基于大学生模型设计竞赛的隧道模型方案设计与制作分析——以城市地下空间工程专业为例

马帅帅，孙厚超，徐郑伟，贾越昊，李富荣

（盐城工学院土木工程学院，江苏 盐城 224051）

1 引言

随着工程交通建设的发展，经常遇到隧道建设问题，隧道设计也是地下建筑结构的重要组成部分，它包括半衬砌结构、厚拱薄墙衬砌结构、直墙拱形衬砌结构、曲墙结构、复合衬砌结构和连拱隧道结构等形式，实际工程中可根据地层的类别、使用功能和施工技术水平等因素进行选择。在诸多隧道结构形式中，双连拱隧道可以上、下行车分离，而且具有接线难度小、占地少、环境保护好等特点，在500m以下的短隧道设计中已普遍采用。目前，隧道结构从偏于安全的角度往往设计得较为保守，如果对双联拱隧道结构进行合理的分析与优化，使其在满足支护与使用功能的前提下能节约材料，减小建设成本，则具有较大的研究意义。

本次竞赛围绕双联拱隧道的工程背景，要求对双联拱隧道结构模型进行设计和优化，使得在用料尽量少的情况下隧道模型具有最大承载能力，以期寻求可行、合理和科学的最优设计方案。赛题给定模型箱内部尺寸0.6m×0.8m×0.5m，双联拱隧道结构体系包括模型边墙、中隔墙、衬砌及拱。模型设计要求采用尽可能少的白卡纸设计隧道结构，模型结构能达到最小变形及最大承载的效果，通过加载试验检验整个隧道体系的承载力和变形特征，利用承载比指标评定隧道结构体系的稳定性。

2 模型方案设计

根据模型竞赛题目要求，为了较好减小模型受荷后沉降量，同时具备承受最大荷载的能力，通过有限元数值模拟分析和模型方案比选[1-3]，拟定方案为：双联拱型式（紧凑型），纵向4榀构件以纵杆构造连接，顶部均匀设置2道纵杆；立柱采用外边长10mm的方形构件，卷纸长度100mm；采用椭圆形拱，拱高12cm，跨度32cm，截面为1cm×1.5cm的矩形；横杆设置在隧道底部，立柱之间，采用外径7mm的圆形截面，卷纸长度6cm。为防止侧墙底部漏砂，侧墙上纵杆设置在底部，且白卡纸封层在侧墙位置向内折叠1cm，以保证蒙皮效应[1-2]。

图1 模型整体设计图

图2 模型构件设计详图

为了防止侧墙立柱弯折破坏，中间2榀的边柱上采用双柱方案加强，增加的柱子在隧道内侧与原边柱并排布置。因此，为满足隧道净空要求，需要相应增加拱的跨度。

上述方案为正常条件下的设计方案，但是考虑到纸张材料的差异及天气对纸张性能的影响，为保证加载成功，在正常方案基础上设计了加强方案，可以临场选择。结合模型实验及有限元结果，模型失效时发现立柱、拱脚部位及拱的腰部容易发生弯折破坏，为确保构件具有足够承载能力，将拱脚及拱腰部位采用贴片的方法进行局部加固，将边柱截面采用内圆外方的方案进行优化[4-5]。整体模型平、立面设计如图1所示。

隧道模型的立柱、纵杆、横杆、拱等构件的设计详图见图2所示，其中，模型立柱及拱的加强位置参考图1（d）。

3 模型制作

模型制作包括纸张裁剪、纸张贴胶、构件制作、构件拼接4大步骤。为了达到较理想的制作与拼装效果，首先自制了白卡纸划线及裁剪模具，并采用中空的铝合金型材作为贴胶后构件固定，防止纸张连接处脱胶，如图3所示。构件制作完成后的模型如图4所示。

模型称重后，经过一定时间的自然干燥或吹风机吹干后将模型整体移入模型箱，并进行支护模型安装及加载（图5），安放模型时注意位置居中，且模型结构两侧离加载箱边缘距离大于5cm。

根据模型设计竞赛说明书要求，总结模型安装的要点如下：

①在立柱的外侧涂上白乳胶后与白卡纸侧墙应尽量贴合，将白卡纸下缘向内弯折并控制弯折端长度不大于1cm；

②可以在隧道口飞边与模型箱之间放入一张长条形白卡纸避免加砂时有砂粒滑入隧道；

③砂分层装入，为防止侧压力过大，可以现在隧道顶部加一定量标准砂，使模型承受一定的竖向荷载，提前保证侧边立柱的稳定性；

④标准砂应尽量密实，对减小沉降有利；加载板位置需要放置准确，否则容易压到模型箱边缘导致模型受力不均。

4 相关制作问题分析

4.1 模型侧墙凸出问题

虽然模型并无限制采用1层白卡纸，但从减轻重量角度，1层白卡纸作为衬砌可以满足承载力要求，但有时会遇到侧墙受压凸出问题。

针对该问题，可将侧边纵杆位置降低至侧墙底部，依靠纵杆与模型箱底部的摩擦抵消部分侧向压力。其次，可打毛白卡纸边缘以增加与有机玻璃板之间的接触摩擦，可以一定程度上改善白卡纸的变形。

4.2 模型杆件尺寸控制问题

4.2.1 杆件制作尺寸控制

图3 自制模具

图4 制作完成的模型

图5 模型安装与加载

本参赛队利用自己制作的模具（钢轴、圆管等）来控制不同杆件内径的变化，保证构件制作的均匀性，由纸张延展长度来控制杆件的重量。

4.2.2 杆件贴胶脱落导致尺寸变形问题

模型杆件制作完成与杆件拼装之间有一定时间间隔，期间构件易发生贴胶脱开，部分构件甚至因脱胶发生卷纸松开的情况，对模型后续的承载力影响很大。为避免该问题，采用自制的铝合金型材管道进行构件固定，可有效解决这一问题。

4.2.3 模型挡墙边缘漏砂问题

隧道出口边缘处与有机玻璃接触一侧以及侧墙底面，在实验过程中发现漏砂现象，极易导致加载失败。处理办法是加砂时用纸片盖住白卡纸边缘处，待砂填筑至一定高度后再将纸条抽出，可有效改善边缘漏砂；侧墙底部漏砂问题采用将纵杆降至底面的方法，在一定程度上降低漏砂发生的概率。

4.2.4 标准砂密实度控制问题

在加载实验过程中，发现填入的标准砂密实度不一致，易导致表面竖向位移超限，引起加载失败。为此，在加砂过程中，采用板条捣砂和橡皮锤振砂相结合的方法，在确保挡墙不凸出的前提下充分压实，并尽量保证挡墙两侧的标准砂密实度一致。

5 结语

隧道支护模型的设计过程涉及到构件参数的确定及模型的整体优化，从数值计算和实验确定模型支撑构件的设计参数，并研究了支护结构的受力特征，提出构件优化布置建议。此外，针对模型制作过程中模型侧墙凸出、杆件贴胶脱落导致尺寸变形、挡墙边缘漏砂、标准砂密实度不一等问题，提出具体的应对策略。