超大斷面隧道扁平率優(yōu)化分析

蔣 坤，張兵兵

（大連市市政設計研究院有限責任公司，遼寧 大連 116001）

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展及人們生活水平的提高，小汽車進入普通市民家庭已經(jīng)成為現(xiàn)實，機動車擁有量呈快速增長趨勢，同時由于城市化進程的推進，未來城市之間將產(chǎn)生新的交通量，對各城市之間的道路交通提出了新的要求。作為道路交通“瓶頸”的隧道工程伴隨著汽車擁有量和交通運輸量的急速增長，傳統(tǒng)的兩車道斷面隧道已經(jīng)逐漸不適應當下交通運輸?shù)男枰啾戎拢瑔味慈嚨浪淼朗悄壳八淼拦こ痰闹髁?，而四車道隧道工程亦日益增加。四車道隧道開挖面積大于200 m2，根據(jù)表1日本隧道斷面劃分及表2國際隧道協(xié)會斷面劃分[1]，四車道隧道屬于超大斷面隧道的范圍。

表1 日本隧道斷面劃分和開挖面積一覽表

表2 國際隧道協(xié)會斷面劃分一覽表

扁平率（H/B）即隧道開挖高度與其開挖寬度之比，是評價隧道結構穩(wěn)定性及經(jīng)濟性的一個重要指標[2]。目前對于超大隧道扁平率研究并不多見，曲海峰[3]總結和綜述了國內(nèi)扁平特大斷面隧道及相似工程的建設與修筑情況，對扁平特大斷面隧道的施工方法、隧道力學問題及圍巖穩(wěn)定性、隧道斷面形式等研究熱點進行總結和分析；王建[4]以四川省某水電工程特大斷面隧道為工程背景，結合工程區(qū)巖石力學試驗參數(shù)，利用有限元分析軟件開展不同扁平率下特大斷面隧道圍巖和支護應力場、位移場等的分析研究，得出特大斷面隧道的扁平率合理控制范圍及其受力特性；陳衛(wèi)忠[5]利用大型有限元分析軟件ABAQUS的標準設計語言Python編程，對擬建清遠蟠龍淺埋破碎巖體大斷面隧道不同扁平率進行參數(shù)化設計，提出依托工程條件下的最優(yōu)化扁平率。現(xiàn)結合大連光明路隧道工程，建立有限元數(shù)值模型分析不同扁平率下隧道的位移及其力學特性，以尋求超大斷面隧道合理扁平率，為該隧道，以及類似條件下的隧道工程的設計和施工提供合理的參考依據(jù)。

1 工程實例

光明路隧道起始于東方路，終止于中華路，全長1 790 m，由于受地形條件、橋隧銜接方式的影響，南洞口220 m范圍內(nèi)為單洞四車道雙洞八車道隧道結構，單洞最大開挖跨度達到22.004 m，最大開挖面積為247.73 m2。

為了系統(tǒng)對比分析扁平率對超大斷面隧道的影響，在保持隧道開挖跨度不變的條件下，改變隧道的高度取不同的扁平率，即通過改變?nèi)膱A不同的斷面參數(shù)而確定開挖輪廓線，結合隧道橫斷面圖選取了7種扁平率的斷面方案，分別為0.462、0.480、0.498、0.518、0.536、0.556 和 0.589，圖1為隧道橫斷面圖，表3為不同扁平率下隧道斷面參數(shù)表。

圖1 隧道橫斷面圖

表3 不同扁平率下隧道斷面參數(shù)表

2 數(shù)值模型建立

用MIDAS/GTS有限元軟件對不同扁平率超大斷面隧道進行數(shù)值模擬分析，計算模型選取東線EK0+770，隧道埋深約為25 m，圍巖本構模型選用Mohr-Coulomb彈塑性模型，圖2為數(shù)值計算模型。為了簡化影響因素，隧道按臺階法施工。隧道按新奧法設計和施工，采用復合式襯砌結構，以錨桿、鋼拱架、濕噴混凝土等為初期支護，并輔以大管棚、注漿小導管等超前支護措施，數(shù)值模擬分析時錨桿、二次襯砌作為安全儲備，只考慮初期支護。利用荷載釋放系數(shù)模擬空間效應，參考《公路隧道設計規(guī)范》（JTG D70—2004）[6]，隧道開挖荷載釋放為30%，襯砌支護分擔荷載為70%，計算模型中隧道初期支護，以及圍巖力學參數(shù)如表4中所列。

圖2 數(shù)值計算模型

表4 計算模型中圍巖和支護結構力學參數(shù)表

3 計算結果分析

在超大斷面隧道施工過程中，不同扁平率下隧道周邊圍巖變形、應力分布及支護結構內(nèi)力也相應不同。下面分別對不同扁平率隧道的周邊圍巖變形、應力分布及支護結構內(nèi)力進行對比分析，以獲得超大斷面隧道合理扁平率。

3.1 拱頂下沉

隧道的拱頂下沉是圍巖變形的最直觀的表現(xiàn)之一，可直接反映圍巖的穩(wěn)定性狀態(tài)，表5為不同扁平率隧道的拱頂下沉值及拱頂下沉值變化率，圖3為不同扁平率隧道拱頂下沉值變化曲線。

