基于調研工程對隧道超大斷面扁平率的擬定

馬連友

北京市首發高速公路建設管理有限責任公司 100166

引言

山嶺隧道內輪廓的擬定是隧道設計的前提，斷面優化比選尤其是對于扁平率的優化，不但能節省工程造價，更能保證隧道具有良好的受力條件，對隧道的施工安全也具有重要意義［1，2］。

目前，國內工程技術人員及學者對超大斷面隧道的扁平率做了一些研究。陳衛忠［3］等人通過對淺埋條件下破碎巖體超大斷面隧道不同扁平率進行參數化設計，結果表明：扁平率為0.59 的斷面形式是最優方案。同濟大學的曲海峰、朱合華［4］等人以廣州龍頭山雙洞八車道隧道為研究背景，歸納了各種松動荷載的計算方法，根據各種方法的產生背景和內容，分析其各自的適用性，對扁平超大斷面度公路隧道進行了適應性分析和討論。余世根［5］等人以龍潭灣隧道為工程背景，提出了依托工程條件下的最優化斷面形狀。

對于超大斷面隧道，國內外還沒有相應的設計、施工技術規范、標準［6－10］。有必要對國內已建的超大斷面隧道進行現場調研，進行工程類比，作為參照。同時，不同的工程地質及水文地質條件決定了每條隧道的設計都有其各自的特點。所以，對隧道超大斷面處的扁平率的計算分析尤為重要。

1 工程概況

某隧道分岔部結構形式如下：區段主要為微風化砂巖，節理裂隙較發育，地下水貧乏、滲透性小，最超大斷面區域圍巖綜合判定為Ⅲ級。分岔段橫斷面見圖1。

圖1 分岔段橫斷面Fig.1 Cross section of the tunnel at bifurcation

2 國內超大斷面隧道調研

對國內已建的超大斷面隧道進行現場調研，總結超大斷面處最大開挖跨徑、最大開挖高度、最大開挖面積及扁平率見表1。

表1 隧道超大斷面處尺寸信息Tab.1 Dimension information at super large section of tunnel

3 隧道超大斷面內輪廓擬定

據現場調研已建超大斷面分岔隧道，三車道以及四車道公路隧道，Ⅱ～Ⅳ級別圍巖的扁平率多控制在0.5～0.7 之間。以此為參考，保持隧道的跨度不變，通過適當變化隧道的開挖高度得到不同的扁平率，然后按照這些扁平率進行數值模擬，通過對隧道的拱頂沉降、圍巖塑性區范圍以及支護結構的受力特征三個方面進行對比分析，選取合理的扁平率，然后根據隧道設計原則，擬定隧道內輪廓。

3.1 建筑限界

根據工程需求及《公路隧道設計規范》（JTG 3370.1—2018）擬定某隧道最大斷面處建筑限界寬度為26.468m，高度為5.0m，建筑限界如圖2所示。

圖2 最大斷面建筑限界Fig.2 Maximum section construction clearance

3.2 扁平率計算

隧道斷面的扁平率與隧道斷面形狀和開挖量直接相關，是評價隧道結構穩定性和經濟性的指標之一。隧道斷面的扁平率不僅關系到隧道的空間利用率以及工程建設的經濟效益，也關系到隧道結構的受力狀態和結構穩定性。

根據確定的建筑限界寬度，結合隧道內輪廓確定方法，擬定內輪廓跨度為27.45m。結合調研成果及相關工程經驗，選取五種不同的扁平率進行計算分析，計算中所取的不同扁平率以及所對應的開挖高度見表2。

表2 不同扁平率以及所對應的開挖高度Tab.2 Different flat rate and the corresponding excavation height

用MIDAS／GTS進行數值模擬分析，建立二維模型進行計算。計算中，屈服破壞準則選用Mohr-Coulumb準則。各種材料的物理力學參數見表3、襯砌支護參數見表4。

表3 各種材料的物理力學參數Tab.3 The mechanical parameters of different materials

表4 襯砌支護參數Tab.4 The lining support parameter

3.3 結果分析

1.拱頂沉降

圖3 是根據隧道斷面采用不同扁平率時隧道拱頂的不同沉降值所繪制的曲線。從圖中可見，隨著扁平率的增大，拱頂沉降逐漸減小；當扁平率取0.46 時，拱頂沉降最大為0.052m；扁平率取0.7 時，拱頂沉降最小為0.009m；扁平率0.583、0.64 對應的拱頂沉降值分別為0.015m、0.013m，相差為0.002m，差別不大。

