超大斷面隧道扁平率優(yōu)化分析

蔣 坤，張兵兵

（大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116001）

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人們生活水平的提高，小汽車進(jìn)入普通市民家庭已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，機(jī)動(dòng)車擁有量呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，同時(shí)由于城市化進(jìn)程的推進(jìn)，未來城市之間將產(chǎn)生新的交通量，對(duì)各城市之間的道路交通提出了新的要求。作為道路交通“瓶頸”的隧道工程伴隨著汽車擁有量和交通運(yùn)輸量的急速增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的兩車道斷面隧道已經(jīng)逐漸不適應(yīng)當(dāng)下交通運(yùn)輸?shù)男枰啾戎?，單洞三車道隧道是目前隧道工程的主流，而四車道隧道工程亦日益增加。四車道隧道開挖面積大于200 m2，根據(jù)表1日本隧道斷面劃分及表2國(guó)際隧道協(xié)會(huì)斷面劃分[1]，四車道隧道屬于超大斷面隧道的范圍。

表1 日本隧道斷面劃分和開挖面積一覽表

表2 國(guó)際隧道協(xié)會(huì)斷面劃分一覽表

扁平率（H/B）即隧道開挖高度與其開挖寬度之比，是評(píng)價(jià)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要指標(biāo)[2]。目前對(duì)于超大隧道扁平率研究并不多見，曲海峰[3]總結(jié)和綜述了國(guó)內(nèi)扁平特大斷面隧道及相似工程的建設(shè)與修筑情況，對(duì)扁平特大斷面隧道的施工方法、隧道力學(xué)問題及圍巖穩(wěn)定性、隧道斷面形式等研究熱點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)和分析；王建[4]以四川省某水電工程特大斷面隧道為工程背景，結(jié)合工程區(qū)巖石力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)，利用有限元分析軟件開展不同扁平率下特大斷面隧道圍巖和支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)等的分析研究，得出特大斷面隧道的扁平率合理控制范圍及其受力特性；陳衛(wèi)忠[5]利用大型有限元分析軟件ABAQUS的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)語言Python編程，對(duì)擬建清遠(yuǎn)蟠龍淺埋破碎巖體大斷面隧道不同扁平率進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，提出依托工程條件下的最優(yōu)化扁平率?，F(xiàn)結(jié)合大連光明路隧道工程，建立有限元數(shù)值模型分析不同扁平率下隧道的位移及其力學(xué)特性，以尋求超大斷面隧道合理扁平率，為該隧道，以及類似條件下的隧道工程的設(shè)計(jì)和施工提供合理的參考依據(jù)。

1 工程實(shí)例

光明路隧道起始于東方路，終止于中華路，全長(zhǎng)1 790 m，由于受地形條件、橋隧銜接方式的影響，南洞口220 m范圍內(nèi)為單洞四車道雙洞八車道隧道結(jié)構(gòu)，單洞最大開挖跨度達(dá)到22.004 m，最大開挖面積為247.73 m2。

為了系統(tǒng)對(duì)比分析扁平率對(duì)超大斷面隧道的影響，在保持隧道開挖跨度不變的條件下，改變隧道的高度取不同的扁平率，即通過改變?nèi)膱A不同的斷面參數(shù)而確定開挖輪廓線，結(jié)合隧道橫斷面圖選取了7種扁平率的斷面方案，分別為0.462、0.480、0.498、0.518、0.536、0.556 和 0.589，圖1為隧道橫斷面圖，表3為不同扁平率下隧道斷面參數(shù)表。

