崔　炫，陳　杰

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司)

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單拱四車道公路隧道結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

崔炫，陳杰

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司)

摘要：經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展帶動(dòng)公路交通量的增加，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的小斷面隧道逐漸不能滿足道路交通的日常需要。而建設(shè)多車道的大斷面隧道是解決現(xiàn)代道路交通問(wèn)題的主要方法之一，例如單拱四車道公路隧道。將重點(diǎn)分析單拱四車道公路隧道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)喂八能嚨溃还匪淼?；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化

1單拱四車道公路隧道結(jié)構(gòu)優(yōu)化概述

從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度看，四車道公路隧道的橫斷面比雙向道路隧道的行車范圍增大一倍，跨度大，因此在其設(shè)計(jì)過(guò)程中不能按照雙向車道公路隧道進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于其扁平率不同于雙向車道，施工中所需的隧道面積也會(huì)大于雙向車道，這會(huì)導(dǎo)致隧道空間不能有效合理的利用，增加工程造價(jià)。解決此類問(wèn)題的唯一方法就是降低其扁平比，然而降低隧道的扁平率會(huì)影響隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，降低圍巖的穩(wěn)定程度，尤其是隧道是自重作為應(yīng)力場(chǎng)的情況下，降低扁平率對(duì)其的影響更大，甚至?xí)S著出現(xiàn)無(wú)法規(guī)避的新型技術(shù)問(wèn)題。例如：將圍巖開(kāi)挖后，在自重應(yīng)力場(chǎng)的壓力下其拱部巖體會(huì)向隧道內(nèi)移動(dòng)，從而損壞支護(hù)結(jié)構(gòu)體系。由上述分析可知，四車道公路隧道在建設(shè)過(guò)程中，一定要做好結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能保證其建筑的穩(wěn)定性，保證公路的質(zhì)量。

2大斷面隧道的基本力學(xué)特性

(1)因?yàn)榇罂缍人淼赖膶挾认鄬?duì)雙車道隧道寬度加大，高度卻未發(fā)生變化，從而構(gòu)成了扁平型結(jié)構(gòu)，從力學(xué)角度分析可將其視作橢圓形。

(2)隧道的橫向距離大，導(dǎo)致其開(kāi)挖引起的應(yīng)力重不能均勻分布。若圍巖單軸抗壓的強(qiáng)度相對(duì)于應(yīng)力重分布的強(qiáng)度小，隧道周圍的圍巖會(huì)發(fā)生塑化現(xiàn)象，那就需要穩(wěn)定性強(qiáng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)以避免其出現(xiàn)變形。針對(duì)扁平大斷面隧道，按照有限元對(duì)其進(jìn)行相關(guān)研究分析，得出隧道開(kāi)挖后，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)=1時(shí)，隧道應(yīng)力與原始應(yīng)力比值為3∶1；=0.7時(shí)，其比值為4∶1。由此可見(jiàn)，即便圍巖的結(jié)構(gòu)條件相對(duì)較好，塑性化以及變形的現(xiàn)象也有可能出現(xiàn)，因此要采用穩(wěn)定的支護(hù)體系來(lái)支撐。

(3)隧道底腳處的應(yīng)力重比較集中，因此對(duì)地基的承載力有很高的要求。

(4)隧道拱頂穩(wěn)定性不足。根據(jù)調(diào)查，若隧道開(kāi)挖寬度等于兩倍高度，可選擇科學(xué)的支護(hù)結(jié)構(gòu)以避免巖塊出現(xiàn)崩塌；若開(kāi)挖寬度大于高度的兩倍，那就需要采取其他有效方法以穩(wěn)定拱頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)。

(5)地壓會(huì)出現(xiàn)松弛。隧道開(kāi)挖寬度以及高度的增大，對(duì)于產(chǎn)生拱形作用的埋深也要隨之加大，若埋深過(guò)小，則不能充分發(fā)揮工作用，地壓會(huì)出現(xiàn)松弛，導(dǎo)致大斷面對(duì)出現(xiàn)較大的松弛荷載，影響其整體結(jié)構(gòu)。

(6)對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)而言，其承載力偏小。大跨度隧道的跨度逐漸加大，扁平狀的拱形的支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力會(huì)隨之下降。

3單拱四車道公路隧道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1　隧道內(nèi)輪廓的優(yōu)化設(shè)計(jì)

隧道內(nèi)輪廓是由按照隧道內(nèi)建筑界限所決定，即襯砌斷面輪廓。隧道的內(nèi)輪廓要盡可能的靠近隧道內(nèi)的建筑物界限，從而能夠保證車輛可以安全通行，降低開(kāi)挖及襯砌的次數(shù)，減少工程成本。隧道內(nèi)輪廓不僅要符合隧道銜接的規(guī)定，還要對(duì)襯砌的合理受力形狀進(jìn)行充分思考?，F(xiàn)如今我國(guó)通常使用三種形狀進(jìn)行公路隧道內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)，主要有單心圓、三心圓。三心圓由于拱部位可分別采用更大的圓弧，故斷面空間利用率高，而單心圓在上部空間進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，空間的大量浪費(fèi)導(dǎo)致工程造價(jià)的增加，所以一般的大斷面公路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中并不采用此種形式。

3.2　仰拱優(yōu)化的設(shè)計(jì)

