超大断面隧道扁平率优化分析

蒋 坤，张兵兵

（大连市市政设计研究院有限责任公司，辽宁 大连 116001）

0 引 言

随着社会经济发展及人们生活水平的提高，小汽车进入普通市民家庭已经成为现实，机动车拥有量呈快速增长趋势，同时由于城市化进程的推进，未来城市之间将产生新的交通量，对各城市之间的道路交通提出了新的要求。作为道路交通“瓶颈”的隧道工程伴随着汽车拥有量和交通运输量的急速增长，传统的两车道断面隧道已经逐渐不适应当下交通运输的需要，相比之下，单洞三车道隧道是目前隧道工程的主流，而四车道隧道工程亦日益增加。四车道隧道开挖面积大于200 m2，根据表1日本隧道断面划分及表2国际隧道协会断面划分[1]，四车道隧道属于超大断面隧道的范围。

表1 日本隧道断面划分和开挖面积一览表

表2 国际隧道协会断面划分一览表

扁平率（H/B）即隧道开挖高度与其开挖宽度之比，是评价隧道结构稳定性及经济性的一个重要指标[2]。目前对于超大隧道扁平率研究并不多见，曲海峰[3]总结和综述了国内扁平特大断面隧道及相似工程的建设与修筑情况，对扁平特大断面隧道的施工方法、隧道力学问题及围岩稳定性、隧道断面形式等研究热点进行总结和分析；王建[4]以四川省某水电工程特大断面隧道为工程背景，结合工程区岩石力学试验参数，利用有限元分析软件开展不同扁平率下特大断面隧道围岩和支护应力场、位移场等的分析研究，得出特大断面隧道的扁平率合理控制范围及其受力特性；陈卫忠[5]利用大型有限元分析软件ABAQUS的标准设计语言Python编程，对拟建清远蟠龙浅埋破碎岩体大断面隧道不同扁平率进行参数化设计，提出依托工程条件下的最优化扁平率。现结合大连光明路隧道工程，建立有限元数值模型分析不同扁平率下隧道的位移及其力学特性，以寻求超大断面隧道合理扁平率，为该隧道，以及类似条件下的隧道工程的设计和施工提供合理的参考依据。

1 工程实例

光明路隧道起始于东方路，终止于中华路，全长1 790 m，由于受地形条件、桥隧衔接方式的影响，南洞口220 m范围内为单洞四车道双洞八车道隧道结构，单洞最大开挖跨度达到22.004 m，最大开挖面积为247.73 m2。

为了系统对比分析扁平率对超大断面隧道的影响，在保持隧道开挖跨度不变的条件下，改变隧道的高度取不同的扁平率，即通过改变三心圆不同的断面参数而确定开挖轮廓线，结合隧道横断面图选取了7种扁平率的断面方案，分别为0.462、0.480、0.498、0.518、0.536、0.556 和 0.589，图1为隧道横断面图，表3为不同扁平率下隧道断面参数表。

图1 隧道横断面图

表3 不同扁平率下隧道断面参数表

2 数值模型建立

用MIDAS/GTS有限元软件对不同扁平率超大断面隧道进行数值模拟分析，计算模型选取东线EK0+770，隧道埋深约为25 m，围岩本构模型选用Mohr-Coulomb弹塑性模型，图2为数值计算模型。为了简化影响因素，隧道按台阶法施工。隧道按新奥法设计和施工，采用复合式衬砌结构，以锚杆、钢拱架、湿喷混凝土等为初期支护，并辅以大管棚、注浆小导管等超前支护措施，数值模拟分析时锚杆、二次衬砌作为安全储备，只考虑初期支护。利用荷载释放系数模拟空间效应，参考《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004）[6]，隧道开挖荷载释放为30%，衬砌支护分担荷载为70%，计算模型中隧道初期支护，以及围岩力学参数如表4中所列。

图2 数值计算模型

表4 计算模型中围岩和支护结构力学参数表

3 计算结果分析

在超大断面隧道施工过程中，不同扁平率下隧道周边围岩变形、应力分布及支护结构内力也相应不同。下面分别对不同扁平率隧道的周边围岩变形、应力分布及支护结构内力进行对比分析，以获得超大断面隧道合理扁平率。

3.1 拱顶下沉

隧道的拱顶下沉是围岩变形的最直观的表现之一，可直接反映围岩的稳定性状态，表5为不同扁平率隧道的拱顶下沉值及拱顶下沉值变化率，图3为不同扁平率隧道拱顶下沉值变化曲线。

