超大斷面隧道內(nèi)輪廓比較分析

徐 輝

（大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116011）

1 工程概況

大東山隧道為分離式雙洞雙向8車道隧道，西線起止點(diǎn)樁號(hào)為K06+890～K08+003.785，全長(zhǎng)1 113.785 m，隧道內(nèi)縱坡為0.50%和2.89%，最大覆土厚度134.7m；東線隧道起止點(diǎn)樁號(hào)為K06+894～K08+004.300，全長(zhǎng) 1 110.3 m，縱坡為 0.5%和2.89%，最大覆土厚度155 m。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，擬建隧道場(chǎng)地內(nèi)主要分布有第四系坡積含碎石粉質(zhì)黏土，震旦系長(zhǎng)嶺子組頁(yè)巖、震旦系長(zhǎng)嶺子組石英砂巖，青白口系石英砂巖夾頁(yè)巖。擬建擴(kuò)建隧址區(qū)發(fā)現(xiàn)斷層4條，均為北東向。受區(qū)域內(nèi)構(gòu)造斷裂影響，該工程場(chǎng)區(qū)附近巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，斷層附近表現(xiàn)尤為明顯。本次測(cè)繪測(cè)得主要節(jié)理4組，節(jié)理多閉合～微張狀，節(jié)理面多無(wú)充填，少數(shù)鐵錳質(zhì)或鈣質(zhì)充填。

2 內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)圖[1]

根據(jù)道路等級(jí)要求，該隧道道路等級(jí)為城市快速路，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h，隧道建筑限界：0.75 m（檢修道）+0.5 m（路緣帶）+2×3.5 m（機(jī)動(dòng)車道）+2×3.75 m（機(jī)動(dòng)車道）+1.0 m（路緣帶）+0.75 m（檢修道）=17.50m；隧道凈高5.0m。根據(jù)以上建筑限界，擬定了兩種內(nèi)輪廓形式，分別見圖1、圖2和表1。

3 有限元分析模型[2]

為從整體上把握不同內(nèi)輪廓在各設(shè)計(jì)荷載作用下的受力、變形以及內(nèi)力分布情況，利用Midas GTS及Midas Civil有限元軟件，分別利用地層結(jié)構(gòu)法及荷載結(jié)構(gòu)法進(jìn)行建模計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，以求獲得優(yōu)選方案。每個(gè)方案兩種算法，計(jì)算條件及荷載選取都相同。

圖1 內(nèi)輪廓形式方案一

圖2 內(nèi)輪廓形式方案二

表1 內(nèi)輪廓參數(shù)表

3.1 荷載結(jié)構(gòu)法模型計(jì)算

對(duì)隧道主體結(jié)構(gòu)利用常用方法是取一段單位長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)段，利用二維桿系模型計(jì)算。上部覆土荷載為100 kN/m，周圍約束采用只受壓的彈簧，彈簧抗力系數(shù)采用Ⅴ圍巖彈性抗力系數(shù)100 MPa/m進(jìn)行單元換算，側(cè)壓力系數(shù)取0.5。襯砌厚度30 cm，兩個(gè)方案具體計(jì)算結(jié)構(gòu)圖3、圖4所示，計(jì)算結(jié)果匯總見表2。

圖3 方案一彎矩、軸力圖

圖4 方案二彎矩、軸力圖

表2 荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算結(jié)果匯總表

3.2 地層結(jié)構(gòu)法模型計(jì)算

地層結(jié)構(gòu)法建模，采用Ⅳ級(jí)圍巖作為分析對(duì)象，計(jì)算頂部取至拱頂20 m。邊界條件：模型邊界約束為位移約束，底部垂直向約束，左右兩側(cè)為垂直隧道軸線的水平向約束，上表面取水平表面。初始條件：以自重產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)為初始應(yīng)力場(chǎng)。計(jì)算采用平面簡(jiǎn)化計(jì)算，巖體采用莫爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則模型。支護(hù)條件采用初期支護(hù)30 cm厚C25噴射混凝土作為初期支護(hù)。開挖方法采用上下臺(tái)階法進(jìn)行模擬，具體圍巖參數(shù)及初期支護(hù)參數(shù)見表3、表4。

表3 圍巖力學(xué)參數(shù)表

表4 初期支護(hù)參數(shù)表

經(jīng)過計(jì)算，得出圍巖最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力云圖及拱頂下沉量，見表5、圖5。

表5 地層結(jié)構(gòu)法計(jì)算結(jié)果匯總表

3.3 結(jié)果對(duì)比分析

通過以上方案參數(shù)及計(jì)算結(jié)果匯總可知，方案一開挖寬度、高度及面積均大于方案二，工程量大于方案二；在淺埋地段，采用荷載結(jié)構(gòu)法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，初期支護(hù)拱頂彎矩方案一要小于方案二，拱肩及拱腳彎矩方案一均大于方案二，初期支護(hù)變形量方案一要小于方案二；深埋隧道圍巖受力分析計(jì)算結(jié)果顯示，方案一圍巖受狀況要好于方案二圍巖受力狀況。尤其在拱腰處，方案二承受壓應(yīng)力明顯大于方案二。

4 結(jié)語(yǔ)

圖5 地層結(jié)構(gòu)法計(jì)算結(jié)果圖

根據(jù)詳細(xì)計(jì)算及分析并參考以往工程經(jīng)驗(yàn)，主要得出以下結(jié)論和建議供參考：（1）扁平比大的隧道，拱頂受力較好，且拱頂沉降量相對(duì)較?。唬?）扁平比小的隧道，拱腰和拱腳初期支護(hù)受力較好，但圍巖受力在該處不好，拱頂下沉量相對(duì)較大；（3）大扁平比隧道由于斷面面積較大，會(huì)相應(yīng)增加工程造價(jià)及工期，相對(duì)不經(jīng)濟(jì)，小扁平比隧道相反；（4）根據(jù)工程的特點(diǎn)及圍巖條件，合理確定隧道內(nèi)輪廓的扁平比是隧道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

[1]JTG D70—2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]關(guān)寶樹.隧道力學(xué)概論[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1993.