基于大學(xué)生模型設(shè)計競賽的隧道模型方案設(shè)計與制作分析
——以城市地下空間工程專業(yè)為例

馬帥帥，孫厚超，徐鄭偉，賈越昊，李富榮

（鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

1 引言

隨著工程交通建設(shè)的發(fā)展，經(jīng)常遇到隧道建設(shè)問題，隧道設(shè)計也是地下建筑結(jié)構(gòu)的重要組成部分，它包括半襯砌結(jié)構(gòu)、厚拱薄墻襯砌結(jié)構(gòu)、直墻拱形襯砌結(jié)構(gòu)、曲墻結(jié)構(gòu)、復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)和連拱隧道結(jié)構(gòu)等形式，實(shí)際工程中可根據(jù)地層的類別、使用功能和施工技術(shù)水平等因素進(jìn)行選擇。在諸多隧道結(jié)構(gòu)形式中，雙連拱隧道可以上、下行車分離，而且具有接線難度小、占地少、環(huán)境保護(hù)好等特點(diǎn)，在500m以下的短隧道設(shè)計中已普遍采用。目前，隧道結(jié)構(gòu)從偏于安全的角度往往設(shè)計得較為保守，如果對雙聯(lián)拱隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的分析與優(yōu)化，使其在滿足支護(hù)與使用功能的前提下能節(jié)約材料，減小建設(shè)成本，則具有較大的研究意義。

本次競賽圍繞雙聯(lián)拱隧道的工程背景，要求對雙聯(lián)拱隧道結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化，使得在用料盡量少的情況下隧道模型具有最大承載能力，以期尋求可行、合理和科學(xué)的最優(yōu)設(shè)計方案。賽題給定模型箱內(nèi)部尺寸0.6m×0.8m×0.5m，雙聯(lián)拱隧道結(jié)構(gòu)體系包括模型邊墻、中隔墻、襯砌及拱。模型設(shè)計要求采用盡可能少的白卡紙設(shè)計隧道結(jié)構(gòu)，模型結(jié)構(gòu)能達(dá)到最小變形及最大承載的效果，通過加載試驗(yàn)檢驗(yàn)整個隧道體系的承載力和變形特征，利用承載比指標(biāo)評定隧道結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性。

2 模型方案設(shè)計

根據(jù)模型競賽題目要求，為了較好減小模型受荷后沉降量，同時具備承受最大荷載的能力，通過有限元數(shù)值模擬分析和模型方案比選[1-3]，擬定方案為：雙聯(lián)拱型式（緊湊型），縱向4榀構(gòu)件以縱桿構(gòu)造連接，頂部均勻設(shè)置2道縱桿；立柱采用外邊長10mm的方形構(gòu)件，卷紙長度100mm；采用橢圓形拱，拱高12cm，跨度32cm，截面為1cm×1.5cm的矩形；橫桿設(shè)置在隧道底部，立柱之間，采用外徑7mm的圓形截面，卷紙長度6cm。為防止側(cè)墻底部漏砂，側(cè)墻上縱桿設(shè)置在底部，且白卡紙封層在側(cè)墻位置向內(nèi)折疊1cm，以保證蒙皮效應(yīng)[1-2]。

圖1 模型整體設(shè)計圖

圖2 模型構(gòu)件設(shè)計詳圖

為了防止側(cè)墻立柱彎折破壞，中間2榀的邊柱上采用雙柱方案加強(qiáng)，增加的柱子在隧道內(nèi)側(cè)與原邊柱并排布置。因此，為滿足隧道凈空要求，需要相應(yīng)增加拱的跨度。

上述方案為正常條件下的設(shè)計方案，但是考慮到紙張材料的差異及天氣對紙張性能的影響，為保證加載成功，在正常方案基礎(chǔ)上設(shè)計了加強(qiáng)方案，可以臨場選擇。結(jié)合模型實(shí)驗(yàn)及有限元結(jié)果，模型失效時發(fā)現(xiàn)立柱、拱腳部位及拱的腰部容易發(fā)生彎折破壞，為確保構(gòu)件具有足夠承載能力，將拱腳及拱腰部位采用貼片的方法進(jìn)行局部加固，將邊柱截面采用內(nèi)圓外方的方案進(jìn)行優(yōu)化[4-5]。整體模型平、立面設(shè)計如圖1所示。

隧道模型的立柱、縱桿、橫桿、拱等構(gòu)件的設(shè)計詳圖見圖2所示，其中，模型立柱及拱的加強(qiáng)位置參考圖1（d）。

3 模型制作

模型制作包括紙張裁剪、紙張貼膠、構(gòu)件制作、構(gòu)件拼接4大步驟。為了達(dá)到較理想的制作與拼裝效果，首先自制了白卡紙劃線及裁剪模具，并采用中空的鋁合金型材作為貼膠后構(gòu)件固定，防止紙張連接處脫膠，如圖3所示。構(gòu)件制作完成后的模型如圖4所示。