圖3 不同扁平率下拱頂沉降曲線Fig.3 Vault settlement curve under different flat rate

2.塑性區范圍

隧道斷面選取不同扁平率P時，隧道周邊圍巖的塑性區分布范圍如圖4 所示。對比圖4 中隧道圍巖的塑性區分布范圍可見：此類超大斷面隧道圍巖的塑性區主要出現在拱腳處；且隨著扁平率的降低，圍巖塑性區的范圍逐漸增大，塑性變形也不斷增大，當扁平率取0.46 時，拱腳處圍巖出現較大范圍的塑性區，塑性變形值也明顯增大，應力值數量級為另外四種扁平率下的百倍以上，且有貫通現象。由圖4 還可看出，當扁平率取0.52 時，圍巖塑性區的范圍以及塑性變形值均已較小；扁平率取大于0.52 的幾個數值時應力值數量級為10－5、10－6，圍巖塑性區范圍的變化幅度不大。

圖4 塑性區分布范圍Fig.4 The plastic zone maps

3.初期支護結構的內力

扁平率取不同值時隧道初期支護結構的軸力和彎矩云圖如圖5 所示。圖中可以看出，不同的扁平率，對應的支護結構的軸力和彎矩各不相同。從數值上看，支護結構所承受的彎矩受扁平率變化的影響較軸力更為顯著，不同扁平率下軸力差距不大。扁平率為0.46 時，最大彎矩值最大，為287kN·m；其他幾種扁平率下，最大彎矩值差別不大。另外從圖中可以看出，無論扁平率取何值，支護結構的拱腳處均產生較為明顯的應力集中，不同扁平率初期支護內力值見表5。

表5 不同扁平率初期支護內力Tab.5 Initial support internal force at different flat rates

圖5 不同扁平率時初期支護結構內力（軸力單位：kN，彎矩單位：kN·m）Fig.5 Internal force of primary support structure with different flattening ratio（unit of axial force：kN，unit of bending moment：kN·m）

4.斷面利用情況

不同扁平率下內輪廓見表6。根據表6 內容及內輪廓布置可知：當扁平率取0.46、0.52 時，開挖面積相對較小，由于拱頂圓弧半徑較大，受到內輪廓與建筑限界凈距限制，內輪廓兩拱腳處距離建筑限界下邊線較近，空間不滿足電力溝及排水溝的空間需求；當扁平率取0.64、0.7 時，開挖面積較大，土方開挖量大，同時，建筑限界上方至拱頂距離分別達到8.5m、10m，造成很大的空間浪費。當扁平率取0.583 時，斷面空間滿足附屬設施布設，開挖面積相對適中。

表6 不同扁平率以及所對應的內輪廓Tab.6 Different flat rate and the inner contour

5.合理扁平率的確定

不同的工程地質、水文地質及工程條件決定了山嶺隧道扁平率的差異性。恰當的扁平率使拱頂沉降較小、降低施工風險；可使圍巖塑性區范圍較小、隧道結構受力更合理；斷面面積更小的情況下滿足電力、通風、消防等附屬設施的空間布置需求，即斷面的空間利用率更高；同時較小的開挖斷面使得土方開挖量減少，相應的支護、襯砌、防水工程量相對減少，使工程更經濟、合理。

故綜合分析隧道開挖引起的隧道拱頂沉降、圍巖塑性區范圍、隧道支護結構受力，結合隧道開挖空間利用率、建設的經濟性，隧道的扁平率取0.583 是合理、可行的。

3.4 內輪廓擬定

根據上述分析，隧道扁平率取0.583，隧道內輪廓跨度27.45m，內輪廓高度16m。同時結合內輪廓擬定原則擬定超大斷面內輪廓如圖6所示。

圖6 最大斷面內輪廓（單位：cm）Fig.6 Inner contour of maximum section（unit：cm）

4 結論

1.據現場調研已建超大斷面分岔隧道，三車道及四車道公路隧道，Ⅱ-Ⅳ級圍巖下隧道的扁平率多控制在0.5～0.7 之間。

2.通過對不同扁平率下隧道的拱頂沉降、圍巖塑性區范圍、支護結構的受力特征、隧道開挖空間利用率、建設的經濟性等幾個方面進行對比分析，擬定本隧道超大斷面扁平率P＝0.583。

3.為驗證參數的合理性，需結合施工現場監測數據動態分析，以便更好地完善斷面擬定原則和方法。