超大斷面隧道內輪廓比較分析

徐 輝

（大連市市政設計研究院有限責任公司，遼寧 大連 116011）

1 工程概況

大東山隧道為分離式雙洞雙向8車道隧道，西線起止點樁號為K06+890～K08+003.785，全長1 113.785 m，隧道內縱坡為0.50%和2.89%，最大覆土厚度134.7m；東線隧道起止點樁號為K06+894～K08+004.300，全長 1 110.3 m，縱坡為 0.5%和2.89%，最大覆土厚度155 m。

經現場勘察，擬建隧道場地內主要分布有第四系坡積含碎石粉質黏土，震旦系長嶺子組頁巖、震旦系長嶺子組石英砂巖，青白口系石英砂巖夾頁巖。擬建擴建隧址區發現斷層4條，均為北東向。受區域內構造斷裂影響，該工程場區附近巖體節理裂隙發育，斷層附近表現尤為明顯。本次測繪測得主要節理4組，節理多閉合～微張狀，節理面多無充填，少數鐵錳質或鈣質充填。

2 內輪廓設計圖[1]

根據道路等級要求，該隧道道路等級為城市快速路，設計時速100 km/h，隧道建筑限界：0.75 m（檢修道）+0.5 m（路緣帶）+2×3.5 m（機動車道）+2×3.75 m（機動車道）+1.0 m（路緣帶）+0.75 m（檢修道）=17.50m；隧道凈高5.0m。根據以上建筑限界，擬定了兩種內輪廓形式，分別見圖1、圖2和表1。

3 有限元分析模型[2]

為從整體上把握不同內輪廓在各設計荷載作用下的受力、變形以及內力分布情況，利用Midas GTS及Midas Civil有限元軟件，分別利用地層結構法及荷載結構法進行建模計算，并對計算結果進行比較，以求獲得優選方案。每個方案兩種算法，計算條件及荷載選取都相同。

圖1 內輪廓形式方案一

圖2 內輪廓形式方案二

表1 內輪廓參數表

3.1 荷載結構法模型計算

對隧道主體結構利用常用方法是取一段單位長度標準段，利用二維桿系模型計算。上部覆土荷載為100 kN/m，周圍約束采用只受壓的彈簧，彈簧抗力系數采用Ⅴ圍巖彈性抗力系數100 MPa/m進行單元換算，側壓力系數取0.5。襯砌厚度30 cm，兩個方案具體計算結構圖3、圖4所示，計算結果匯總見表2。

圖3 方案一彎矩、軸力圖

圖4 方案二彎矩、軸力圖

表2 荷載結構法計算結果匯總表

3.2 地層結構法模型計算

地層結構法建模，采用Ⅳ級圍巖作為分析對象，計算頂部取至拱頂20 m。邊界條件：模型邊界約束為位移約束，底部垂直向約束，左右兩側為垂直隧道軸線的水平向約束，上表面取水平表面。初始條件：以自重產生應力場為初始應力場。計算采用平面簡化計算，巖體采用莫爾-庫侖屈服準則模型。支護條件采用初期支護30 cm厚C25噴射混凝土作為初期支護。開挖方法采用上下臺階法進行模擬，具體圍巖參數及初期支護參數見表3、表4。

表3 圍巖力學參數表

表4 初期支護參數表

經過計算，得出圍巖最大主應力及最小主應力云圖及拱頂下沉量，見表5、圖5。

表5 地層結構法計算結果匯總表

3.3 結果對比分析

通過以上方案參數及計算結果匯總可知，方案一開挖寬度、高度及面積均大于方案二，工程量大于方案二；在淺埋地段，采用荷載結構法進行計算時，初期支護拱頂彎矩方案一要小于方案二，拱肩及拱腳彎矩方案一均大于方案二，初期支護變形量方案一要小于方案二；深埋隧道圍巖受力分析計算結果顯示，方案一圍巖受狀況要好于方案二圍巖受力狀況。尤其在拱腰處，方案二承受壓應力明顯大于方案二。

4 結語

圖5 地層結構法計算結果圖

根據詳細計算及分析并參考以往工程經驗，主要得出以下結論和建議供參考：（1）扁平比大的隧道，拱頂受力較好，且拱頂沉降量相對較小；（2）扁平比小的隧道，拱腰和拱腳初期支護受力較好，但圍巖受力在該處不好，拱頂下沉量相對較大；（3）大扁平比隧道由于斷面面積較大，會相應增加工程造價及工期，相對不經濟，小扁平比隧道相反；（4）根據工程的特點及圍巖條件，合理確定隧道內輪廓的扁平比是隧道設計的關鍵。

[1]JTG D70—2004，公路隧道設計規范[S].

[2]關寶樹.隧道力學概論[M].成都：西南交通大學出版社，1993.