表5 不同扁平率隧道拱頂下沉值及變化率一覽表

圖3 不同扁平率隧道拱頂下沉值變化曲線圖

從表5和圖3中可以看出，隨著扁平率的增大，拱頂下沉值逐漸減小，扁平率越大，拱頂下沉值變化率越小，當超大斷面隧道扁平率達到一定值后，隧道的拱頂下沉值基本上不再隨扁平率的增加而變化。扁平率越小，對拱頂下沉值影響越敏感，當扁平率由0.462變化到0.480時，隧道拱頂下沉值變化率為2.196%，說明超大斷面隧道扁平率不宜過小，扁平率過小不利于隧道的整體穩(wěn)定。而當隧道的扁平率大于0.556后，拱頂下沉值變化率基本上保持在0.760左右，隧道拱頂下沉值基本上不再受隧道扁平率變化的影響，說明隧道扁平率過大對隧道的整體穩(wěn)定性沒有影響，反而浪費隧道斷面空間，增加工程整體造價。通過不同扁平率下隧道的拱頂下沉值變化規(guī)律可以看出，超大斷面隧道扁平率應該控制在一定的區(qū)間范圍內(nèi)，推薦超大斷面隧道扁平率控制在0.48～0.55之間。

3.2 水平位移

表6 為不同扁平率隧道的水平位移及水平位移變化率，圖4為不同扁平率隧道水平位移變化率曲線。從表6和圖4中可以看出，隨著隧道扁平率的增大，隧道周邊水平位移的總體變化趨勢是逐漸增大，當扁平率增大到0.556后，隧道周邊水平位移急劇增加，水平位移變化率為22.616%，而當隧道的扁平率小于0.480后，隧道的周邊水平位移不再隨著隧道扁平率的變化而變化。通過對不同扁平率下隧道的水平位移對比分析，可以看出超大斷面隧道扁平率合理范圍是0.48～0.55。

表6 不同扁平率隧道水平位移及變化率一覽表

3.3 圍巖應力

圖5 ～圖7分別為扁平率0.480、0.518和0.556時隧道開挖后第一主應力分布云圖。

從不同扁平率隧道圍巖第一主應力分布云圖可以看出，隧道的最大主應力均發(fā)生在拱腳處，這也說明隧道拱腳處有應力集中現(xiàn)象發(fā)生，隧道設計和施工時拱腳處應采取鎖腳錨桿對其進行加固。而隧道底板均有拉應力產(chǎn)生，對于圍巖較差的Ⅳ級、Ⅴ級圍巖從隧道整體穩(wěn)定性角度考慮，隧道應采用帶仰拱的斷面形式。

圖4 不同扁平率隧道水平位移變化率曲線圖

從圖5～圖7中還可以看出，當扁平率小于0.480時，隧道的拱頂和拱腰部位有拉應力產(chǎn)生；當扁扁平率0.480～0.556時，隧道開挖后周邊圍巖均為壓應力；當扁平率大于0.556時，隧道拱腰部位亦有拉應力出現(xiàn)。隧道施工過程中，拉應力出現(xiàn)部位是圍巖最易失穩(wěn)之處，隧道施工后應盡可能的避免有拉力出現(xiàn)，因此從圍巖應力的角度考慮超大斷面隧道扁平率的合理范圍是0.48～0.55。

圖5 扁平率0.480時第一主應力分布云圖

圖6 扁平率0.518時第一主應力分布云圖

圖7 扁平率0.556時第一主應力分布云圖

3.4 初期支護內(nèi)力分析

表7 為不同扁平率時隧道初期支護最大軸力和彎矩表，圖8、圖9分別為扁平率與初期支護軸力、彎矩關系圖。

表7 不同扁平率時隧道初期支護最大軸力和彎矩表

圖8 扁平率與初期支護軸力關系圖

圖9 扁平率與初期支護彎矩關系圖

從表7與圖8、圖9中可以看出，當隧道的扁平率由0.462增加到0.480時，隧道初期支護軸力和彎矩逐漸增大；當扁平率0.480～0.556之間時，隧道初期支護軸力逐漸減小，彎矩基本保持不變；而當扁平率大于0.556之后，隧道初期支護軸力有所變大，而彎矩卻有所減少。隧道最合理、科學的斷面形式應該是隧道支護結構的受力不隨隧道斷面的調整有急劇的變化，根據(jù)扁平率和隧道初期支護軸力、彎矩圖，綜合考慮各種因素，推薦超大斷面隧道扁平率控制在0.48～0.55之間。

4 結 論

結合具體的工程實例，對不同扁平率下隧道周邊圍巖變形、應力分布，以及支護結構內(nèi)力進行了對比分析，得到以下結論：

（1）隨著扁平率的增大，拱頂下沉值逐漸減小，扁平率越大，拱頂下沉值變化率越小，當超大斷面隧道扁平率大到一定數(shù)值后，拱頂下沉基本保持一定值。

（2）隧道水平位移總體上隨著扁平率的增大而增加，但當扁平率小于一定數(shù)值后，水平位移基本保持不變。

（3）隧道的扁平率太小或者太大，隧道周邊圍巖均會有拉應力出現(xiàn)，拉應力出現(xiàn)部位是隧道圍巖最易失穩(wěn)之處，超大斷面隧道設計時應盡量避免圍巖有拉應力產(chǎn)生。

（4）超大斷面隧道合理、科學的斷面形式是支護結構的內(nèi)力不隨隧道斷面的變化有顯著的差異，故超大斷面隧道扁平率應控制在合理的范圍內(nèi)。

（5）通過對不同扁平率下隧道周邊圍巖位移、應力分布，以及支護結構內(nèi)力對比分析得到，超大斷面隧道合理扁平率范圍為0.48～0.55。