超大斷面市政隧道合理斷面型式的確定

黃峰

（濟南市市政工程設(shè)計研究院（集團）有限責任公司，濟南250101）

1 工程概況

某路工程線路總長度達11.6km，是當?shù)氐某鞘锌焖俚缆?，設(shè)計為雙向6 車道的形式，最高時速達80km。整個線路中穿越當?shù)乇容^大的山體結(jié)構(gòu)，其中隧道為全線控制性工程，全長為2.6km，屬特長市政道路隧道施工項目，工程質(zhì)量影響因素比較多，所以需要采取更加有效的方式來進行質(zhì)量控制。

2 合理斷面型式的確定

本工程超大斷面隧道工程項目受到Ⅲ級和Ⅴ級圍巖地質(zhì)的嚴重影響，三心圓、五心圓的隧道型式需要結(jié)合該施工位置的位移特性、受力特性、支護結(jié)構(gòu)形式等方面，然后選擇科學合理的斷面結(jié)構(gòu)形式，以確定是否可以滿足工程的需要[1]。

2.1 模型的建立

本工程項目在施工前需要重點考慮的部分是，超大斷面隧道項目在不同圍巖條件之下如何才能選擇最佳的斷面型式，所以在數(shù)值分析中需要從以下幾點來進行簡化處理。

1）施工方法：應(yīng)用全斷面開挖方式。

2）支護參數(shù)：選擇一致的初支參數(shù)，關(guān)鍵就是要進行分析三心圓、五心圓的隧道圍巖與初支力學影響之下的特性和位移方面數(shù)據(jù)的分析。

3）圍巖承載性能： 為了能夠有效地進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，本工程項目中確定全部應(yīng)用50%的應(yīng)力釋放率參數(shù)，也就是在隧道開挖施工結(jié)束后，圍巖能夠承載50%的外部荷載。

該工程項目的各項技術(shù)參數(shù)都要應(yīng)用ANSYS 有限元軟件分析，可以明確確定隧道項目的具體狀況。數(shù)值模擬應(yīng)用的是彈性塑性方式，圍巖結(jié)構(gòu)材料符合理想彈塑性準則。隧道襯砌采用Beam3 單元來模擬，圍巖采用PLane42 單元加以模擬，Ⅲ級圍巖部分的初期支護方式選擇使用錨噴支護方式，其中錨桿長350cm，間隔距離120cm×120cm，混凝土層的厚度尺寸為15cm。

2.2 典型測點的選擇

為了使后續(xù)的分析和應(yīng)用更加科學合理，在隧道洞室周邊典型位置上進行監(jiān)測控制，準確地測量各項監(jiān)測值。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 圍巖位移分析

1）Ⅲ級圍巖

通過研究可知，在Ⅲ級圍巖三心圓和五心圓下隧道的水平收斂變形曲線和豎向位移曲線構(gòu)建的過程中，它具備一種相似的形狀。

從分析上可以看出：

（1）經(jīng)過分析上述2 種斷面結(jié)構(gòu)形式，發(fā)現(xiàn)圍位移變化是基本一致的，在開挖施工結(jié)束后，拱頂部分可以達到沉降控制的要求，而拱底會出現(xiàn)隆起的問題，周邊將產(chǎn)生洞內(nèi)收斂，斷面型式不同，位移分布規(guī)律稍有差異。

（2）豎向位移。三心圓：拱頂沉降量最大可達36.9mm，拱底隆起最大處達25.1mm；五心圓：拱頂沉降量最大可達37.3mm，拱底隆起最大處達25.7mm。兩種斷面形式其相差比較小[2]。

（3）水平位移。三心圓：拱腰收斂最大值為19.8mm；五心圓：拱腰收斂最大值17.8mm。二者數(shù)據(jù)相差比較小。Ⅲ級圍巖條件下，2 種斷面形式的各個特性點的數(shù)據(jù)相差比較小，從圍巖位移角度來說，其斷面型式都可以使用。

2）Ⅴ級圍巖

Ⅴ級圍巖三心圓和五心圓下隧道的水平收斂變形曲線和豎向位移曲線構(gòu)建是存在相互性的。

因此可以看出：

（1）對于不同斷面結(jié)構(gòu)來說，圍巖位移的變化規(guī)律相差不大，隧道開挖施工之后，拱頂會出現(xiàn)一定程度的沉降問題，拱底則會出現(xiàn)隆起的情況，洞內(nèi)收斂也會發(fā)生，而斷面型式的不同，其位移變化會稍有不同。