圖1 隧道橫斷面圖

表3 不同扁平率下隧道斷面參數(shù)表

2 數(shù)值模型建立

用MIDAS/GTS有限元軟件對(duì)不同扁平率超大斷面隧道進(jìn)行數(shù)值模擬分析，計(jì)算模型選取東線EK0+770，隧道埋深約為25 m，圍巖本構(gòu)模型選用Mohr-Coulomb彈塑性模型，圖2為數(shù)值計(jì)算模型。為了簡(jiǎn)化影響因素，隧道按臺(tái)階法施工。隧道按新奧法設(shè)計(jì)和施工，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，以錨桿、鋼拱架、濕噴混凝土等為初期支護(hù)，并輔以大管棚、注漿小導(dǎo)管等超前支護(hù)措施，數(shù)值模擬分析時(shí)錨桿、二次襯砌作為安全儲(chǔ)備，只考慮初期支護(hù)。利用荷載釋放系數(shù)模擬空間效應(yīng)，參考《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70—2004）[6]，隧道開挖荷載釋放為30%，襯砌支護(hù)分擔(dān)荷載為70%，計(jì)算模型中隧道初期支護(hù)，以及圍巖力學(xué)參數(shù)如表4中所列。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

表4 計(jì)算模型中圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)表

3 計(jì)算結(jié)果分析

在超大斷面隧道施工過程中，不同扁平率下隧道周邊圍巖變形、應(yīng)力分布及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力也相應(yīng)不同。下面分別對(duì)不同扁平率隧道的周邊圍巖變形、應(yīng)力分布及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行對(duì)比分析，以獲得超大斷面隧道合理扁平率。

3.1 拱頂下沉

隧道的拱頂下沉是圍巖變形的最直觀的表現(xiàn)之一，可直接反映圍巖的穩(wěn)定性狀態(tài)，表5為不同扁平率隧道的拱頂下沉值及拱頂下沉值變化率，圖3為不同扁平率隧道拱頂下沉值變化曲線。

表5 不同扁平率隧道拱頂下沉值及變化率一覽表

圖3 不同扁平率隧道拱頂下沉值變化曲線圖

從表5和圖3中可以看出，隨著扁平率的增大，拱頂下沉值逐漸減小，扁平率越大，拱頂下沉值變化率越小，當(dāng)超大斷面隧道扁平率達(dá)到一定值后，隧道的拱頂下沉值基本上不再隨扁平率的增加而變化。扁平率越小，對(duì)拱頂下沉值影響越敏感，當(dāng)扁平率由0.462變化到0.480時(shí)，隧道拱頂下沉值變化率為2.196%，說明超大斷面隧道扁平率不宜過小，扁平率過小不利于隧道的整體穩(wěn)定。而當(dāng)隧道的扁平率大于0.556后，拱頂下沉值變化率基本上保持在0.760左右，隧道拱頂下沉值基本上不再受隧道扁平率變化的影響，說明隧道扁平率過大對(duì)隧道的整體穩(wěn)定性沒有影響，反而浪費(fèi)隧道斷面空間，增加工程整體造價(jià)。通過不同扁平率下隧道的拱頂下沉值變化規(guī)律可以看出，超大斷面隧道扁平率應(yīng)該控制在一定的區(qū)間范圍內(nèi)，推薦超大斷面隧道扁平率控制在0.48～0.55之間。

3.2 水平位移

表6 為不同扁平率隧道的水平位移及水平位移變化率，圖4為不同扁平率隧道水平位移變化率曲線。從表6和圖4中可以看出，隨著隧道扁平率的增大，隧道周邊水平位移的總體變化趨勢(shì)是逐漸增大，當(dāng)扁平率增大到0.556后，隧道周邊水平位移急劇增加，水平位移變化率為22.616%，而當(dāng)隧道的扁平率小于0.480后，隧道的周邊水平位移不再隨著隧道扁平率的變化而變化。通過對(duì)不同扁平率下隧道的水平位移對(duì)比分析，可以看出超大斷面隧道扁平率合理范圍是0.48～0.55。

表6 不同扁平率隧道水平位移及變化率一覽表

3.3 圍巖應(yīng)力

圖5 ～圖7分別為扁平率0.480、0.518和0.556時(shí)隧道開挖后第一主應(yīng)力分布云圖。

從不同扁平率隧道圍巖第一主應(yīng)力分布云圖可以看出，隧道的最大主應(yīng)力均發(fā)生在拱腳處，這也說明隧道拱腳處有應(yīng)力集中現(xiàn)象發(fā)生，隧道設(shè)計(jì)和施工時(shí)拱腳處應(yīng)采取鎖腳錨桿對(duì)其進(jìn)行加固。而隧道底板均有拉應(yīng)力產(chǎn)生，對(duì)于圍巖較差的Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖從隧道整體穩(wěn)定性角度考慮，隧道應(yīng)采用帶仰拱的斷面形式。

