淺埋扁平超大斷面隧道斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

金星亮， 梁 斌， 焦 雷， 高笑娟， 胡曦波

(1. 河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院 河南 洛陽 471023； 2.中鐵隧道集團(tuán)勘測設(shè)計(jì)研究院 河南 洛陽 471009； 3.中鐵重慶地鐵建設(shè)指揮部 重慶 401120)

DOI: 10.13705/j.issn.1671-6841.2016352

淺埋扁平超大斷面隧道斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

金星亮1， 梁 斌1， 焦 雷2， 高笑娟1， 胡曦波3

(1. 河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院 河南 洛陽 471023； 2.中鐵隧道集團(tuán)勘測設(shè)計(jì)研究院 河南 洛陽 471009； 3.中鐵重慶地鐵建設(shè)指揮部 重慶 401120)

對于超大斷面淺埋扁平隧道，合理的扁平率設(shè)計(jì)對于隧道圍巖穩(wěn)定性和隧道建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要.采用大型數(shù)值分析軟件ANSYS，對重慶軌道交通5號線3標(biāo)超大斷面淺埋扁平隧道在5種不同扁平率下的斷面形式進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)；通過不同扁平率下隧道圍巖的變形和隧道結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析，以層次分析法為優(yōu)化分析理論基礎(chǔ)，對影響扁平隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的開挖面積、拱頂下沉、地表沉降、初支彎矩等目標(biāo)值進(jìn)行優(yōu)化，并將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析.最終確定了依托工程最優(yōu)扁平率為0.63，為此類工程斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒.

超大斷面隧道； 斷面優(yōu)化； 扁平率； 層次分析法

DOI: 10.13705/j.issn.1671-6841.2016352

0引言

隨著城市人口的不斷增加，解決城市交通擁堵也迫在眉睫，城市地鐵是解決這一問題的有效措施[1-2].城市地鐵線路的增多，多線路交匯處就需要更大斷面隧道來滿足[3]，本文的依托工程為單拱4線地鐵隧道，斷面開挖面積近400 m2，屬于超大斷面隧道[4].城市軌道交通建設(shè)由于在構(gòu)筑物密集和交通繁忙的區(qū)域，需要修建斷面大、埋深淺的地下工程，同時由于埋深淺，又要滿足多線路大斷面的要求，因此，斷面設(shè)計(jì)扁平率越來越小[5-8].扁平大斷面隧道勢必成為未來隧道建設(shè)解決高密度交通流量的隧道結(jié)構(gòu)形式.

扁平隧道圍巖受力相比橢圓形隧道斷面結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，選取合適的扁平率對于超大扁平隧道的設(shè)計(jì)顯得尤為重要，優(yōu)化后的扁平率隧道斷面能夠在保證安全的條件下，滿足功能需要、節(jié)省空間以及增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性.文獻(xiàn)[4-8]在對隧道結(jié)構(gòu)斷面形狀進(jìn)行優(yōu)化時，分別采用應(yīng)力最小、圍巖破壞面積、圍巖變形位移、隧道建造造價、隧道凈空面積和輪廓周長作為目標(biāo)函數(shù)的單目標(biāo)函數(shù)尋優(yōu)方法.隧道斷面優(yōu)化不僅僅考慮應(yīng)力、圍巖破壞面積、位移以及斷面幾何尺寸等作為單一目標(biāo)函數(shù)，隧道斷面的選擇應(yīng)該綜合考慮安全、技術(shù)以及經(jīng)濟(jì)等多因素影響.斷面的優(yōu)化也逐漸向多目標(biāo)優(yōu)化發(fā)展，能夠綜合考慮多種因素，對施工安全以及成本的控制起著關(guān)鍵性的作用.

本文采取層次分析法理論[9-10]，對超大斷面隧道的斷面設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化.利用有限元分析軟件ANSYS分析 5 種不同扁平率超大斷面隧道開挖后的應(yīng)力分布、位移分布、襯砌受力等；采用地表沉降、初支受力、隧道圍巖變形等指標(biāo)，對超大斷面隧道扁平率進(jìn)行優(yōu)化分析.并將最終采取的斷面形式現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證了計(jì)算模型的合理性與優(yōu)化結(jié)果的可靠性.

1 工程背景及監(jiān)測方案

重慶軌道交通5號線3標(biāo)工程位于重慶市北部新區(qū)，隧道起始里程為DK18+138.948～DK18+191.964，區(qū)間隧道為單拱4線地鐵隧道，鉆爆開挖，襯砌為復(fù)合式襯砌，為國內(nèi)在建軌道交通工程最大跨度暗挖區(qū)間隧道.區(qū)間線路所經(jīng)地段的原始地貌屬構(gòu)造剝蝕丘陵區(qū).沿線海拔高程290～375 m之間，相對高差85 m左右.隧道開挖斷面所處巖層主要為砂質(zhì)泥巖，等級為Ⅳ級.隧道開挖空間最大高度近17.2 m，跨度27.6 m，總開挖面積近388.47 m2，為淺埋扁平超大斷面隧道.

