據(jù),不同的可靠指標(biāo)所對應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)也是不同的。

      (3)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中除承載安全外,迎土面的裂縫寬度還應(yīng)滿足小于0.2 mm的要求,因此破損階段法設(shè)計(jì)時(shí),除按破損階段法驗(yàn)算承載能力外,還需驗(yàn)算裂縫寬度;極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)時(shí),還應(yīng)在正常使用極限狀態(tài)中驗(yàn)算裂縫寬度。盡管破損階段法的計(jì)算配筋遠(yuǎn)大于極限狀態(tài)法下的承載能力極限狀態(tài)的配筋(見本文第3節(jié)的計(jì)算結(jié)果),但最終的配筋還要綜合考慮裂縫的控制要求,不能簡單地下破損階段法安全于極限狀態(tài)法的結(jié)論。

      (4)該類隧道結(jié)構(gòu)構(gòu)件除受彎外,還有軸力,因此鋼筋混凝土構(gòu)件的計(jì)算模式又可分為純彎(不計(jì)軸力)和偏壓計(jì)算兩種。對此,要根據(jù)施工過程和工程經(jīng)驗(yàn),合理選擇計(jì)算模式,兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性。

      2.3 規(guī)范條文解讀

      (1)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》1.0.1條指出:“為給山嶺公路隧道設(shè)計(jì)提供技術(shù)準(zhǔn)則,制定本規(guī)范”。1.0.2條規(guī)定:“本規(guī)范適用于以鉆爆法為主要開挖手段的各級公路雙車道隧道,其它形式的公路隧道可參照執(zhí)行”?!豆匪淼涝O(shè)計(jì)規(guī)范》中9.1.1條文說明:“在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域,目前多數(shù)工程結(jié)構(gòu)已采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法……”,“公路隧道因建設(shè)時(shí)間尚短,尚未具備采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的條件”?!兜罔F設(shè)計(jì)規(guī)范》第10.1.6條規(guī)定:“地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),應(yīng)根據(jù)施工方法、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件類型、使用條件及荷載特征等,選用與其特點(diǎn)相近的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)方法。”并在條文說明中明確:“……對于各類結(jié)構(gòu),目前尚不具備全部按以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)法進(jìn)行設(shè)計(jì)的條件,……受力明確并具備條件的,宜按極限狀態(tài)法設(shè)計(jì);荷載不甚明確或尚不具備條件的,可按破損階段或容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)。”

      (2)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則答疑》P1:“山嶺公路隧道一般采用鉆爆法修建,也有少部分山嶺隧道采用掘進(jìn)機(jī)法施工,而穿越土層及江河湖泊地段的公路隧道也有采用盾構(gòu)法施工或沉管法施工的。采用不同施工方法建設(shè)的公路隧道,在設(shè)計(jì)方法上差異較大,但是仍具有較多的相同或相似之處,如平縱面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、建筑限界、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則,以及運(yùn)營管理系統(tǒng)等,因此采用其他方法修建的公路隧道仍可參照本細(xì)則,但應(yīng)充分考慮各自的特殊性?!?/p>

      (3)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》8.5條規(guī)定:“以明挖法或在露天修建的隧道可稱為明洞。下穿公路、鐵路、建筑物、防雪棚、遮陽棚洞等以掘開地表土修建隧道結(jié)構(gòu)后再在上面回填或修建其它建筑物的隧道都可稱為明洞”;9.3.1條又規(guī)定:“采用擋墻式洞門時(shí),明洞結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù),本規(guī)范取與隧道襯砌相同的數(shù)值。”其理由是明洞屬于半隱蔽結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)變形受周圍地層的約束小,且有受沖擊荷載作用的可能,從這一不利因素看,明洞安全系數(shù)應(yīng)比隧道襯砌大。但明洞的有利因素是:外荷載較為明確,結(jié)構(gòu)計(jì)算圖式與實(shí)際情況比較接近;采用明挖法施工,施工條件較隧道好,圬工質(zhì)量易于保證,從這一方面看,安全系數(shù)取值可比隧道襯砌小。綜合以上有利及不利兩方面因素,其有利因素起主導(dǎo)作用,故對明洞取與隧道襯砌相同的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)值是較合適的。

