隧道新型洞口段景觀設計及數值仿真分析

石喜梅

摘 要：隧道洞口段是隧道進出的咽喉，是隧道結構唯一完全暴露的部分。選取新型切削式隧道洞門中的正交洞口和斜交洞口兩種型式對其人文景觀及美學藝術與傳統洞門對比分析。并對這兩種洞門型式進行數值仿真分析，驗證其型式的可行性和合理性。

關鍵詞：新型洞門；景觀要素；軸力；彎矩；圍巖壓力

隧道位置選定以后，隧道的長度由它兩端的洞口位置確定。隧道洞口段型式的選擇直觀體現了隧道外貌。隧道洞口段除了滿足結構安全和基本功能要求之外，與周邊自然景觀及當地地域文化的融合也是對它的設計提出新的要求。因此，對它的景觀要素的要求，如何更加環保、更符合景觀及美學藝術將是未來洞口段設計的重點。

1 洞口段景觀設計分析

1.1 傳統與新型洞門分析

從目前世界上隧道洞口段的設計門類來看，洞門的建筑風格多是封閉式拱形門類建筑。該類型洞門建筑元素多，可作文章多較為壯觀，比如秦嶺隧道、二郎山隧道見圖1（a）。但是建筑規模大，邊仰坡、天溝開挖造成植被破壞，且對山體穩定不利，不利于環保，對不裝修的顯得也不美觀，千篇一律。社會的可持續發展戰略，人們對環境美學要求的日益提高，迫切需要我們革新隧道洞門及洞口的設計理念，應該從傳統的 “溫飽型”設計（只滿足洞門基本功能要求）向新型的“小康型”設計（不僅滿足基本功能，同時強調環境景觀要求）轉變。

由環框式洞門演變而來新型切削式隧道洞門。建筑形式簡約，裝飾性建筑可繁可簡，環保、美觀大方、自然。施工時刷坡少，盡可能的不破壞植被，有利于防止水土流失；而且能與周邊環境很好的融為一體，體現可持續發展思想及與周圍環境相協調的美學原則，見圖1（b）。

傳統擋土墻式隧道門主要作用是擋土，維護洞口山體穩定，大多不做更多裝飾性建筑設計。這樣做的原因是：傳統擋土墻式隧道門是建立在原來的隧道修建技術基礎之上的，洞門必須開挖邊、仰坡，創造一定埋深才能暗挖進洞，隨之洞頂植被被砍伐，邊、仰坡刷坡以外一定區域又要修天溝（洞頂排水溝），造成局部環境破壞，隨著現代隧道技術的發展及環保、景觀等要求的提高，這種傳統的擋土墻式隧道門顯然已不能適應發展的需要，隨之而產生了以洞身延出斜切式為代表的現代式洞門建筑。

1.2 新型洞門的景觀要素及基本組合

新型洞門更注重自然景觀與人工景觀的協調即造園藝術。其中對自然景觀更關注地形和地貌。如植被有無、植被組成發育程度、禿山巖石形態等。對于人工景觀側重于當地人文建筑文化（建筑符號）、隧道孔數、裝飾材料（材質）、銘牌形式和洞口相連工程，如橋隧相連、路隧相連、洞口設風機及輔助用房、雙線水平之間未有開闊地帶可造園，雙線高低、前后、錯落等。

根據切削方式的不同及一些功能上的要求，新型隧道洞門的基本類型包括：直切，正切，倒切，弧形擋墻幾種，又根據洞門與山體的相交關系分為正交和斜交兩種情況。其中組合類型見表1。

2 新型洞門的數值仿真分析

2.1 數值模型

為了確定新型隧道門的結構受力變形狀態和整體的穩定性，并與三維模型試驗的結果進行對比分析。因此，對設計的新型隧道門進行三維數值計算，采用的計算軟件為大型有限元（FEM）計算程序ANSYS。圖2為計算模型及選取斷面。