采用9部開挖的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，施工工序見圖1.噴射早強(qiáng)混凝土采用C25混凝土，厚度為30 cm，I25 b工字鋼鋼架，縱向間距0.5 m.二次襯砌采用C40鋼筋混凝土，厚度為100 cm，二襯鋼筋為HRB400、HRB300鋼筋，仰拱采用C20鋼筋混凝土填充.地質(zhì)縱剖面見圖2.

監(jiān)測方案：大跨淺埋扁平段隧道總長52.993 m，水平凈空收斂和拱頂下沉測點(diǎn)設(shè)置3個測試斷面，地表沉降測點(diǎn)每隔10 m一個斷面，每斷面6個測點(diǎn)，每測點(diǎn)間隔8 m.

圖1 施工工序圖Fig.1 Construction process diagram

2 有限元數(shù)值模擬與對比方案設(shè)計(jì)

2.1計(jì)算假定與數(shù)值模型

采用有限元分析軟件ANSYS15.0建立二維單元模型，采用“地層-結(jié)構(gòu)”模型和Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則.

計(jì)算模型兩側(cè)圍巖選用2倍洞徑寬度，隧道頂部取大于3倍洞徑，底部圍巖取2倍洞徑作為有限元分析范圍.圍巖和混凝土單元采用平面單元Plane42；鋼拱架及噴射混凝土采用Beam3梁單元；錨桿采用Link1線單元模擬；輸入不同材料的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行模擬，隧道圍巖力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 隧道圍巖及結(jié)構(gòu)材料基本力學(xué)參數(shù)

隧道開挖采用9部雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，采用ANSYS程序中的荷載步功能模擬隧道開挖施工，其中需要采用單元生死技術(shù)模擬隧道的開挖以及支護(hù)過程.本文對隧道的施工過程進(jìn)行了動態(tài)模擬，包括圍巖的開挖、施作噴射混凝土初期支護(hù)、鋼拱架支撐、錨桿支護(hù)、臨時支護(hù)以及二次襯砌結(jié)構(gòu)施作，共19個荷載步.在隧道工程中，隧道開挖為應(yīng)力釋放過程，這里假定隧道開挖結(jié)束后初期支護(hù)承受了70 %的荷載[11].約束數(shù)值模型左右邊界的水平向位移，頂部位移釋放為自由邊界，約束隧道底部邊界的豎向位移.

2.2隧道斷面參數(shù)

根據(jù)依托工程背景，為了研究不同扁平率的影響，在不改變隧道斷面寬度，只改變隧道斷面高度的方法，確定了5種扁平率分別為0.56、0.60、0.63、0.66、0.70，隧道高度分別對應(yīng)為15～19 m，每個扁平率斷面高度增加1 m，5種扁平率用C1～C5依次代表.

3 計(jì)算結(jié)果分析及與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

3.1不同扁平率數(shù)值仿真結(jié)果分析

從計(jì)算結(jié)果云圖來看，5種不同扁平率隧道斷面結(jié)構(gòu)力學(xué)特征規(guī)律基本一致，只給出5種扁平率圍巖應(yīng)力分布云圖.其他分析選取扁平率為0.63時隧道斷面計(jì)算結(jié)果.

對比圖3中5種不同扁平率圍巖應(yīng)力云圖可知，扁平率對圍巖應(yīng)力的影響比較大，最大應(yīng)力位置隨扁平率的變化而變化.扁平率為0.7時，圍巖最大應(yīng)力發(fā)生在拱腰位置；扁平率為0.56時，圍巖最大應(yīng)力位置在拱腳處，而拱腰處受力不再最大；最大應(yīng)力位置隨著扁平率的減小逐漸下移.這是由于，隨著扁平率的減小，隧道拱頂受力作用面增大，其最大受力位置下移.

由圖3可以看出，最大應(yīng)力范圍也隨扁平率的減小而逐漸增大，說明扁平率的減小，對圍巖影響增大.當(dāng)扁平率為0.56時，隧道的開挖對隧道周圍圍巖較大范圍產(chǎn)生影響，由于隧道拱腳承受較大彎矩，拱腳附近圍巖受影響較大，拱頂以及拱腰附近圍巖受影響也較大，圍巖達(dá)到塑性界限就會發(fā)生塑性變形，引起圍巖過大變形，可見扁平率為0.56時較為危險(xiǎn)，其余4種扁平率對圍巖的影響范圍較小.