      對(1)~(3)所列條文進(jìn)行分析和解讀:

      a.首先《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中提到了不同施工方法修建的公路隧道在設(shè)計(jì)方法存在著比較大的差異,并未要求山嶺公路隧道以外的公路隧道仍要采用破損階段法進(jìn)行設(shè)計(jì),反而提到要充分考慮各自的特殊性。

      b.城市明挖隧道,按(3)所述,盡管從施工過程上來看可歸入公路隧道明洞的范疇,但是城市明挖隧道不存在按(3)所述的明洞條文中所提到的結(jié)構(gòu)變形受周圍地層約束小,且有受沖擊荷載(落石荷載) 的可能,因此可完全從有利角度考慮,安全系數(shù)本身較隧道襯砌可降低;因此要求城市明挖法隧道完全遵照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》破損階段法設(shè)計(jì),偏于保守,不甚合理。

      c.該類工程的結(jié)構(gòu)形式為箱涵結(jié)構(gòu),施工方法為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)下的明挖,與地鐵明挖車站和明挖區(qū)間類似,故在荷載分布、施工方法和使用條件上與地鐵明挖車站和明挖區(qū)間基本相同,在上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用極限概率法恰恰是最常規(guī)的設(shè)計(jì)方法。而城市地下工程、如城市地鐵車站、區(qū)間隧道等設(shè)計(jì)已基本采用極限狀態(tài)法,應(yīng)用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》,這些在《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范GB50157-2003》10.2.1條和10.3.2條中已明確反映。從工程類比的角度考慮,該工程為城市地下明挖通道,無論是結(jié)構(gòu)型式、開挖型式還是所屬行業(yè)(市政)都與地鐵工程更為接近,故按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》采用極限狀態(tài)法更為合理。

      2.4 極限狀態(tài)法的比較

      在不同行業(yè)、不同規(guī)范中,極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)采用的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期、可靠度和可靠指標(biāo)也不相同,如表1所列。

      表1 不同結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期、可靠指標(biāo)比較一覽表

      (1)表1中的數(shù)據(jù)源自《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》、《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》。

      (2)目標(biāo)可靠指標(biāo)是分項(xiàng)系數(shù)法所采用的各分項(xiàng)系數(shù)取值的基本依據(jù),不同的可靠指標(biāo)所對應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)也是不同的?!督ㄖY(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》是按房屋建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和可靠指標(biāo)選取概率極限狀態(tài)法的分項(xiàng)系數(shù)的,其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和可靠指標(biāo)都低于公路隧道結(jié)構(gòu)。城市明挖隧道荷載作用中永久荷載起控制作用,對比《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》中的概率極限狀態(tài)法的分項(xiàng)系數(shù),荷載作用分項(xiàng)系數(shù)上,恒載系數(shù)接近,可變作用分項(xiàng)系數(shù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》中為1.4,不考慮組合值系數(shù),而《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中考慮組合值系數(shù)0.7;在材料分項(xiàng)系數(shù)上,公路隧道偏安全,在該類工程中不建議取組合值系數(shù)。

      3 兩套方法計(jì)算對比與分析

      3.1 計(jì)算原則

      (1)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)分別對正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算,構(gòu)件裂縫寬度允許值:頂板、側(cè)墻、疊合墻地墻外側(cè)、底板為0.2 mm;《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》9.2.15條按荷載基本組合求得的最大裂縫寬度不應(yīng)大于0.2 mm。分別計(jì)算了純彎、偏壓條件下強(qiáng)度、裂縫。

      (2)破損階段法混凝土和鋼筋參數(shù)依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》規(guī)范條文,破損階段法的安全系數(shù)取2。

      (3)極限狀態(tài)法和破損階段法驗(yàn)算要求為強(qiáng)度滿足和裂縫寬度不大于0.2 mm,破損階段驗(yàn)算時(shí)彎距等內(nèi)力取極限狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)值。

      (4)已對典型斷面根據(jù)彎距、軸力復(fù)核純彎、偏壓下的強(qiáng)度和裂縫,計(jì)算結(jié)果表明除中隔墻外主要受力構(gòu)件均為大偏壓構(gòu)件,考慮軸力對結(jié)構(gòu)更有利;故在本文中未列入偏壓計(jì)算內(nèi)容。

      (5)計(jì)算結(jié)果表明混凝土等級C35,鋼筋等級HRB400條件下,極限狀態(tài)法與破損階段法相比,在滿足強(qiáng)度承載和裂縫寬度不大于0.2 mm的條件下,安全度更高。

