超大斷面市政隧道合理斷面型式的確定

黃峰

（濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司，濟南250101）

1 工程概況

某路工程線路總長度達11.6km，是當地的城市快速道路，設計為雙向6 車道的形式，最高時速達80km。整個線路中穿越當地比較大的山體結構，其中隧道為全線控制性工程，全長為2.6km，屬特長市政道路隧道施工項目，工程質量影響因素比較多，所以需要采取更加有效的方式來進行質量控制。

2 合理斷面型式的確定

本工程超大斷面隧道工程項目受到Ⅲ級和Ⅴ級圍巖地質的嚴重影響，三心圓、五心圓的隧道型式需要結合該施工位置的位移特性、受力特性、支護結構形式等方面，然后選擇科學合理的斷面結構形式，以確定是否可以滿足工程的需要[1]。

2.1 模型的建立

本工程項目在施工前需要重點考慮的部分是，超大斷面隧道項目在不同圍巖條件之下如何才能選擇最佳的斷面型式，所以在數值分析中需要從以下幾點來進行簡化處理。

1）施工方法：應用全斷面開挖方式。

2）支護參數：選擇一致的初支參數，關鍵就是要進行分析三心圓、五心圓的隧道圍巖與初支力學影響之下的特性和位移方面數據的分析。

3）圍巖承載性能： 為了能夠有效地進行數據的統計和分析，本工程項目中確定全部應用50%的應力釋放率參數，也就是在隧道開挖施工結束后，圍巖能夠承載50%的外部荷載。

該工程項目的各項技術參數都要應用ANSYS 有限元軟件分析，可以明確確定隧道項目的具體狀況。數值模擬應用的是彈性塑性方式，圍巖結構材料符合理想彈塑性準則。隧道襯砌采用Beam3 單元來模擬，圍巖采用PLane42 單元加以模擬，Ⅲ級圍巖部分的初期支護方式選擇使用錨噴支護方式，其中錨桿長350cm，間隔距離120cm×120cm，混凝土層的厚度尺寸為15cm。

2.2 典型測點的選擇

為了使后續的分析和應用更加科學合理，在隧道洞室周邊典型位置上進行監測控制，準確地測量各項監測值。

2.3 結果分析

2.3.1 圍巖位移分析

1）Ⅲ級圍巖

通過研究可知，在Ⅲ級圍巖三心圓和五心圓下隧道的水平收斂變形曲線和豎向位移曲線構建的過程中，它具備一種相似的形狀。

從分析上可以看出：

（1）經過分析上述2 種斷面結構形式，發現圍位移變化是基本一致的，在開挖施工結束后，拱頂部分可以達到沉降控制的要求，而拱底會出現隆起的問題，周邊將產生洞內收斂，斷面型式不同，位移分布規律稍有差異。

（2）豎向位移。三心圓：拱頂沉降量最大可達36.9mm，拱底隆起最大處達25.1mm；五心圓：拱頂沉降量最大可達37.3mm，拱底隆起最大處達25.7mm。兩種斷面形式其相差比較小[2]。

（3）水平位移。三心圓：拱腰收斂最大值為19.8mm；五心圓：拱腰收斂最大值17.8mm。二者數據相差比較小。Ⅲ級圍巖條件下，2 種斷面形式的各個特性點的數據相差比較小，從圍巖位移角度來說，其斷面型式都可以使用。

2）Ⅴ級圍巖

Ⅴ級圍巖三心圓和五心圓下隧道的水平收斂變形曲線和豎向位移曲線構建是存在相互性的。

因此可以看出：

（1）對于不同斷面結構來說，圍巖位移的變化規律相差不大，隧道開挖施工之后，拱頂會出現一定程度的沉降問題，拱底則會出現隆起的情況，洞內收斂也會發生，而斷面型式的不同，其位移變化會稍有不同。

（2）豎向位移。三心圓下：拱頂沉降最大值為29.5mm；拱底隆起最大值22.2mm；五心圓：拱頂沉降最大值28.7mm；拱底隆起最大值22.1mm。

（3）水平位移。三心圓：拱腰收斂最大可達15.0mm；五心圓：拱腰收斂最大可達17.6mm。Ⅴ級圍巖中，該2 種結構形式特性基本一致，從圍巖位移量方面的分析可以發現，這2 種形式都能夠應用，但以水平位移量參數來分析可以發現，三心圓斷面型式的效果更好，可以達到隧道工程的使用需要。

2.3.2 圍巖應力分析

1）Ⅲ級圍巖

（1）分析2 種型式，從圍巖結構的應力與變化規律來說，基本是相同的，在開展隧道開挖施工之后，拱頂到拱腳中的最大與最小主應力都是負數，這就說明整個圍巖一直處于受壓的狀態之下。最小主應力一般會達到2～3MPa，也就是說，整個圍巖在受壓的作用之下而達到塑性變形的狀態。

（2）最大主應力。三心圓：拱腳位置最小，參數值為-2.7MPa，拱底位置上最大，參數值為-0.3MPa。五心圓：拱腳位置上最小，參數值為-2.85MPa，拱底位置上最大，參數值-0.26MPa。

（3）最小主應力。三心圓：拱腳位置上最小，參數為-6.64MPa，拱底位置上最大，參數值為-1.23MPa。五心圓：拱腳位置上最小，參數值為-6.87MPa，拱底位置上最大，參數值為-1.14MPa。Ⅲ級圍巖條件下，2 種斷面形式的各個特性點之間的應力值相差比較小，而主應力通常在拱底位置上的數據是最大的，而拱腳位置上則最小。從圍巖應力的作用之下，2 種結構斷面都可以使用，所產生的效果是相同的。

2）Ⅴ級圍巖

（1）不同斷面部分的應力與規律相差比較小，在開始進行開挖施工之后，可以確定在拱頂到拱腳范圍內的最大與最小主應力全部是負數，這就說明該施工位置上的圍巖為受壓的狀態中。最小主應力與最大主應力之間的差別最大可以達到1～4MPa，這就表示該圍巖區域中處在塑性變形的范圍內。

（2）最大主應力。三心圓：拱腳位置上應力最小，參數值為-2.67MPa，拱底位置上則最大，參數為-0.31MPa。五心圓：拱腳位置的應力最小，參數值為-2.44MPa，拱底位置上最大，參數值為-0.19MPa。

（3）最小主應力。三心圓：拱腳位置行最小，參數值為-6.61MPa，拱底位置最大，參數值為-1.18MPa。五心圓：拱腳位置上最小，參數值為-6.11MPa，拱底位置上最大，參數值為-0.83MPa。

Ⅴ級圍巖條件下，2 種斷面形式中的受力特性相差比較小。對于主應力來說，拱底部分的數據最大，而拱腳位置則最小。對于圍巖應力來說，在該圍巖之下，二者的應用效果是相同的。

3 結語

隨著城市交通量的逐漸增大，目前很多的超大斷面市政隧道工程被建設和應用，最為主要的斷面形式為三心圓與五心圓2 種，這就需要按照設計方案的要求來選擇合適的型式，保證可以滿足人們的日常使用需要。本文以某工程為案例進行分析，了解設計的主要應用因素，綜合分析之后，可以確定最佳的斷面結構形式，從而可以滿足超大隧道的運行需要，滿足城市交通運行要求。