隧道新型洞口段景觀設(shè)計及數(shù)值仿真分析

石喜梅

摘 要：隧道洞口段是隧道進出的咽喉，是隧道結(jié)構(gòu)唯一完全暴露的部分。選取新型切削式隧道洞門中的正交洞口和斜交洞口兩種型式對其人文景觀及美學(xué)藝術(shù)與傳統(tǒng)洞門對比分析。并對這兩種洞門型式進行數(shù)值仿真分析，驗證其型式的可行性和合理性。

關(guān)鍵詞：新型洞門；景觀要素；軸力；彎矩；圍巖壓力

隧道位置選定以后，隧道的長度由它兩端的洞口位置確定。隧道洞口段型式的選擇直觀體現(xiàn)了隧道外貌。隧道洞口段除了滿足結(jié)構(gòu)安全和基本功能要求之外，與周邊自然景觀及當?shù)氐赜蛭幕娜诤弦彩菍λ脑O(shè)計提出新的要求。因此，對它的景觀要素的要求，如何更加環(huán)保、更符合景觀及美學(xué)藝術(shù)將是未來洞口段設(shè)計的重點。

1 洞口段景觀設(shè)計分析

1.1 傳統(tǒng)與新型洞門分析

從目前世界上隧道洞口段的設(shè)計門類來看，洞門的建筑風(fēng)格多是封閉式拱形門類建筑。該類型洞門建筑元素多，可作文章多較為壯觀，比如秦嶺隧道、二郎山隧道見圖1（a）。但是建筑規(guī)模大，邊仰坡、天溝開挖造成植被破壞，且對山體穩(wěn)定不利，不利于環(huán)保，對不裝修的顯得也不美觀，千篇一律。社會的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，人們對環(huán)境美學(xué)要求的日益提高，迫切需要我們革新隧道洞門及洞口的設(shè)計理念，應(yīng)該從傳統(tǒng)的 “溫飽型”設(shè)計（只滿足洞門基本功能要求）向新型的“小康型”設(shè)計（不僅滿足基本功能，同時強調(diào)環(huán)境景觀要求）轉(zhuǎn)變。

由環(huán)框式洞門演變而來新型切削式隧道洞門。建筑形式簡約，裝飾性建筑可繁可簡，環(huán)保、美觀大方、自然。施工時刷坡少，盡可能的不破壞植被，有利于防止水土流失；而且能與周邊環(huán)境很好的融為一體，體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展思想及與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)的美學(xué)原則，見圖1（b）。

傳統(tǒng)擋土墻式隧道門主要作用是擋土，維護洞口山體穩(wěn)定，大多不做更多裝飾性建筑設(shè)計。這樣做的原因是：傳統(tǒng)擋土墻式隧道門是建立在原來的隧道修建技術(shù)基礎(chǔ)之上的，洞門必須開挖邊、仰坡，創(chuàng)造一定埋深才能暗挖進洞，隨之洞頂植被被砍伐，邊、仰坡刷坡以外一定區(qū)域又要修天溝（洞頂排水溝），造成局部環(huán)境破壞，隨著現(xiàn)代隧道技術(shù)的發(fā)展及環(huán)保、景觀等要求的提高，這種傳統(tǒng)的擋土墻式隧道門顯然已不能適應(yīng)發(fā)展的需要，隨之而產(chǎn)生了以洞身延出斜切式為代表的現(xiàn)代式洞門建筑。

1.2 新型洞門的景觀要素及基本組合

新型洞門更注重自然景觀與人工景觀的協(xié)調(diào)即造園藝術(shù)。其中對自然景觀更關(guān)注地形和地貌。如植被有無、植被組成發(fā)育程度、禿山巖石形態(tài)等。對于人工景觀側(cè)重于當?shù)厝宋慕ㄖ幕ńㄖ枺?、隧道孔?shù)、裝飾材料（材質(zhì)）、銘牌形式和洞口相連工程，如橋隧相連、路隧相連、洞口設(shè)風(fēng)機及輔助用房、雙線水平之間未有開闊地帶可造園，雙線高低、前后、錯落等。

根據(jù)切削方式的不同及一些功能上的要求，新型隧道洞門的基本類型包括：直切，正切，倒切，弧形擋墻幾種，又根據(jù)洞門與山體的相交關(guān)系分為正交和斜交兩種情況。其中組合類型見表1。

2 新型洞門的數(shù)值仿真分析

2.1 數(shù)值模型

為了確定新型隧道門的結(jié)構(gòu)受力變形狀態(tài)和整體的穩(wěn)定性，并與三維模型試驗的結(jié)果進行對比分析。因此，對設(shè)計的新型隧道門進行三維數(shù)值計算，采用的計算軟件為大型有限元（FEM）計算程序ANSYS。圖2為計算模型及選取斷面。