      3.2 抗剪強(qiáng)度

      截面抗剪強(qiáng)度對比,采用《混規(guī)》6.3.3條在截面大于800的條件下,截面抗剪強(qiáng)度均比《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》K.0.7條計(jì)算的值要小,因此采用《混規(guī)》抗剪亦不低于《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》。比較結(jié)果如表2所列。

      表2 結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度值一覽表

      3.3 抗彎強(qiáng)度

      雙層雙跨結(jié)構(gòu)頂板厚度為1 200 mm,中板厚度為600 mm,底板厚度為1 400 mm,側(cè)墻為疊合墻,為800 mm地墻+500 mm內(nèi)襯墻,中隔墻厚度為600 mm。地下一層凈高3.23m,地下二層凈高6 m。頂板覆土厚度約3.15 m。

      計(jì)算模型如圖1所示。

      采用一次性加載和開挖回筑兩種計(jì)算模式進(jìn)行計(jì)算,發(fā)現(xiàn)在底板中支座處,開挖回筑計(jì)算出的內(nèi)力值大于一次加載法得出的內(nèi)力值(前者約為后者的1.15倍),其余位置一次性加載計(jì)算出的內(nèi)力值均大于開挖回筑模式的計(jì)算結(jié)果。因此在內(nèi)力配筋時(shí),采用一次加載法的計(jì)算結(jié)果,同時(shí)考慮將底板中支座內(nèi)力放大15%。各層板跨中彎距增大15%。其計(jì)算結(jié)果見表3、表4所列。

      圖1 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

      表3 雙層雙跨結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面內(nèi)力值計(jì)算結(jié)果一覽表

      除該典型斷面外,還對單層雙跨結(jié)構(gòu)、U型敞開段結(jié)構(gòu)共10個不同的斷面進(jìn)行了兩套體系的計(jì)算,由于篇幅所限,本文未全部引用。計(jì)算結(jié)果表明:在混凝土等級C35,鋼筋等級HRB400條件下,極限狀態(tài)法與破損階段法相比,在滿足強(qiáng)度承載和裂縫寬度不大于0.2 mm的條件下,安全度更高。

      表4 結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算結(jié)果一覽表

      4 結(jié)語

      (1)城市明挖道路隧道從道路的歸屬和服務(wù)功能上來看,仍屬城市道路的范疇,線型設(shè)計(jì)采用的是城市道路和快速路的相關(guān)規(guī)范,故應(yīng)屬于市政公用行業(yè)。由于市政公用行業(yè)并無專門的行業(yè)規(guī)范來指導(dǎo)此類道路隧道的設(shè)計(jì),故在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,不得不應(yīng)用其它相關(guān)行業(yè)的規(guī)范作為設(shè)計(jì)依據(jù)。各設(shè)計(jì)院往往根據(jù)自身的行業(yè)背景和經(jīng)驗(yàn),選取認(rèn)為合適的規(guī)范和設(shè)計(jì)方法。建設(shè)主管部門應(yīng)盡快編制相關(guān)規(guī)范,以避免設(shè)計(jì)方法上的不統(tǒng)一。

      (2)該類工程的結(jié)構(gòu)形式為箱涵結(jié)構(gòu),施工方法為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)下的明挖,與地鐵明挖車站和明挖區(qū)間類似,故在荷載分布、施工方法和使用條件上與地鐵明挖車站和明挖區(qū)間基本相同,在上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用極限概率法恰恰是最常規(guī)的設(shè)計(jì)方法。無論是結(jié)構(gòu)型式、開挖型式還是所屬行業(yè)(市政)都與地鐵工程更為接近,故按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》采用極限狀態(tài)法更為合理。

      (3)計(jì)算結(jié)果表明:在混凝土等級C35,鋼筋等級HRB400條件下,極限狀態(tài)法與破損階段法相比,在滿足強(qiáng)度承載和裂縫寬度不大于0.2 mm的條件下,安全度更高。

      (4)建議城市明挖道路隧道采用極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)更為合理。

      [1]GB50009-2001,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(2006年版)[S].

      [2]GB50010-2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

      [3]GB50153-2008,工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S].

      [4]GB/T50283-1999,公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S].

      [5]JTG D70-2004,公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

      [6]JTG/T D70-2010,公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

      [7]JTG/D60-2004,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

      [8]GB50108-2008,地下工程防水技術(shù)規(guī)范[S].

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