談公路隧道內(nèi)輪廓斷面的優(yōu)化

劉洪偉

(龍里縣住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，貴州龍里 551200)

隨著交通行業(yè)的飛速發(fā)展，公路隧道數(shù)量快速增長。特別是在城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)，考慮到深路塹的開挖不利于道路兩側(cè)土地的開發(fā)利用以及城市的美觀要求，所以隧道方案在與深挖路基的方案比選中的優(yōu)點(diǎn)愈發(fā)突出。隧道內(nèi)輪廓斷面的擬定是隧道設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要的工作，對隧道的襯砌受力和工程投資有重要的影響。經(jīng)過我國多年的工程實(shí)踐和內(nèi)力分析，具有適應(yīng)應(yīng)力流和變形合理形狀特點(diǎn)的三心圓斷面隧道輪廓使用較廣泛。下面以隧道建筑限界為基礎(chǔ)，對三心圓斷面隧道內(nèi)輪廓尺寸中的各參數(shù)進(jìn)行探索。

1 三心圓無仰拱內(nèi)輪廓

1．1 基本參數(shù)及其意義

三心圓無仰拱內(nèi)輪廓線參數(shù)，如圖 1 有 H，JL，LL，R1，R2，θ1，a，H1，H2，d0，SB1，SB2，d1，d2，d3，d4，d5，d6，d7，d8。一共有 20 個(gè)。

內(nèi)輪廓參數(shù)的意義:H為建筑限界凈高;w為行車道寬度;JL，JR為左、右側(cè)檢修道寬度;LL，LR為左、右側(cè)側(cè)向?qū)挾?H1為路面到起拱線的高度;H2為拱腳底部至起拱線高;R1為拱部圓弧半徑;R2為起拱線以上邊墻圓弧半徑;θ1為起拱線以左下邊墻圓弧半角度;a為起拱線以下邊墻圓弧圓心偏離隧道中線距離;d1～d8為隧道內(nèi)輪廓至建筑限界角點(diǎn)的水平距離。

1．2 幾何關(guān)系

幾何關(guān)系如圖1所示，可得:

同理，可推導(dǎo)出d5～d8的幾何關(guān)系公式。

圖1 三心圓無仰拱幾何連接圖

隧道內(nèi)輪廓的開挖面積S由3個(gè)部分組成:

第1部分:即是2個(gè)半徑為 R1的1/4個(gè)圓弧面積:S1=;第2部分:即是2個(gè)圓心角為θ1的圓弧面積;第3部分:即是2個(gè)剩余小三角形的面積:S3=);隧道內(nèi)輪廓的開挖面積

1．3 編程求解過程

假設(shè)d2為已知值，考慮施工時(shí)的偏差，取為20 cm。根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中對公路建筑限界的規(guī)定圖示及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn):可擬定H1的取值范圍為:50 cm≤H1≤280 cm，0 cm≤d0≤60 cm。H2與a都根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說明上推薦的值取為一固定值:H2=200 cm;a=250 cm。d1～d8根據(jù)規(guī)范要求的最小值考慮施工偏差，取為10 cm。

利用Visual C++6．0進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，輸入隧道的路面寬度W，左右側(cè)路側(cè)寬度，檢修道(人行道)寬度等已知信息，利用H1和d0作為循環(huán)控制變量，通過雙重for循環(huán)來對隧道的內(nèi)輪廓至建筑限界角點(diǎn)的水平距離d1～d8以及隧道的開挖面積S進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)d1～d8中除假定的已知值d2外，出現(xiàn)小于10 cm的數(shù)值時(shí)，程序自動退出不執(zhí)行下面的程序語句，同時(shí)對變量進(jìn)行增加，重新執(zhí)行程序語句。當(dāng)d1～d8均符合不小于10 cm的條件時(shí)，程序?qū)⒂?jì)算出3個(gè)部分的面積，并算出總面積S。程序自動將計(jì)算結(jié)果保存在計(jì)算機(jī)存儲區(qū)中，并不斷比較S的大小，將滿足條件的H1和d0以及其他數(shù)據(jù)和S記錄下來。由于源程序代碼較長，本文未將其列出。

