低等級公路隧道內輪廓擬定方法探討

郎君

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430060）

0 引言

近年來隨著高速公路建設的逐漸飽和，起加密路網(wǎng)功能的二級公路及原有的三、四級公路提升改造工程日益增多，線形指標的提升使得項目中橋隧比例不斷提高。在二級及以下公路中較少采用的隧道工程逐漸增多，而由于各個地區(qū)不同的經(jīng)濟實力、主要訴求、自然環(huán)境、地質條件等原因，造成主管部門及設計單位在確定隧道內輪廓時考慮的主要影響因素不盡相同；同時由于現(xiàn)行《公路工程技術標準》（JTGB01—2014）對隧道內輪廓未做明確要求，即使《公路隧道設計規(guī)范》（JTG D70—2004）和《公路隧道設計手冊》中給出了內輪廓尺寸的建議值，但因各地建筑限界的尺寸及隧道超高等原因使得各地的內輪廓尺寸不盡相同。本文以省道S306仙蓮線德興城區(qū)段改建工程中豬油崗隧道為例，對低等級公路隧道內輪廓擬定方法進行詳細討論，希望能夠對隧道設計人員在擬定類似項目內輪廓時提供參考。

1 項目概況

S306仙蓮線德興城區(qū)段改建工程位于江西省德興市境內，項目起于德興市店前村，止于德興市香屯工業(yè)園區(qū)樂安河，路線全長18.22 km。按雙向雙車道二級公路標準修建，設計時速80 km/h，全線共設豬油崗隧道一座，長704m。隧址軸線總體方向約313°，隧道最大埋深約125m，地形起伏較大，隧道范圍內中線高程在113～234m，地表自然坡度在35°～50°，植被發(fā)育。隧道洞身段巖性主要為中風化千枚巖，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖體較完整；地下水類型為基巖裂隙水，水量一般；隧道洞口為坡殘積粉質黏土和強風化千枚巖組成，覆蓋層較厚，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性差。

2 隧道內輪廓擬定

隧道內輪廓包括建筑限界、通風及其他附屬設施所需的斷面面積。內輪廓的確定在隧道工程設計中是一個非常重要并且十分關鍵的環(huán)節(jié)。只有確定了合理的隧道內輪廓尺寸，設計人員才可以根據(jù)不同的地形、圍巖等級和埋深進行襯砌結構、超前支護、防排水、施工方案、監(jiān)控量測、超前地質預報、路面裝飾等工程設計工作。

2.1 建筑限界確定

建筑限界是為保證隧道內車輛行駛、人員同行、檢修和各種設備不受損害所要求的最小空間，包括車道、側向寬度、余寬、人行道等的寬度，以及車道、人行道的凈高。

由于該項目為干線二級公路，設計時速80 km/h，采用較高技術標準。交通組成中重載汽車較多，交通條件較為復雜，同時考慮隧道電纜溝、排水溝布設安裝空間、救援檢修等行人的安全，結合近年來該地區(qū)以往隧道建設運營經(jīng)驗，在滿足現(xiàn)行《公路工程技術標準》（JTGB01—2014）和《公路隧道設計規(guī)范》（JTG D70—2004）的前提下，確定豬油崗隧道建筑限界如下：檢修道高度為40 cm，余寬C值25 cm置于檢修道上，左右側側向寬度均為75 cm，行車道寬度為2×3.75m，限界高5.0m，建筑限界組成為1.0 m+0.75 m+3.75 m×2+0.75 m+1.0m=11.0m（見圖1）。

圖1 隧道建筑限界圖（單位：cm）

2.2 內輪廓擬定原則

《公路隧道設計規(guī)范》（JTG D70—2004）第4.2.3條規(guī)定，隧道內輪廓設計除應符合隧道建筑限界的要求外，還應滿足洞內路面、排水設施、裝飾的需要，并為通風、照明、消防、監(jiān)控、運營管理等設施提供安裝空間，同時為襯砌變形及施工誤差預留適當?shù)母挥啵谴_定的斷面形式及尺寸符合安全、經(jīng)濟、合理的原則[2]。

2.3 內輪廓選擇

2.3.1 內輪廓尺寸初擬

根據(jù)隧道以往建設經(jīng)驗，雙車道隧道開挖寬度相對較小，一般可考慮設置拱部單心圓或三心圓內輪廓。該項目根據(jù)上述原則并結合以往工程實例，考慮該隧道設置在曲線段上，存在超高的影響，人行道尖角處與內輪廓間距按不小于15 cm設置，同時在滿足風機掛設要求的條件下盡量降低內輪高度，采用幾何作圖方法對單心圓和三心圓內輪廓進行初步擬定。斷面參數(shù)如圖2、圖3所示。

