馬連友

北京市首發(fā)高速公路建設(shè)管理有限責(zé)任公司 100166

引言

山嶺隧道內(nèi)輪廓的擬定是隧道設(shè)計(jì)的前提，斷面優(yōu)化比選尤其是對(duì)于扁平率的優(yōu)化，不但能節(jié)省工程造價(jià)，更能保證隧道具有良好的受力條件，對(duì)隧道的施工安全也具有重要意義［1，2］。

目前，國(guó)內(nèi)工程技術(shù)人員及學(xué)者對(duì)超大斷面隧道的扁平率做了一些研究。陳衛(wèi)忠［3］等人通過(guò)對(duì)淺埋條件下破碎巖體超大斷面隧道不同扁平率進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明：扁平率為0.59 的斷面形式是最優(yōu)方案。同濟(jì)大學(xué)的曲海峰、朱合華［4］等人以廣州龍頭山雙洞八車(chē)道隧道為研究背景，歸納了各種松動(dòng)荷載的計(jì)算方法，根據(jù)各種方法的產(chǎn)生背景和內(nèi)容，分析其各自的適用性，對(duì)扁平超大斷面度公路隧道進(jìn)行了適應(yīng)性分析和討論。余世根［5］等人以龍?zhí)稙乘淼罏楣こ瘫尘?，提出了依托工程條件下的最優(yōu)化斷面形狀。

對(duì)于超大斷面隧道，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有相應(yīng)的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)［6－10］。有必要對(duì)國(guó)內(nèi)已建的超大斷面隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，進(jìn)行工程類比，作為參照。同時(shí)，不同的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件決定了每條隧道的設(shè)計(jì)都有其各自的特點(diǎn)。所以，對(duì)隧道超大斷面處的扁平率的計(jì)算分析尤為重要。

1 工程概況

某隧道分岔部結(jié)構(gòu)形式如下：區(qū)段主要為微風(fēng)化砂巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，地下水貧乏、滲透性小，最超大斷面區(qū)域圍巖綜合判定為Ⅲ級(jí)。分岔段橫斷面見(jiàn)圖1。

圖1 分岔段橫斷面Fig.1 Cross section of the tunnel at bifurcation

2 國(guó)內(nèi)超大斷面隧道調(diào)研

對(duì)國(guó)內(nèi)已建的超大斷面隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，總結(jié)超大斷面處最大開(kāi)挖跨徑、最大開(kāi)挖高度、最大開(kāi)挖面積及扁平率見(jiàn)表1。

表1 隧道超大斷面處尺寸信息Tab.1 Dimension information at super large section of tunnel

3 隧道超大斷面內(nèi)輪廓擬定

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研已建超大斷面分岔隧道，三車(chē)道以及四車(chē)道公路隧道，Ⅱ～Ⅳ級(jí)別圍巖的扁平率多控制在0.5～0.7 之間。以此為參考，保持隧道的跨度不變，通過(guò)適當(dāng)變化隧道的開(kāi)挖高度得到不同的扁平率，然后按照這些扁平率進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)隧道的拱頂沉降、圍巖塑性區(qū)范圍以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征三個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析，選取合理的扁平率，然后根據(jù)隧道設(shè)計(jì)原則，擬定隧道內(nèi)輪廓。

3.1 建筑限界

根據(jù)工程需求及《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3370.1—2018）擬定某隧道最大斷面處建筑限界寬度為26.468m，高度為5.0m，建筑限界如圖2所示。

圖2 最大斷面建筑限界Fig.2 Maximum section construction clearance

3.2 扁平率計(jì)算

隧道斷面的扁平率與隧道斷面形狀和開(kāi)挖量直接相關(guān)，是評(píng)價(jià)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)之一。隧道斷面的扁平率不僅關(guān)系到隧道的空間利用率以及工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益，也關(guān)系到隧道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

根據(jù)確定的建筑限界寬度，結(jié)合隧道內(nèi)輪廓確定方法，擬定內(nèi)輪廓跨度為27.45m。結(jié)合調(diào)研成果及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，選取五種不同的扁平率進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算中所取的不同扁平率以及所對(duì)應(yīng)的開(kāi)挖高度見(jiàn)表2。

表2 不同扁平率以及所對(duì)應(yīng)的開(kāi)挖高度Tab.2 Different flat rate and the corresponding excavation height

用MIDAS／GTS進(jìn)行數(shù)值模擬分析，建立二維模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中，屈服破壞準(zhǔn)則選用Mohr-Coulumb準(zhǔn)則。各種材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3、襯砌支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表4。

表3 各種材料的物理力學(xué)參數(shù)Tab.3 The mechanical parameters of different materials

表4 襯砌支護(hù)參數(shù)Tab.4 The lining support parameter

3.3 結(jié)果分析

1.拱頂沉降

圖3 是根據(jù)隧道斷面采用不同扁平率時(shí)隧道拱頂?shù)牟煌两抵邓L制的曲線。從圖中可見(jiàn)，隨著扁平率的增大，拱頂沉降逐漸減??；當(dāng)扁平率取0.46 時(shí)，拱頂沉降最大為0.052m；扁平率取0.7 時(shí)，拱頂沉降最小為0.009m；扁平率0.583、0.64 對(duì)應(yīng)的拱頂沉降值分別為0.015m、0.013m，相差為0.002m，差別不大。