隨著隧道工程數(shù)量的增加，工程的地質(zhì)特征也越發(fā)復(fù)雜多變，因此仰拱結(jié)構(gòu)在隧道建設(shè)中被大量采用。目前，因?yàn)槲覈?guó)已有的《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》及《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，并未對(duì)仰拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行明確的設(shè)定，因此在進(jìn)行實(shí)際施工時(shí)僅能按照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這就會(huì)導(dǎo)致部分隧道仰拱設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不科學(xué)合理，不但導(dǎo)致工程出現(xiàn)不必要的費(fèi)用，還可能因?yàn)檠龉敖Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致隧道開(kāi)挖寬度增大，結(jié)果原本就十分復(fù)雜的工程后期施工更加復(fù)雜。淺埋大斷面隧道修建過(guò)程中，此類問(wèn)題最為突出。下面將對(duì)其涉及步驟進(jìn)行具體分析：

淺埋大斷面隧道仰拱設(shè)計(jì)步驟

(1)計(jì)算出仰拱的荷載集度p。

(2)計(jì)算出仰拱的寬度l。將隧道開(kāi)挖的最大距離作為仰拱寬度，即便隧道在腰線以下部分寬度會(huì)有所減少，但是依據(jù)最大距離以計(jì)算仰拱的寬度比較可靠。

(3)計(jì)算仰拱的高寬比r。一般情況下r=0.05-0.1。按照公式f=r·1能夠得出仰拱的具體拱高。

(4)將x的數(shù)值依次設(shè)為1/8，1/4，31/8等，將其數(shù)值帶入以下公式進(jìn)行計(jì)算，從而計(jì)算出拱軸線施工的實(shí)際放線標(biāo)高。

y=4·f/12·x·(1-x)

(5)按照以下公式得出仰拱軸力的最大數(shù)值及最小數(shù)值。

Nmax=pl2/8f·[1+(4f/l2)2]1/2

Nmin=pl2/8f

(6)按照使用材料的參數(shù)，得出仰拱混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

(7)計(jì)算出仰拱的厚度。仰拱設(shè)計(jì)可以采用等厚度或者變厚度，等厚度設(shè)計(jì)時(shí)，要將拱腳位置的最大軸力作為控制荷載，具體厚度可按照以下公式進(jìn)行計(jì)算

d=Nmax/[σ]

變厚度設(shè)計(jì)厚度計(jì)算公式為

d=Nmin/[σ]

按照下面公式計(jì)算出厚度系數(shù)，并對(duì)拱腳處的厚度公式進(jìn)行確定

k=(1+(4f/l)2)

D=kd

拱腳和拱中心之間的厚度要依據(jù)線性插值進(jìn)行計(jì)算。

(8)要從多個(gè)角度出發(fā)進(jìn)行仰拱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分考慮到經(jīng)濟(jì)因素、結(jié)構(gòu)是否合理以及施工工藝等，按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行，對(duì)隧道拱腳水平以上位置進(jìn)行開(kāi)挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(9)在開(kāi)挖支護(hù)工程后，要實(shí)施觀察隧道的承載和變形狀況，探測(cè)勘察隧道下面的巖石也正，并了解荷載集度p和軟巖基底的假設(shè)計(jì)算等是否科學(xué)合理。如果其參數(shù)合理，那就按照原先設(shè)計(jì)方案進(jìn)行施工；如果不夠合理，則根據(jù)隧道實(shí)際情況進(jìn)行再次設(shè)計(jì)。值得注意的是，以上參數(shù)的計(jì)算都是按照1延米的隧道的相關(guān)數(shù)值進(jìn)行分析的。

3.3　隧道襯砌最優(yōu)設(shè)計(jì)方案

(1)荷載條件要通過(guò)分析襯砌結(jié)構(gòu)自身的重量，圍巖周邊的壓力、圍巖的彈性、地下水承載的壓力、地震因素、溫度變化等因素的組合參數(shù)進(jìn)行具體確定。(2)按照襯砌材料的設(shè)計(jì)參數(shù)，選擇規(guī)定的凈空尺寸，按照隧道的軸線方向和洞內(nèi)不同部分的荷載條件及長(zhǎng)度進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)變量要以襯砌橫斷的幾何尺寸為標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制材料的用量和用法，保證施工科學(xué)合理；在具體施工過(guò)程中，要根據(jù)我國(guó)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，對(duì)隧道的抗壓抗力、軸向力等參數(shù)進(jìn)行全面考慮。(3)按照整座隧道的凈空面幾個(gè)尺寸進(jìn)行施工約束，從而保證施工的質(zhì)量，保證隧道設(shè)計(jì)科學(xué)合理安全。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在單拱四車道隧道的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要按照所建工程當(dāng)?shù)氐膶?shí)際地質(zhì)狀況進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照相關(guān)規(guī)范要求，進(jìn)行各方面工程施工，從而保證工程的質(zhì)量。為了解決我國(guó)道路交通的不利現(xiàn)象，要進(jìn)行多車道的大斷面隧道設(shè)計(jì)，從而促進(jìn)我國(guó)道路交通和諧穩(wěn)定的發(fā)展。

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收稿日期：2014-12-21

中圖分類號(hào)：U442

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C

文章編號(hào)：1008-3383(2015)08-0119-01