圖2 單心圓內輪廓圖（單位：cm）

圖3 三心圓內輪廓圖（單位：cm）

對兩種內輪廓斷面高寬、斷面面積、斷面利用率等幾何狀況進行計算，結果見表1。

表1 內輪廓斷面對比情況

從以上兩種斷面形式可以看出以下幾點：

（1）三心圓內輪廓可以根據(jù)建筑限界調整拱部半徑及拱部角度大小來控制內輪廓斷面高度，并通過調整邊墻半徑大小來實現(xiàn)較大的斷面利用率。

（2）在滿足縱向排水溝布設的前提下，仰拱半徑越大，仰拱深度越小，隧道開挖量較小，斷面利用率越高。

（3）當內輪廓側墻與仰拱半徑相差較大，為滿足電纜溝布置的要求，需要采用較小的半徑將兩者連接。

（4）隨著建筑限界寬度的增加，單心圓內輪廓的高度也必然會增加，斷面有效利用率降低。

該項目由于建筑限界寬為11.0m，采用單心圓內輪廓會造成隧道開挖量較大，斷面有效利用率較低，故綜合以上因素選擇三心圓內輪廓。

2.3.2 內輪廓選定

根據(jù)謝琪[5]對隧道內輪廓的研究成果，隧道仰拱曲率的大小以及邊墻與仰拱的連接圓半徑對內輪廓受力影響較大；同時由于該項目隧址區(qū)主要為千枚巖地層，屬于軟質巖，隧道地質條件相對較差，在隧道內輪廓優(yōu)化時應把受力作為考慮的一項重要因素。故對隧道內輪廓做如下優(yōu)化：

（1）拱部半徑R由6.2m調整為6.05 m，維持拱部100°的角度不變，以獲得較好的受力條件。

（2）邊墻半徑R由4.8m調整為5.35 m，獲得更好的斷面利用率。

（3）維持仰拱半徑R為16m不變，選用半徑R為2m的圓作為連接圓與邊墻和仰拱相切，減小連接處的應力集中效應，如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的隧道內輪廓（單位：cm）

3 受力分析

3.1 計算模型

計算采用基于m id a s G T S N X有限元軟件，將巖體進行單元的離散化，且按常自由劃分模式進行計算。在計算前對巖體和支護結構做以下假定：

（1）采用模型的巖體材料性質均假定為均質、各向同性，不考慮節(jié)理、層理、剪切帶等地質軟弱面造成的介質不連續(xù)情況。

（2）模型的塑性屈服（破壞）準則采用較為適用巖石材料的莫爾-庫侖準則。

（3）此次計算模擬拱頂埋深均采用水平均值，為30 m，模型縱向長度40 m，隧道橫向（x軸）取110m，計算范圍滿足土體開挖影響（2～4）D。根據(jù)實際研究斷面地質及埋深情況，研究斷面的力學計算模型如圖5所示。

圖5 計算模型圖示

（4）假定變形模量、巖體密度、摩擦角、黏聚力等物理參量在計算中保持不變，不考慮巖體的變形致密效果，也不考慮模量、泊松比等參數(shù)隨深度的變化。

（5）考慮到在實際工程中，二襯臺車距離掌子面距離為50～90m，這段距離初期支護需單獨承擔圍巖荷載，故模型只考慮施工期初期支護作用。有限元模型如圖6所示，計算參數(shù)見表2。

圖6 有限元模型

表2 計算物理力學參數(shù)

3.2 計算結果

3.2.1 變形分析

調取貫通工況豎向位移云圖，如圖7所示。

圖7 豎向位移云圖

從隧道的豎向位移云圖可以看出，地表最大沉降量約為6 mm，隧道拱頂最大豎向位移接近3 cm，仰拱豎向變形量約為6 cm。實際施工中由于選用不同的施工工法會對變形產(chǎn)生一定的影響，總體上變形量均小于《公路隧道設計規(guī)范》（JTG D70—2004）給出的一般值，滿足設計的變形要求。

3.2.2 應力分析

支護結構的應力分布情況如圖8所示。

圖8 最大、最小主應力分布圖

從隧道的支護結構應力分布圖可以看出，在施工過程中，隧道拱頂、邊墻出現(xiàn)了拉應力，特別是邊墻處，是支護結構的薄弱環(huán)節(jié)；最大主應力最大為43 680 kPa，最小主應力最大為49 555 kPa，均小于支護結構鋼筋的屈服強度，滿足設計的安全性要求。

3.2.3 塑性區(qū)分析

巖土體塑性區(qū)分布情況如圖9所示。

圖9 塑性區(qū)分布圖

從塑性區(qū)分布圖可以看出，隧道開挖引起的塑性變形存在于隧道上方拱肩與拱腳處，拱腳處相對于拱肩處更為嚴重，但并未形成連通的塑性區(qū)，總體來說對隧道的影響相對較小，滿足隧道設計的要求。

3.2.4 計算結論

通過對以上計算結果的分析，在該擬定內輪廓及地質邊界條件下，可以得到如下結論：在模型建立中未考慮施工方法的影響，實際變形會與計算結果有略微差別；隧道結構的強度和變形的計算結果均滿足設計要求，該內輪廓可作為設計內輪廓采用。

4 結語

隧道內輪廓的擬定作為隧道設計中的關鍵環(huán)節(jié)，往往對結構穩(wěn)定、施工難易、工程造價高低、運營安全等起著較大的影響，對全壽命周期成本的高低更起著決定性的作用，在標準化程度較低的低等級公路隧道尤甚。隧道內輪廓的擬定在滿足使用功能要求的前提下選取合理的建筑限界，結合隧道結構的受力特點，盡量選取斷面利用率高的內輪廓形式，如三心圓內輪廓斷面，并對所選用的內輪廓形式進行必要的結構受力分析，滿足受力要求后方可進行后續(xù)的設計工作。