圖3 不同扁平率隧道圍巖von Mises stress云圖

從圖4看出水平位移對稱分布，水平位移最大位置位于隧道兩側(cè)拱肩和兩側(cè)拱腳位置，隧道正上方左右兩側(cè)位置地表水平位移較大.拱頂中間豎向變形最大下沉量為6.077 mm，仰拱隆起量為6.178 mm；由于該大斷面扁平隧道為淺埋，浮力對地層位移有一定的影響，造成仰拱的隆起.

圖4 扁平率為 0.63 時圍巖位移云圖Fig.4 The displacement of surrounding rock with the flat rate of 0.63

圖5(a)為鋼拱架彎矩圖，從圖中可看出，拱頂部兩側(cè)臨時支撐點(diǎn)有較大彎矩，這是由于中隔墻開挖較晚，支撐點(diǎn)兩側(cè)圍巖位移不協(xié)調(diào)發(fā)展，造成該處鋼拱架承受較大彎矩.鋼拱架的支撐作用，調(diào)整了整個鋼拱架彎矩分布，避免了較大彎矩的產(chǎn)生，使得彎矩分布較為均勻，整體來看拱腳以及拱腰部位彎矩較大，最大正彎矩為120.536 (kN·m)，最大負(fù)彎矩為120.567 (kN·m)，均處于兩側(cè)拱頂位置的應(yīng)力集中處.若除去該處鋼拱架支撐的影響，整個隧道拱架的拱腳彎矩最大，最大值為40.321 (kN·m)，拱頂彎矩為13.461 (kN·m).

從圖5(b)可知，鋼拱架最大軸力在拱腳處，承受壓力，最大軸力為2 740 kN.

從圖5(c)知，當(dāng)中隔墻開挖完成后，拱頂受中隔墻支撐區(qū)下沉，導(dǎo)致中隔墻兩側(cè)錨桿受拉力較大，錨桿整體承受拉力，整體來看，拱腰偏上部位錨桿受力較大，拱腳部位錨桿拉力為4.7 kN，拱腰偏上部位錨桿軸力在10.0 kN左右，由于扁平隧道頂部受力作用面較大，造成拱腰偏上部位錨桿受力較大.

從圖5(d)看出，襯砌結(jié)構(gòu)在拱頂和拱腰位置應(yīng)力較大，最大應(yīng)力0.27 MPa.

圖5(e)、(f)分別為隧道開挖完成后圍巖von Mises應(yīng)力云圖、圍巖第3大主應(yīng)力云圖.可以看出，應(yīng)力最值均出現(xiàn)在拱腰以及拱頂位置；最大von Mises應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰，值為1.17 MPa；第3大主應(yīng)力最值出現(xiàn)在拱腰位置值為1.63 MPa.因此在隧道開挖后，應(yīng)對拱腰位置進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù).

圖5 扁平率為0.63時受力分布云圖

從圖6(a)知，在Ⅳ級圍巖條件下，隧道開挖面積與扁平率成正相關(guān).隨著扁平率的增大，開挖面積增大，施工成本增大，因此開挖面積將作為斷面優(yōu)化的一個指標(biāo)，能夠很好地控制施工成本.

從圖6(b)看出，拱頂沉降曲線與地表沉降曲線規(guī)律一致.隧道開挖后，拱頂下沉值與扁平率不存在單一線性關(guān)系，在扁平率為0.63時，拱頂沉降值最小，為6.077 mm；除去扁平率為0.63時來看，沉降值隨扁平率的減小而增大，因而在減小隧道斷面扁平率的情況下，應(yīng)當(dāng)著重控制地表沉降和拱頂沉降.地表沉降、拱頂沉降都是施工監(jiān)測的重點(diǎn)對象，關(guān)系著隧道施工的安全，對斷面設(shè)計(jì)的優(yōu)化將地表沉降、拱頂沉降作為優(yōu)化指標(biāo)，能夠保證安全.

從圖6(c)看出，錨桿軸力在扁平率為0.56時，達(dá)到峰值.最小值為扁平率為0.63時，除去該點(diǎn)，整體來看，錨桿最大軸力隨扁平率的減小而增大.

從圖6(d)知，初期支護(hù)彎矩，在扁平率為0.63時最小，值為120.567 (kN·m).彎矩變化規(guī)律與沉降曲線和錨桿軸力曲線有所不同，隨著扁平率的增大，最大初支彎矩是增大的.

圖6 各指標(biāo)隨扁平率變化曲線

3.2基于層次分析法的隧道斷面扁平率優(yōu)化結(jié)果

層次分析法屬于運(yùn)籌學(xué)理論.該方法將思維過程數(shù)學(xué)化，從而為復(fù)雜的決策問題提供一種簡單、實(shí)用的多準(zhǔn)則決策的評價方法[12].以錨桿軸力、初支最大彎矩、拱頂沉降、地表沉降及斷面開挖面積為判斷準(zhǔn)則，在保持隧道跨度不變前提下，對超大斷面隧道斷面設(shè)計(jì)優(yōu)化.隧道斷面優(yōu)化層次模型見圖7.