2 三心圓帶仰拱內(nèi)輪廓

2．1 基本參數(shù)及其意義

當(dāng)圍巖的巖性較差或邊墻承受側(cè)壓較大時(shí)，隧道的襯砌須設(shè)置仰拱。

三心圓帶仰拱內(nèi)輪廓線參數(shù)，如圖 1 有 R1，R2，R3，R4，θ1，θ2，θ3，a，H1，H2，d0，SB1，SB2，d1，d2，d3，d4，d5，d6，d7，d8。

內(nèi)輪廓參數(shù)的意義:H1為路面到起拱線的高度;H2'為拱腳底部至起拱線的高度;R1為拱部圓弧半徑;R2為邊墻圓弧半徑;R3為邊墻與仰拱連接面的圓弧半徑;R4為仰拱圓弧半徑;θ1為起拱線以左下邊墻圓弧圓心角;θ2為仰拱圓弧圓弧半角度;θ3為仰拱與邊墻連接圓弧圓心角;a為邊墻圓弧圓心偏離隧道中線距離;d0為路面中線與隧道中線偏移的距離。

為了使得隧道內(nèi)輪廓在縱向上保持一致，在確定基本參數(shù)的時(shí)候應(yīng)該與不設(shè)置仰拱的區(qū)段相應(yīng)的保持一致。因此可將R1，R2，a，H1，d0，SB1，SB2，d1～ d8的取值與不設(shè)置仰拱時(shí)的內(nèi)輪廓線值一致。

2．2 幾何關(guān)系

幾何關(guān)系如圖2所示，可得:

隧道內(nèi)輪廓的開挖面積S由3個(gè)部分組成:

第1部分:即是半徑為R1及R2的圓弧組成的面積:S1=;第2部分:即是半徑為R3的連接圓弧面積;第3部分:即是剩余部分面積隧道內(nèi)輪廓的開挖面積S=2×(S1+S2+S3)。

圖2 三心圓帶仰拱幾何連接圖

2．3 編程求解過程

根據(jù)不設(shè)置仰拱時(shí)三心圓的計(jì)算結(jié)果:可擬定H2'取值范圍為。由于起拱線以上的部分與不設(shè)置仰拱時(shí)三心圓比較沒有變化，因此可以不考慮R1，R2，a，H1，d0，SB1，SB2，d1～d8的值。R3可根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》的推薦標(biāo)準(zhǔn)，將R3取為定值:R3=100 cm。

利用Visual C++6．0進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，輸入已知信息，利用H2'和θ3作為循環(huán)控制變量，通過雙重for循環(huán)來對隧道的仰拱半徑R4以及隧道的開挖面積S進(jìn)行計(jì)算。程序不斷比較H2'和θ3計(jì)算出的開挖面積S，并將最小值保存及輸出。由于源程序代碼較長，本文未將其列出。

3 結(jié)論與展望

內(nèi)輪廓的設(shè)計(jì)除應(yīng)符合隧道建筑限界的規(guī)定外，還應(yīng)滿足洞內(nèi)路面、排水設(shè)施、裝飾的需要，并為通風(fēng)、照明、消防、監(jiān)控、營運(yùn)管理等設(shè)施提供安裝空間，同時(shí)考慮圍巖變形、施工方法影響的預(yù)留富余量，使確定的斷面形式及尺寸符合安全、經(jīng)濟(jì)、合理的原則。因此，在對內(nèi)輪廓進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，要考慮通風(fēng)、照明、消防、監(jiān)控、營運(yùn)管理等設(shè)施造成的約束條件，確定約束條件后再錄入到計(jì)算機(jī)程序中，才能因地制宜的進(jìn)行優(yōu)化。

［1］ JTG D70-2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［2］ JTG B01-2003，公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［S］．

［3］ 郭艷華，李志業(yè)．公路隧道內(nèi)輪廓優(yōu)化確定方法［J］．四川建筑，2003，23(3):6．