圖4 不同扁平率隧道水平位移變化率曲線圖

從圖5～圖7中還可以看出，當(dāng)扁平率小于0.480時(shí)，隧道的拱頂和拱腰部位有拉應(yīng)力產(chǎn)生；當(dāng)扁扁平率0.480～0.556時(shí)，隧道開挖后周邊圍巖均為壓應(yīng)力；當(dāng)扁平率大于0.556時(shí)，隧道拱腰部位亦有拉應(yīng)力出現(xiàn)。隧道施工過程中，拉應(yīng)力出現(xiàn)部位是圍巖最易失穩(wěn)之處，隧道施工后應(yīng)盡可能的避免有拉力出現(xiàn)，因此從圍巖應(yīng)力的角度考慮超大斷面隧道扁平率的合理范圍是0.48～0.55。

圖5 扁平率0.480時(shí)第一主應(yīng)力分布云圖

圖6 扁平率0.518時(shí)第一主應(yīng)力分布云圖

圖7 扁平率0.556時(shí)第一主應(yīng)力分布云圖

3.4 初期支護(hù)內(nèi)力分析

表7 為不同扁平率時(shí)隧道初期支護(hù)最大軸力和彎矩表，圖8、圖9分別為扁平率與初期支護(hù)軸力、彎矩關(guān)系圖。

表7 不同扁平率時(shí)隧道初期支護(hù)最大軸力和彎矩表

圖8 扁平率與初期支護(hù)軸力關(guān)系圖

圖9 扁平率與初期支護(hù)彎矩關(guān)系圖

從表7與圖8、圖9中可以看出，當(dāng)隧道的扁平率由0.462增加到0.480時(shí)，隧道初期支護(hù)軸力和彎矩逐漸增大；當(dāng)扁平率0.480～0.556之間時(shí)，隧道初期支護(hù)軸力逐漸減小，彎矩基本保持不變；而當(dāng)扁平率大于0.556之后，隧道初期支護(hù)軸力有所變大，而彎矩卻有所減少。隧道最合理、科學(xué)的斷面形式應(yīng)該是隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力不隨隧道斷面的調(diào)整有急劇的變化，根據(jù)扁平率和隧道初期支護(hù)軸力、彎矩圖，綜合考慮各種因素，推薦超大斷面隧道扁平率控制在0.48～0.55之間。

4 結(jié) 論

結(jié)合具體的工程實(shí)例，對(duì)不同扁平率下隧道周邊圍巖變形、應(yīng)力分布，以及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行了對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

（1）隨著扁平率的增大，拱頂下沉值逐漸減小，扁平率越大，拱頂下沉值變化率越小，當(dāng)超大斷面隧道扁平率大到一定數(shù)值后，拱頂下沉基本保持一定值。

（2）隧道水平位移總體上隨著扁平率的增大而增加，但當(dāng)扁平率小于一定數(shù)值后，水平位移基本保持不變。

（3）隧道的扁平率太小或者太大，隧道周邊圍巖均會(huì)有拉應(yīng)力出現(xiàn)，拉應(yīng)力出現(xiàn)部位是隧道圍巖最易失穩(wěn)之處，超大斷面隧道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免圍巖有拉應(yīng)力產(chǎn)生。

（4）超大斷面隧道合理、科學(xué)的斷面形式是支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力不隨隧道斷面的變化有顯著的差異，故超大斷面隧道扁平率應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)。

（5）通過對(duì)不同扁平率下隧道周邊圍巖位移、應(yīng)力分布，以及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力對(duì)比分析得到，超大斷面隧道合理扁平率范圍為0.48～0.55。