模型稱重后，經(jīng)過一定時間的自然干燥或吹風(fēng)機(jī)吹干后將模型整體移入模型箱，并進(jìn)行支護(hù)模型安裝及加載（圖5），安放模型時注意位置居中，且模型結(jié)構(gòu)兩側(cè)離加載箱邊緣距離大于5cm。

根據(jù)模型設(shè)計競賽說明書要求，總結(jié)模型安裝的要點(diǎn)如下：

①在立柱的外側(cè)涂上白乳膠后與白卡紙側(cè)墻應(yīng)盡量貼合，將白卡紙下緣向內(nèi)彎折并控制彎折端長度不大于1cm；

②可以在隧道口飛邊與模型箱之間放入一張長條形白卡紙避免加砂時有砂粒滑入隧道；

③砂分層裝入，為防止側(cè)壓力過大，可以現(xiàn)在隧道頂部加一定量標(biāo)準(zhǔn)砂，使模型承受一定的豎向荷載，提前保證側(cè)邊立柱的穩(wěn)定性；

④標(biāo)準(zhǔn)砂應(yīng)盡量密實(shí)，對減小沉降有利；加載板位置需要放置準(zhǔn)確，否則容易壓到模型箱邊緣導(dǎo)致模型受力不均。

4 相關(guān)制作問題分析

4.1 模型側(cè)墻凸出問題

雖然模型并無限制采用1層白卡紙，但從減輕重量角度，1層白卡紙作為襯砌可以滿足承載力要求，但有時會遇到側(cè)墻受壓凸出問題。

針對該問題，可將側(cè)邊縱桿位置降低至側(cè)墻底部，依靠縱桿與模型箱底部的摩擦抵消部分側(cè)向壓力。其次，可打毛白卡紙邊緣以增加與有機(jī)玻璃板之間的接觸摩擦，可以一定程度上改善白卡紙的變形。

4.2 模型桿件尺寸控制問題

4.2.1 桿件制作尺寸控制

圖3 自制模具

圖4 制作完成的模型

圖5 模型安裝與加載

本參賽隊利用自己制作的模具（鋼軸、圓管等）來控制不同桿件內(nèi)徑的變化，保證構(gòu)件制作的均勻性，由紙張延展長度來控制桿件的重量。

4.2.2 桿件貼膠脫落導(dǎo)致尺寸變形問題

模型桿件制作完成與桿件拼裝之間有一定時間間隔，期間構(gòu)件易發(fā)生貼膠脫開，部分構(gòu)件甚至因脫膠發(fā)生卷紙松開的情況，對模型后續(xù)的承載力影響很大。為避免該問題，采用自制的鋁合金型材管道進(jìn)行構(gòu)件固定，可有效解決這一問題。

4.2.3 模型擋墻邊緣漏砂問題

隧道出口邊緣處與有機(jī)玻璃接觸一側(cè)以及側(cè)墻底面，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)漏砂現(xiàn)象，極易導(dǎo)致加載失敗。處理辦法是加砂時用紙片蓋住白卡紙邊緣處，待砂填筑至一定高度后再將紙條抽出，可有效改善邊緣漏砂；側(cè)墻底部漏砂問題采用將縱桿降至底面的方法，在一定程度上降低漏砂發(fā)生的概率。

4.2.4 標(biāo)準(zhǔn)砂密實(shí)度控制問題

在加載實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)填入的標(biāo)準(zhǔn)砂密實(shí)度不一致，易導(dǎo)致表面豎向位移超限，引起加載失敗。為此，在加砂過程中，采用板條搗砂和橡皮錘振砂相結(jié)合的方法，在確保擋墻不凸出的前提下充分壓實(shí)，并盡量保證擋墻兩側(cè)的標(biāo)準(zhǔn)砂密實(shí)度一致。

5 結(jié)語

隧道支護(hù)模型的設(shè)計過程涉及到構(gòu)件參數(shù)的確定及模型的整體優(yōu)化，從數(shù)值計算和實(shí)驗(yàn)確定模型支撐構(gòu)件的設(shè)計參數(shù)，并研究了支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征，提出構(gòu)件優(yōu)化布置建議。此外，針對模型制作過程中模型側(cè)墻凸出、桿件貼膠脫落導(dǎo)致尺寸變形、擋墻邊緣漏砂、標(biāo)準(zhǔn)砂密實(shí)度不一等問題，提出具體的應(yīng)對策略。