單拱四車道公路隧道結構優化研究

崔　炫，陳　杰

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司)

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單拱四車道公路隧道結構優化研究

崔炫，陳杰

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司)

摘要：經濟的迅速發展帶動公路交通量的增加，結構簡單的小斷面隧道逐漸不能滿足道路交通的日常需要。而建設多車道的大斷面隧道是解決現代道路交通問題的主要方法之一，例如單拱四車道公路隧道。將重點分析單拱四車道公路隧道的結構優化。

關鍵詞：單拱四車道；公路隧道；結構；優化

1單拱四車道公路隧道結構優化概述

從經濟學角度看，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，因此在其設計過程中不能按照雙向車道公路隧道進行設計，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大于雙向車道，這會導致隧道空間不能有效合理的利用，增加工程造價。解決此類問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影響隧道結構的穩定性，降低圍巖的穩定程度，尤其是隧道是自重作為應力場的情況下，降低扁平率對其的影響更大，甚至會隨著出現無法規避的新型技術問題。例如：將圍巖開挖后，在自重應力場的壓力下其拱部巖體會向隧道內移動，從而損壞支護結構體系。由上述分析可知，四車道公路隧道在建設過程中，一定要做好結構優化設計，才能保證其建筑的穩定性，保證公路的質量。

2大斷面隧道的基本力學特性

(1)因為大跨度隧道的寬度相對雙車道隧道寬度加大，高度卻未發生變化，從而構成了扁平型結構，從力學角度分析可將其視作橢圓形。

(2)隧道的橫向距離大，導致其開挖引起的應力重不能均勻分布。若圍巖單軸抗壓的強度相對于應力重分布的強度小，隧道周圍的圍巖會發生塑化現象，那就需要穩定性強的支護結構以避免其出現變形。針對扁平大斷面隧道，按照有限元對其進行相關研究分析，得出隧道開挖后，當側壓系數=1時，隧道應力與原始應力比值為3∶1；=0.7時，其比值為4∶1。由此可見，即便圍巖的結構條件相對較好，塑性化以及變形的現象也有可能出現，因此要采用穩定的支護體系來支撐。

(3)隧道底腳處的應力重比較集中，因此對地基的承載力有很高的要求。

(4)隧道拱頂穩定性不足。根據調查，若隧道開挖寬度等于兩倍高度，可選擇科學的支護結構以避免巖塊出現崩塌；若開挖寬度大于高度的兩倍，那就需要采取其他有效方法以穩定拱頂的結構。

(5)地壓會出現松弛。隧道開挖寬度以及高度的增大，對于產生拱形作用的埋深也要隨之加大，若埋深過小，則不能充分發揮工作用，地壓會出現松弛，導致大斷面對出現較大的松弛荷載，影響其整體結構。

(6)對于支護結構而言，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結構的承載力會隨之下降。

3單拱四車道公路隧道結構優化設計

3.1　隧道內輪廓的優化設計

隧道內輪廓是由按照隧道內建筑界限所決定，即襯砌斷面輪廓。隧道的內輪廓要盡可能的靠近隧道內的建筑物界限，從而能夠保證車輛可以安全通行，降低開挖及襯砌的次數，減少工程成本。隧道內輪廓不僅要符合隧道銜接的規定，還要對襯砌的合理受力形狀進行充分思考。現如今我國通常使用三種形狀進行公路隧道內輪廓設計，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行設計時，空間的大量浪費導致工程造價的增加，所以一般的大斷面公路隧道結構設計中并不采用此種形式。

3.2　仰拱優化的設計

隨著隧道工程數量的增加，工程的地質特征也越發復雜多變，因此仰拱結構在隧道建設中被大量采用。目前，因為我國已有的《公路隧道設計規范》及《鐵路隧道設計規范》，并未對仰拱結構設計進行明確的設定，因此在進行實際施工時僅能按照經驗進行結構設計。這就會導致部分隧道仰拱設計的結構不科學合理，不但導致工程出現不必要的費用，還可能因為仰拱結構導致隧道開挖寬度增大，結果原本就十分復雜的工程后期施工更加復雜。淺埋大斷面隧道修建過程中，此類問題最為突出。下面將對其涉及步驟進行具體分析：

淺埋大斷面隧道仰拱設計步驟

(1)計算出仰拱的荷載集度p。

(2)計算出仰拱的寬度l。將隧道開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有所減少，但是依據最大距離以計算仰拱的寬度比較可靠。

(3)計算仰拱的高寬比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的數值依次設為1/8，1/4，31/8等，將其數值帶入以下公式進行計算，從而計算出拱軸線施工的實際放線標高。

y=4·f/12·x·(1-x)

(5)按照以下公式得出仰拱軸力的最大數值及最小數值。

Nmax=pl2/8f·[1+(4f/l2)2]1/2

Nmin=pl2/8f

(6)按照使用材料的參數，得出仰拱混凝土的設計強度。

(7)計算出仰拱的厚度。仰拱設計可以采用等厚度或者變厚度，等厚度設計時，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行計算

d=Nmax/[σ]

變厚度設計厚度計算公式為

d=Nmin/[σ]

按照下面公式計算出厚度系數，并對拱腳處的厚度公式進行確定

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

D=kd

拱腳和拱中心之間的厚度要依據線性插值進行計算。

(8)要從多個角度出發進行仰拱的結構優化設計，充分考慮到經濟因素、結構是否合理以及施工工藝等，按照設計圖紙進行，對隧道拱腳水平以上位置進行開挖和支護結構設計。

(9)在開挖支護工程后，要實施觀察隧道的承載和變形狀況，探測勘察隧道下面的巖石也正，并了解荷載集度p和軟巖基底的假設計算等是否科學合理。如果其參數合理，那就按照原先設計方案進行施工；如果不夠合理，則根據隧道實際情況進行再次設計。值得注意的是，以上參數的計算都是按照1延米的隧道的相關數值進行分析的。

3.3　隧道襯砌最優設計方案

(1)荷載條件要通過分析襯砌結構自身的重量，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進行具體確定。(2)按照襯砌材料的設計參數，選擇規定的凈空尺寸，按照隧道的軸線方向和洞內不同部分的荷載條件及長度進行參數設計，設計變量要以襯砌橫斷的幾何尺寸為標準，嚴格控制材料的用量和用法，保證施工科學合理；在具體施工過程中，要根據我國《公路隧道設計規范》的要求，對隧道的抗壓抗力、軸向力等參數進行全面考慮。(3)按照整座隧道的凈空面幾個尺寸進行施工約束，從而保證施工的質量，保證隧道設計科學合理安全。

4結束語

綜上所述，在單拱四車道隧道的設計過程中，要按照所建工程當地的實際地質狀況進行設計，按照相關規范要求，進行各方面工程施工，從而保證工程的質量。為了解決我國道路交通的不利現象，要進行多車道的大斷面隧道設計，從而促進我國道路交通和諧穩定的發展。

參考文獻：

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收稿日期：2014-12-21

中圖分類號：U442

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2015)08-0119-01