表5 不同扁平率隧道拱顶下沉值及变化率一览表

图3 不同扁平率隧道拱顶下沉值变化曲线图

从表5和图3中可以看出，随着扁平率的增大，拱顶下沉值逐渐减小，扁平率越大，拱顶下沉值变化率越小，当超大断面隧道扁平率达到一定值后，隧道的拱顶下沉值基本上不再随扁平率的增加而变化。扁平率越小，对拱顶下沉值影响越敏感，当扁平率由0.462变化到0.480时，隧道拱顶下沉值变化率为2.196%，说明超大断面隧道扁平率不宜过小，扁平率过小不利于隧道的整体稳定。而当隧道的扁平率大于0.556后，拱顶下沉值变化率基本上保持在0.760左右，隧道拱顶下沉值基本上不再受隧道扁平率变化的影响，说明隧道扁平率过大对隧道的整体稳定性没有影响，反而浪费隧道断面空间，增加工程整体造价。通过不同扁平率下隧道的拱顶下沉值变化规律可以看出，超大断面隧道扁平率应该控制在一定的区间范围内，推荐超大断面隧道扁平率控制在0.48～0.55之间。

3.2 水平位移

表6 为不同扁平率隧道的水平位移及水平位移变化率，图4为不同扁平率隧道水平位移变化率曲线。从表6和图4中可以看出，随着隧道扁平率的增大，隧道周边水平位移的总体变化趋势是逐渐增大，当扁平率增大到0.556后，隧道周边水平位移急剧增加，水平位移变化率为22.616%，而当隧道的扁平率小于0.480后，隧道的周边水平位移不再随着隧道扁平率的变化而变化。通过对不同扁平率下隧道的水平位移对比分析，可以看出超大断面隧道扁平率合理范围是0.48～0.55。

表6 不同扁平率隧道水平位移及变化率一览表

3.3 围岩应力

图5 ～图7分别为扁平率0.480、0.518和0.556时隧道开挖后第一主应力分布云图。

从不同扁平率隧道围岩第一主应力分布云图可以看出，隧道的最大主应力均发生在拱脚处，这也说明隧道拱脚处有应力集中现象发生，隧道设计和施工时拱脚处应采取锁脚锚杆对其进行加固。而隧道底板均有拉应力产生，对于围岩较差的Ⅳ级、Ⅴ级围岩从隧道整体稳定性角度考虑，隧道应采用带仰拱的断面形式。

图4 不同扁平率隧道水平位移变化率曲线图

从图5～图7中还可以看出，当扁平率小于0.480时，隧道的拱顶和拱腰部位有拉应力产生；当扁扁平率0.480～0.556时，隧道开挖后周边围岩均为压应力；当扁平率大于0.556时，隧道拱腰部位亦有拉应力出现。隧道施工过程中，拉应力出现部位是围岩最易失稳之处，隧道施工后应尽可能的避免有拉力出现，因此从围岩应力的角度考虑超大断面隧道扁平率的合理范围是0.48～0.55。

图5 扁平率0.480时第一主应力分布云图

图6 扁平率0.518时第一主应力分布云图

图7 扁平率0.556时第一主应力分布云图

3.4 初期支护内力分析

表7 为不同扁平率时隧道初期支护最大轴力和弯矩表，图8、图9分别为扁平率与初期支护轴力、弯矩关系图。

表7 不同扁平率时隧道初期支护最大轴力和弯矩表

图8 扁平率与初期支护轴力关系图

图9 扁平率与初期支护弯矩关系图

从表7与图8、图9中可以看出，当隧道的扁平率由0.462增加到0.480时，隧道初期支护轴力和弯矩逐渐增大；当扁平率0.480～0.556之间时，隧道初期支护轴力逐渐减小，弯矩基本保持不变；而当扁平率大于0.556之后，隧道初期支护轴力有所变大，而弯矩却有所减少。隧道最合理、科学的断面形式应该是隧道支护结构的受力不随隧道断面的调整有急剧的变化，根据扁平率和隧道初期支护轴力、弯矩图，综合考虑各种因素，推荐超大断面隧道扁平率控制在0.48～0.55之间。

4 结 论

结合具体的工程实例，对不同扁平率下隧道周边围岩变形、应力分布，以及支护结构内力进行了对比分析，得到以下结论：

（1）随着扁平率的增大，拱顶下沉值逐渐减小，扁平率越大，拱顶下沉值变化率越小，当超大断面隧道扁平率大到一定数值后，拱顶下沉基本保持一定值。

（2）隧道水平位移总体上随着扁平率的增大而增加，但当扁平率小于一定数值后，水平位移基本保持不变。

（3）隧道的扁平率太小或者太大，隧道周边围岩均会有拉应力出现，拉应力出现部位是隧道围岩最易失稳之处，超大断面隧道设计时应尽量避免围岩有拉应力产生。

（4）超大断面隧道合理、科学的断面形式是支护结构的内力不随隧道断面的变化有显著的差异，故超大断面隧道扁平率应控制在合理的范围内。

（5）通过对不同扁平率下隧道周边围岩位移、应力分布，以及支护结构内力对比分析得到，超大断面隧道合理扁平率范围为0.48～0.55。