根據(jù)上圖中的彎矩與軸力云圖及圍巖壓力圖可以看出：

（1）襯砌橫向軸力全部受壓， 襯砌縱向軸力也全部受壓。

（2）襯砌的橫向最大正彎矩出現(xiàn)在仰拱的洞身部位，最大負彎矩出現(xiàn)在拱頂?shù)亩纯诙?，襯砌的縱向彎矩跟其橫向彎矩相比，值都很小，最大值出現(xiàn)在圍巖與襯砌的交界處。

（3）作用在襯砌上的最大圍巖壓力在仰拱部位。

（4）當采用正切式洞門時，洞口一定范圍內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)的受力特征與洞身襯砌有顯著的差別，呈空間分布，所以對洞口段襯砌結(jié)構(gòu)必須進行特殊設(shè)計。

（5）襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化從洞口向洞內(nèi)延伸20～25m后，基本上趨于穩(wěn)定，也就是說，在進行洞口段襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計時，洞口段取20～25m作為整體考慮較為合理，此段要考慮空間效應(yīng)，即不僅要考慮橫截面受力，還要考慮縱向受力，而再往洞內(nèi)延伸，則可按傳統(tǒng)上的平面應(yīng)變問題處理，這樣既保證結(jié)構(gòu)的安全性，也提高了工程的經(jīng)濟性。

（6）在隧道洞身地段，橫向上仰拱處于受壓狀態(tài)，同時縱向上也處于受壓狀態(tài)，從計算結(jié)果可知，縱向上軸力值遠小于橫向軸力，橫向彎矩是縱向彎矩的4～6倍，而且縱向結(jié)構(gòu)內(nèi)力的絕對數(shù)值都很小，故在結(jié)構(gòu)設(shè)計中可不必考慮縱向內(nèi)力的影響，按平面應(yīng)變問題進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3 結(jié)論

通過對單線鐵路隧道正切式、倒切式洞門、雙線鐵路隧道正切式、弧形擋墻式洞口段的三維數(shù)值仿真分析，經(jīng)過對計算結(jié)果的分析和比較，得出以下一些結(jié)論。

（1）不管是單線還是雙線鐵路隧道，當采用正切式、反切式及弧形擋墻式洞口時，洞口段一定范圍內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)的受力特征與洞身襯砌有顯著的差別，呈空間分布，所以對洞口段襯砌結(jié)構(gòu)必須進行特殊設(shè)計。

（2）對于單線鐵路隧道，當采用正切式洞口時，襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化從洞口向洞內(nèi)延伸20～25m后，基本上趨于穩(wěn)定；當采用倒切式洞口時，襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化從洞口向洞內(nèi)延伸16～22m后，基本上趨于穩(wěn)定。對于雙線鐵路隧道，采用正切式及弧形擋墻式洞口時，襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化從洞口向洞內(nèi)延伸25～30m后，基本上趨于穩(wěn)定。所以，在進行洞口段襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計時，洞口段一定范圍必須作為整體進行，此段要考慮空間效應(yīng)，即不僅要考慮橫截面受力，還要考慮縱向受力，與模型試驗結(jié)果相吻合?；谏鲜鲇嬎憬Y(jié)果，同時考慮施工因素的影響，建議單線正切式洞門段取25m，單線倒切式洞門段取22m，雙線正切式及弧形擋墻式洞門段取30m，進行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，而再往洞內(nèi)延伸，則可按傳統(tǒng)上的平面應(yīng)變問題處理，這樣既保證結(jié)構(gòu)的安全性，也提高了工程的經(jīng)濟性。

（3）由數(shù)值計算結(jié)果得知，工況一襯砌結(jié)構(gòu)上對應(yīng)位置的軸力、彎矩值比工況二都要大一些。在工況一中，襯砌結(jié)構(gòu)的上覆土體相當于明挖回填加載的；而在工況二中，襯砌結(jié)構(gòu)是在暗挖條件下加載的，由此可以看出，在相同的埋深條件下，明挖回填作用在襯砌上的荷載比暗挖條件下的要大，對結(jié)構(gòu)受力不利。所以，在條件允許的情況下，建議盡量采用暗挖法進行隧道洞口段施工。確實由于環(huán)境限制，不得不采用明挖法進行隧道洞口段施工時，此時作用在襯砌仰拱上的縱向軸力在洞口一定范圍內(nèi)呈受壓狀態(tài)，而在洞身段呈受拉狀態(tài)，特別是在雙線隧道中，受拉值非常大，此時必須對仰拱進行受拉配筋設(shè)計。

參考文獻

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