根據上圖中的彎矩與軸力云圖及圍巖壓力圖可以看出：

（1）襯砌橫向軸力全部受壓， 襯砌縱向軸力也全部受壓。

（2）襯砌的橫向最大正彎矩出現在仰拱的洞身部位，最大負彎矩出現在拱頂的洞口端，襯砌的縱向彎矩跟其橫向彎矩相比，值都很小，最大值出現在圍巖與襯砌的交界處。

（3）作用在襯砌上的最大圍巖壓力在仰拱部位。

（4）當采用正切式洞門時，洞口一定范圍內襯砌結構的受力特征與洞身襯砌有顯著的差別，呈空間分布，所以對洞口段襯砌結構必須進行特殊設計。

（5）襯砌結構的內力變化從洞口向洞內延伸20～25m后，基本上趨于穩定，也就是說，在進行洞口段襯砌結構設計時，洞口段取20～25m作為整體考慮較為合理，此段要考慮空間效應，即不僅要考慮橫截面受力，還要考慮縱向受力，而再往洞內延伸，則可按傳統上的平面應變問題處理，這樣既保證結構的安全性，也提高了工程的經濟性。

（6）在隧道洞身地段，橫向上仰拱處于受壓狀態，同時縱向上也處于受壓狀態，從計算結果可知，縱向上軸力值遠小于橫向軸力，橫向彎矩是縱向彎矩的4～6倍，而且縱向結構內力的絕對數值都很小，故在結構設計中可不必考慮縱向內力的影響，按平面應變問題進行結構設計。

3 結論

通過對單線鐵路隧道正切式、倒切式洞門、雙線鐵路隧道正切式、弧形擋墻式洞口段的三維數值仿真分析，經過對計算結果的分析和比較，得出以下一些結論。

（1）不管是單線還是雙線鐵路隧道，當采用正切式、反切式及弧形擋墻式洞口時，洞口段一定范圍內襯砌結構的受力特征與洞身襯砌有顯著的差別，呈空間分布，所以對洞口段襯砌結構必須進行特殊設計。

（2）對于單線鐵路隧道，當采用正切式洞口時，襯砌結構的內力變化從洞口向洞內延伸20～25m后，基本上趨于穩定；當采用倒切式洞口時，襯砌結構的內力變化從洞口向洞內延伸16～22m后，基本上趨于穩定。對于雙線鐵路隧道，采用正切式及弧形擋墻式洞口時，襯砌結構的內力變化從洞口向洞內延伸25～30m后，基本上趨于穩定。所以，在進行洞口段襯砌結構設計時，洞口段一定范圍必須作為整體進行，此段要考慮空間效應，即不僅要考慮橫截面受力，還要考慮縱向受力，與模型試驗結果相吻合。基于上述計算結果，同時考慮施工因素的影響，建議單線正切式洞門段取25m，單線倒切式洞門段取22m，雙線正切式及弧形擋墻式洞門段取30m，進行整體結構設計，而再往洞內延伸，則可按傳統上的平面應變問題處理，這樣既保證結構的安全性，也提高了工程的經濟性。

（3）由數值計算結果得知，工況一襯砌結構上對應位置的軸力、彎矩值比工況二都要大一些。在工況一中，襯砌結構的上覆土體相當于明挖回填加載的；而在工況二中，襯砌結構是在暗挖條件下加載的，由此可以看出，在相同的埋深條件下，明挖回填作用在襯砌上的荷載比暗挖條件下的要大，對結構受力不利。所以，在條件允許的情況下，建議盡量采用暗挖法進行隧道洞口段施工。確實由于環境限制，不得不采用明挖法進行隧道洞口段施工時，此時作用在襯砌仰拱上的縱向軸力在洞口一定范圍內呈受壓狀態，而在洞身段呈受拉狀態，特別是在雙線隧道中，受拉值非常大，此時必須對仰拱進行受拉配筋設計。

參考文獻

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