圖7 隧道斷面優(yōu)化層次模型

隧道開挖優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)值見表2.

最終通過層次總排序及一致性檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果見表3.

通過一致性檢驗(yàn)及權(quán)重求解結(jié)果知扁平率0.63為5種方案中最優(yōu)的.

3.3數(shù)值計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

重慶軌道交通5號線3標(biāo)段淺埋扁平超大斷面隧道最終采用了優(yōu)化設(shè)計(jì)的扁平率為0.63的斷面形狀，

表2 不同扁平率隧道開挖優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)值

表3 權(quán)重求解結(jié)果

以上5種數(shù)值計(jì)算結(jié)果均為模擬分析，為了驗(yàn)證計(jì)算模擬的可靠性，將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析.

從表4知，實(shí)測值比計(jì)算值稍大，經(jīng)分析主要存在以下原因：1) 隧道地表線路原始地貌屬構(gòu)造剝蝕丘陵區(qū)，經(jīng)人工后期改造為城市主干道，且地層有人工填土，在雨水的作用下實(shí)際地表沉降值比數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)大；2) 現(xiàn)場施工條件復(fù)雜、爆破等開挖對周圍圍巖有一定擾動；3) 重慶地區(qū)雨水較多，地下水豐富，地下水對隧道圍巖穩(wěn)定性有一定影響；4) 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分部多，施工步序繁雜，現(xiàn)場施工斷面不能及時進(jìn)行支護(hù)封閉成環(huán).

整體來看實(shí)測值與計(jì)算值數(shù)量級相當(dāng)，數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果合理，淺埋超大斷面扁平率優(yōu)化結(jié)果0.63合理.

表4 計(jì)算值與實(shí)測值對比數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1) 分析了不同扁平率下隧道力學(xué)特性，對于扁平隧道，隨著扁平率的減小，隧道圍巖拱頂受力作用面增大，引起拱腰受力較大，位置不斷下移，拱腳應(yīng)力集中，隧道圍巖受力分布規(guī)律隨之變化，因而對于扁平隧道應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)拱腳及邊墻的強(qiáng)度.

2) 從不同扁平率各個指標(biāo)曲線可知，地表沉降、拱頂沉降、錨桿軸力、初支彎矩與扁平率并不呈現(xiàn)單一的線性關(guān)系，通過分析可以確定一個較為合適的扁平率，能夠滿足安全和節(jié)約成本的要求.

3) 采用層次分析法對淺埋扁平大斷面隧道扁平率進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化研究，相比傳統(tǒng)單目標(biāo)尋優(yōu)的方法，綜合考慮了多方面因素，結(jié)果表明，扁平率為0.63的斷面形式為最優(yōu)方案.

4) 將最終采取的扁平率優(yōu)化結(jié)果0.63情形下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，驗(yàn)證了計(jì)算模型以及優(yōu)化結(jié)果的可靠性.

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(責(zé)任編輯：王浩毅)

OnOptimizedSuperCrossSectionDesignofTunnelwithShallowFlat

JIN Xingliang1, LIANG Bin1, JIAO Lei2, GAO Xiaojuan1, HU Xibo3

(1.CollegeofCivilEngineering,HenanUniversityofScienceandTechnology,Luoyang471023,China; 2.Survey,DesignandResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroup,Luoyang471009,China; 3.ChinaRailwayChongqingSubwayConstructionHeadquarters,Chongqing401120,China)

For super section shallow flat tunnel, reasonable flat rate design was crucial to the stability of tunnel surrounding rock and the tunnel construction economy. With Chongqing Metro 5 line super section shallow flat Tunnel as project background, the program with the standard design language APDL of general-purpose finite element software ANSYS to achieve parametric was designed for the 5 different flat ratios of the tunnel. The deformation of tunnel surrounding rock and the force of tunnel structure under 5 kinds of flat ratios were analyzed. With AHP (analytic hierarchy process) as the theoretical foundation of multi-objective optimization, target values of excavation area, vault subsidence, ground surface settlement, first support moment, etc. which might affect the stability of flat tunnel were optimized. The analysis data were compared with the site monitoring data. Finally, the optimal flat ratio 0.63 under supported project was put forward.It could be a reference for optimization design of such projects section.

super section tunnel; cross section optimization; flat ration; analytic hierarchy process

2016-12-24

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11402077)；河南省科技廳產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目(2015HNCXY011).

金星亮(1989—)，男，河南周口人，主要從事隧道與地下工程研究，E-mail:1278461291@qq.com;通信作者：梁斌(1963—)，男，河南洛陽人，教授，主要從事工程結(jié)構(gòu)非線性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，E-mail：liangbin4231@163.com.

U452.2

A

1671-6841(2017)04-0112-07