基于大學生模型設計競賽的隧道模型方案設計與制作分析
——以城市地下空間工程專業為例

馬帥帥，孫厚超，徐鄭偉，賈越昊，李富榮

（鹽城工學院土木工程學院，江蘇 鹽城 224051）

1 引言

隨著工程交通建設的發展，經常遇到隧道建設問題，隧道設計也是地下建筑結構的重要組成部分，它包括半襯砌結構、厚拱薄墻襯砌結構、直墻拱形襯砌結構、曲墻結構、復合襯砌結構和連拱隧道結構等形式，實際工程中可根據地層的類別、使用功能和施工技術水平等因素進行選擇。在諸多隧道結構形式中，雙連拱隧道可以上、下行車分離，而且具有接線難度小、占地少、環境保護好等特點，在500m以下的短隧道設計中已普遍采用。目前，隧道結構從偏于安全的角度往往設計得較為保守，如果對雙聯拱隧道結構進行合理的分析與優化，使其在滿足支護與使用功能的前提下能節約材料，減小建設成本，則具有較大的研究意義。

本次競賽圍繞雙聯拱隧道的工程背景，要求對雙聯拱隧道結構模型進行設計和優化，使得在用料盡量少的情況下隧道模型具有最大承載能力，以期尋求可行、合理和科學的最優設計方案。賽題給定模型箱內部尺寸0.6m×0.8m×0.5m，雙聯拱隧道結構體系包括模型邊墻、中隔墻、襯砌及拱。模型設計要求采用盡可能少的白卡紙設計隧道結構，模型結構能達到最小變形及最大承載的效果，通過加載試驗檢驗整個隧道體系的承載力和變形特征，利用承載比指標評定隧道結構體系的穩定性。

2 模型方案設計

根據模型競賽題目要求，為了較好減小模型受荷后沉降量，同時具備承受最大荷載的能力，通過有限元數值模擬分析和模型方案比選[1-3]，擬定方案為：雙聯拱型式（緊湊型），縱向4榀構件以縱桿構造連接，頂部均勻設置2道縱桿；立柱采用外邊長10mm的方形構件，卷紙長度100mm；采用橢圓形拱，拱高12cm，跨度32cm，截面為1cm×1.5cm的矩形；橫桿設置在隧道底部，立柱之間，采用外徑7mm的圓形截面，卷紙長度6cm。為防止側墻底部漏砂，側墻上縱桿設置在底部，且白卡紙封層在側墻位置向內折疊1cm，以保證蒙皮效應[1-2]。

圖1 模型整體設計圖

圖2 模型構件設計詳圖

為了防止側墻立柱彎折破壞，中間2榀的邊柱上采用雙柱方案加強，增加的柱子在隧道內側與原邊柱并排布置。因此，為滿足隧道凈空要求，需要相應增加拱的跨度。

上述方案為正常條件下的設計方案，但是考慮到紙張材料的差異及天氣對紙張性能的影響，為保證加載成功，在正常方案基礎上設計了加強方案，可以臨場選擇。結合模型實驗及有限元結果，模型失效時發現立柱、拱腳部位及拱的腰部容易發生彎折破壞，為確保構件具有足夠承載能力，將拱腳及拱腰部位采用貼片的方法進行局部加固，將邊柱截面采用內圓外方的方案進行優化[4-5]。整體模型平、立面設計如圖1所示。

隧道模型的立柱、縱桿、橫桿、拱等構件的設計詳圖見圖2所示，其中，模型立柱及拱的加強位置參考圖1（d）。

3 模型制作

模型制作包括紙張裁剪、紙張貼膠、構件制作、構件拼接4大步驟。為了達到較理想的制作與拼裝效果，首先自制了白卡紙劃線及裁剪模具，并采用中空的鋁合金型材作為貼膠后構件固定，防止紙張連接處脫膠，如圖3所示。構件制作完成后的模型如圖4所示。

模型稱重后，經過一定時間的自然干燥或吹風機吹干后將模型整體移入模型箱，并進行支護模型安裝及加載（圖5），安放模型時注意位置居中，且模型結構兩側離加載箱邊緣距離大于5cm。

根據模型設計競賽說明書要求，總結模型安裝的要點如下：

①在立柱的外側涂上白乳膠后與白卡紙側墻應盡量貼合，將白卡紙下緣向內彎折并控制彎折端長度不大于1cm；

②可以在隧道口飛邊與模型箱之間放入一張長條形白卡紙避免加砂時有砂?；胨淼?；

③砂分層裝入，為防止側壓力過大，可以現在隧道頂部加一定量標準砂，使模型承受一定的豎向荷載，提前保證側邊立柱的穩定性；

④標準砂應盡量密實，對減小沉降有利；加載板位置需要放置準確，否則容易壓到模型箱邊緣導致模型受力不均。

4 相關制作問題分析

4.1 模型側墻凸出問題

雖然模型并無限制采用1層白卡紙，但從減輕重量角度，1層白卡紙作為襯砌可以滿足承載力要求，但有時會遇到側墻受壓凸出問題。

針對該問題，可將側邊縱桿位置降低至側墻底部，依靠縱桿與模型箱底部的摩擦抵消部分側向壓力。其次，可打毛白卡紙邊緣以增加與有機玻璃板之間的接觸摩擦，可以一定程度上改善白卡紙的變形。

4.2 模型桿件尺寸控制問題

4.2.1 桿件制作尺寸控制

圖3 自制模具

圖4 制作完成的模型

圖5 模型安裝與加載

本參賽隊利用自己制作的模具（鋼軸、圓管等）來控制不同桿件內徑的變化，保證構件制作的均勻性，由紙張延展長度來控制桿件的重量。

4.2.2 桿件貼膠脫落導致尺寸變形問題

模型桿件制作完成與桿件拼裝之間有一定時間間隔，期間構件易發生貼膠脫開，部分構件甚至因脫膠發生卷紙松開的情況，對模型后續的承載力影響很大。為避免該問題，采用自制的鋁合金型材管道進行構件固定，可有效解決這一問題。

4.2.3 模型擋墻邊緣漏砂問題

隧道出口邊緣處與有機玻璃接觸一側以及側墻底面，在實驗過程中發現漏砂現象，極易導致加載失敗。處理辦法是加砂時用紙片蓋住白卡紙邊緣處，待砂填筑至一定高度后再將紙條抽出，可有效改善邊緣漏砂；側墻底部漏砂問題采用將縱桿降至底面的方法，在一定程度上降低漏砂發生的概率。

4.2.4 標準砂密實度控制問題

在加載實驗過程中，發現填入的標準砂密實度不一致，易導致表面豎向位移超限，引起加載失敗。為此，在加砂過程中，采用板條搗砂和橡皮錘振砂相結合的方法，在確保擋墻不凸出的前提下充分壓實，并盡量保證擋墻兩側的標準砂密實度一致。

5 結語

隧道支護模型的設計過程涉及到構件參數的確定及模型的整體優化，從數值計算和實驗確定模型支撐構件的設計參數，并研究了支護結構的受力特征，提出構件優化布置建議。此外，針對模型制作過程中模型側墻凸出、桿件貼膠脫落導致尺寸變形、擋墻邊緣漏砂、標準砂密實度不一等問題，提出具體的應對策略。