圖3 不同扁平率下拱頂沉降曲線Fig.3 Vault settlement curve under different flat rate

2.塑性區(qū)范圍

隧道斷面選取不同扁平率P時(shí)，隧道周邊圍巖的塑性區(qū)分布范圍如圖4 所示。對(duì)比圖4 中隧道圍巖的塑性區(qū)分布范圍可見(jiàn)：此類超大斷面隧道圍巖的塑性區(qū)主要出現(xiàn)在拱腳處；且隨著扁平率的降低，圍巖塑性區(qū)的范圍逐漸增大，塑性變形也不斷增大，當(dāng)扁平率取0.46 時(shí)，拱腳處圍巖出現(xiàn)較大范圍的塑性區(qū)，塑性變形值也明顯增大，應(yīng)力值數(shù)量級(jí)為另外四種扁平率下的百倍以上，且有貫通現(xiàn)象。由圖4 還可看出，當(dāng)扁平率取0.52 時(shí)，圍巖塑性區(qū)的范圍以及塑性變形值均已較??；扁平率取大于0.52 的幾個(gè)數(shù)值時(shí)應(yīng)力值數(shù)量級(jí)為10－5、10－6，圍巖塑性區(qū)范圍的變化幅度不大。

圖4 塑性區(qū)分布范圍Fig.4 The plastic zone maps

3.初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力

扁平率取不同值時(shí)隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力和彎矩云圖如圖5 所示。圖中可以看出，不同的扁平率，對(duì)應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力和彎矩各不相同。從數(shù)值上看，支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的彎矩受扁平率變化的影響較軸力更為顯著，不同扁平率下軸力差距不大。扁平率為0.46 時(shí)，最大彎矩值最大，為287kN·m；其他幾種扁平率下，最大彎矩值差別不大。另外從圖中可以看出，無(wú)論扁平率取何值，支護(hù)結(jié)構(gòu)的拱腳處均產(chǎn)生較為明顯的應(yīng)力集中，不同扁平率初期支護(hù)內(nèi)力值見(jiàn)表5。

表5 不同扁平率初期支護(hù)內(nèi)力Tab.5 Initial support internal force at different flat rates

圖5 不同扁平率時(shí)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力（軸力單位：kN，彎矩單位：kN·m）Fig.5 Internal force of primary support structure with different flattening ratio（unit of axial force：kN，unit of bending moment：kN·m）

4.斷面利用情況

不同扁平率下內(nèi)輪廓見(jiàn)表6。根據(jù)表6 內(nèi)容及內(nèi)輪廓布置可知：當(dāng)扁平率取0.46、0.52 時(shí)，開(kāi)挖面積相對(duì)較小，由于拱頂圓弧半徑較大，受到內(nèi)輪廓與建筑限界凈距限制，內(nèi)輪廓兩拱腳處距離建筑限界下邊線較近，空間不滿足電力溝及排水溝的空間需求；當(dāng)扁平率取0.64、0.7 時(shí)，開(kāi)挖面積較大，土方開(kāi)挖量大，同時(shí)，建筑限界上方至拱頂距離分別達(dá)到8.5m、10m，造成很大的空間浪費(fèi)。當(dāng)扁平率取0.583 時(shí)，斷面空間滿足附屬設(shè)施布設(shè)，開(kāi)挖面積相對(duì)適中。

表6 不同扁平率以及所對(duì)應(yīng)的內(nèi)輪廓Tab.6 Different flat rate and the inner contour

5.合理扁平率的確定

不同的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及工程條件決定了山嶺隧道扁平率的差異性。恰當(dāng)?shù)谋馄铰适构绊敵两递^小、降低施工風(fēng)險(xiǎn)；可使圍巖塑性區(qū)范圍較小、隧道結(jié)構(gòu)受力更合理；斷面面積更小的情況下滿足電力、通風(fēng)、消防等附屬設(shè)施的空間布置需求，即斷面的空間利用率更高；同時(shí)較小的開(kāi)挖斷面使得土方開(kāi)挖量減少，相應(yīng)的支護(hù)、襯砌、防水工程量相對(duì)減少，使工程更經(jīng)濟(jì)、合理。

故綜合分析隧道開(kāi)挖引起的隧道拱頂沉降、圍巖塑性區(qū)范圍、隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，結(jié)合隧道開(kāi)挖空間利用率、建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，隧道的扁平率取0.583 是合理、可行的。

3.4 內(nèi)輪廓擬定

根據(jù)上述分析，隧道扁平率取0.583，隧道內(nèi)輪廓跨度27.45m，內(nèi)輪廓高度16m。同時(shí)結(jié)合內(nèi)輪廓擬定原則擬定超大斷面內(nèi)輪廓如圖6所示。

圖6 最大斷面內(nèi)輪廓（單位：cm）Fig.6 Inner contour of maximum section（unit：cm）

4 結(jié)論

1.據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研已建超大斷面分岔隧道，三車(chē)道及四車(chē)道公路隧道，Ⅱ-Ⅳ級(jí)圍巖下隧道的扁平率多控制在0.5～0.7 之間。

2.通過(guò)對(duì)不同扁平率下隧道的拱頂沉降、圍巖塑性區(qū)范圍、支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征、隧道開(kāi)挖空間利用率、建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性等幾個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析，擬定本隧道超大斷面扁平率P＝0.583。

3.為驗(yàn)證參數(shù)的合理性，需結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析，以便更好地完善斷面擬定原則和方法。