（2）豎向位移。三心圓下：拱頂沉降最大值為29.5mm；拱底隆起最大值22.2mm；五心圓：拱頂沉降最大值28.7mm；拱底隆起最大值22.1mm。

（3）水平位移。三心圓：拱腰收斂最大可達15.0mm；五心圓：拱腰收斂最大可達17.6mm。Ⅴ級圍巖中，該2 種結(jié)構(gòu)形式特性基本一致，從圍巖位移量方面的分析可以發(fā)現(xiàn)，這2 種形式都能夠應(yīng)用，但以水平位移量參數(shù)來分析可以發(fā)現(xiàn)，三心圓斷面型式的效果更好，可以達到隧道工程的使用需要。

2.3.2 圍巖應(yīng)力分析

1）Ⅲ級圍巖

（1）分析2 種型式，從圍巖結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變化規(guī)律來說，基本是相同的，在開展隧道開挖施工之后，拱頂?shù)焦澳_中的最大與最小主應(yīng)力都是負數(shù)，這就說明整個圍巖一直處于受壓的狀態(tài)之下。最小主應(yīng)力一般會達到2～3MPa，也就是說，整個圍巖在受壓的作用之下而達到塑性變形的狀態(tài)。

（2）最大主應(yīng)力。三心圓：拱腳位置最小，參數(shù)值為-2.7MPa，拱底位置上最大，參數(shù)值為-0.3MPa。五心圓：拱腳位置上最小，參數(shù)值為-2.85MPa，拱底位置上最大，參數(shù)值-0.26MPa。

（3）最小主應(yīng)力。三心圓：拱腳位置上最小，參數(shù)為-6.64MPa，拱底位置上最大，參數(shù)值為-1.23MPa。五心圓：拱腳位置上最小，參數(shù)值為-6.87MPa，拱底位置上最大，參數(shù)值為-1.14MPa。Ⅲ級圍巖條件下，2 種斷面形式的各個特性點之間的應(yīng)力值相差比較小，而主應(yīng)力通常在拱底位置上的數(shù)據(jù)是最大的，而拱腳位置上則最小。從圍巖應(yīng)力的作用之下，2 種結(jié)構(gòu)斷面都可以使用，所產(chǎn)生的效果是相同的。

2）Ⅴ級圍巖

（1）不同斷面部分的應(yīng)力與規(guī)律相差比較小，在開始進行開挖施工之后，可以確定在拱頂?shù)焦澳_范圍內(nèi)的最大與最小主應(yīng)力全部是負數(shù)，這就說明該施工位置上的圍巖為受壓的狀態(tài)中。最小主應(yīng)力與最大主應(yīng)力之間的差別最大可以達到1～4MPa，這就表示該圍巖區(qū)域中處在塑性變形的范圍內(nèi)。

（2）最大主應(yīng)力。三心圓：拱腳位置上應(yīng)力最小，參數(shù)值為-2.67MPa，拱底位置上則最大，參數(shù)為-0.31MPa。五心圓：拱腳位置的應(yīng)力最小，參數(shù)值為-2.44MPa，拱底位置上最大，參數(shù)值為-0.19MPa。

（3）最小主應(yīng)力。三心圓：拱腳位置行最小，參數(shù)值為-6.61MPa，拱底位置最大，參數(shù)值為-1.18MPa。五心圓：拱腳位置上最小，參數(shù)值為-6.11MPa，拱底位置上最大，參數(shù)值為-0.83MPa。

Ⅴ級圍巖條件下，2 種斷面形式中的受力特性相差比較小。對于主應(yīng)力來說，拱底部分的數(shù)據(jù)最大，而拱腳位置則最小。對于圍巖應(yīng)力來說，在該圍巖之下，二者的應(yīng)用效果是相同的。

3 結(jié)語

隨著城市交通量的逐漸增大，目前很多的超大斷面市政隧道工程被建設(shè)和應(yīng)用，最為主要的斷面形式為三心圓與五心圓2 種，這就需要按照設(shè)計方案的要求來選擇合適的型式，保證可以滿足人們的日常使用需要。本文以某工程為案例進行分析，了解設(shè)計的主要應(yīng)用因素，綜合分析之后，可以確定最佳的斷面結(jié)構(gòu)形式，從而可以滿足超大隧道的運行需要，滿足城市交通運行要求。