岩土工程
大断面公路隧道的断面形式研究
于海龙,王瑞峰
(西南交通大学土木工程学院,成都610031)
【摘 要】 大断面公路隧道是近些年来开始研究的科研课题,它的产生是为了满足日益增长的交通运
输的发展。大断面公路隧道在设计和施工中将会产生的一系列问题,合理的隧道断面形式将有助于提高隧道的空间利用率,满足隧道的受力状态,增强隧道的稳定性。因此,隧道的断面形式是大断面隧道设计中的一个重要的因素。
【关键词】 公路隧道; 大断面; 围岩压力; 断面形状
【中图分类号】 452.2+6 【文献标识码】 A
随着高等级公路建设的迅猛发展和交通运输量的逐渐
提高,大断面公路隧道工程(表1)将日益增加,三车道以上的大断面公路隧道会越来越多。大断面隧道结构承受较大的围岩压力,并且受力条件极其复杂,极易发生围岩失稳和隧道衬砌结构开裂与破坏现象。在隧道施工过程中,坍方现象时有发生,有的甚至造成了重大的伤亡事故。隧道坍方
表1 国际隧协断面划分标准
划 分超小断面小断面中等断面大断面超大断面
净空断面积(m2)<33～1010～5050～100>100
重应力场为主的情况下,对这种扁平结构的影响将会更大,随之也就会不可避免地带来新的技术问题:如对于围岩开挖后拱部岩体在自重应力场作用下向洞内移动,并导致两侧岩体受压,反应在洞周位移上,拱顶下沉位移要远大于水平收敛,由此而导致支护结构体系的破坏,这与高跨比较大的单洞双线隧道有所不同。显然,对于三车道以上的大断面公路隧道的建设,如果仍然采用双车道公路隧道的理论进行设计与施工是不合适的。
的原因是多方面的,如工程地质条件、施工工艺的合理性与否都是很重要的因素,而隧道结构本身断面形式的合理与否也是一个不容忽视的重要因素。本文根据以往大断面隧道受力特性及横断面设计问题,对专用公路
2 隧道断面约束条件
隧道断面形状的约束条件主要有以下几个方面。(1)建筑限界控制点。为满足限界要求,内轮廓线至少应将隧道建筑限界完全包容在内,保证限界边界的任何点均在内轮廓线内。
(2)通风面积。内轮廓线净高在能满足隧道建筑限界净高H(见图1)要求的基础上,还应考虑通风要求。隧道的净空断面受通风方式的影响很大,在选择通风方式时,首先需要决定隧道内所需的通风量,然后讨论自然通风和交通通风能否满足需要。
(3)受力要求。衬砌内轮廓形状除受到上述约束条件的外,还受到受力要求的,即对设计出的衬砌断面进行强度检算时,偏心及安全系数均应满足规范要求。
隧道特别是三车道以上的大断
面隧道的受力特性及断面形式进行研究,提出影响隧道断面形式的一些重要因素,为以后的大断面公路隧道的断面设计及施工提供帮助。
1 大断面隧道的特点
大断面公路隧道具有提高车速、缩短里程、节约燃料、节省时间等明显的优点;但是大断面公路隧道也有很多复杂的问题亟待解决。由于岩体是一种天然形成的非单一性质的复杂的地质材料,所以影响围岩稳定性的因素很多,主要有地质及地质结构的影响、地应力的影响、岩体力学性质的影响、工程因素的影响、地下水的影响、时间的影响等等。大断面公路隧道由于开挖面积大,岩体结构面交叉组合形成不稳定结构体的机会将会大大增加,这对围岩稳定性是一个很不利的因素。目前,大断面公路隧道的设计理论和施工工艺大多数是借鉴双车道隧道的理论,特别是四车道的大断面公路隧道,横断面与双车道公路隧道相比,其跨度增大了一倍,如果仍然按照双车道公路隧道的扁平率(高跨比)来设计,则开挖断面积将大幅度增加,而隧道内空间的有效利用率将会显著降低,工程造价也会大幅度上升。为了解决这一问题,只能通过降低扁平率来实现,而降低隧道的扁平率将会对围岩稳定及隧道结构的稳定性产生极大的影响,特别是在以自
图1 专用公路隧道建筑限界
[收稿日期]2005-08-29
[作者简介]于海龙(1980～),隧道及地下工程专业,硕士研究生。
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SB2=(W︺2)+C+S+j-d0
式中:d0为道路中线与隧道中线的距离;A为圆心O距路线设计标高的距离;R为内轮廓半径;H,W,E,C,S见图1。φ,d1,d2,d3,d4,d6,d7,d8,h1见图2。3.1.2 挑选出变量
根据经验可知:对于一般的限界,d7为重要控制点,即d7的富余量满足要求后,其余的控制点的富余量易满足。在此,可挑选出变量:X=(d7,d0,A)
相应的内轮廓所含开挖面积(路面以上)可表示为:
S(X)=2 (S1+S2)
其中:S1=0.5φ R2,S2=0.5A R=
(400-A)2+(SB1+d7)23.1.3 约束条件
(1)自变量的范围。从实际工程来讲d7,d0,A只有在一定的范围内才有意义。为了提高计算效率,可使d7固定与一个较合适的值(如≥5cm)。因此自变量的约束条件可由下式表示:
d7=ζ(δ≤ζ≤δ7),0≤A≤300,0≤d0≤60
式中:δ为最小富余量;δ7见建筑限界约束条件说明。(2)建筑限界约束条件。设δi(i=1,2,3…)为各限界控制点至内轮廓线的水平间歇最大值,可根据实际选取。如图2所示,存在下列关系式:
δ≤d1≤δ≤d2,δ≤d3,δ≤d4≤δ≤d8≤δ1,δ4…δ8
3.1.4 求解各参数
建立以上关系式后,便可采用迭代的方式来求解以上各参数。即先假定d7和A一个初始值,代入以上各关系式中求出其余各参数,并使它们满足约束条件,然后求出内轮廓所包含的面积。最小面积值为最佳求解。3.2 坦三心圆
R2-A2图1中:W为行车道宽度;S为行车道两侧路缘带宽度,专用高速公路一般取7.50m。C为余宽,当计算行车速度≥
100km/h时为0.50m,计算行车速度<100m/h时为0.25m;H为净高,专用高速公路采用5m;E为建筑限界顶角宽度,(当L≤1m时,E=L;当L>1m时,E=1);L为侧向宽度,高速公路,一级公路上的短隧道,其侧向宽度宜取硬路肩宽度;R为人行道宽度;J为检修道宽度。另外,施工工艺对隧道断面也有很大影响。岩体工程特别是大型开挖工程从开始施工到结束都要经过一段较长的时间,这些工程的施工一般都要破坏岩体原有的物理和力学平衡,要达到新的平衡和稳定状态,岩体内的物理力学因素要有一个调整转换的过程,而这些内部因素往往是互为耦合、互为因果的。
3 断面形状的选择
目前公路隧道大多采用三心圆或单心圆的拱形断面,对于大断面公路隧道,由于车道数的增加,宽度加大了,而高度变化不大,使建筑限界变得扁平,因此,隧道就不得不做成具有扁平的拱形结构。根据以上思路和鉴于公路隧道大多采用单心圆或三心圆拱形断面的现状,对单心圆、坦三心圆两种拱形断面方案的几何参数进行了分析研究,其断面参数如下:
3.1 单心圆
3.1.1 基本几何方程
图2 单心圆内轮廓线
单心圆的内轮廓形状如图2,描述内轮廓线形状的参数为:R,A,do,d,d2,d3,d4,d6,d7,d8。这些参数不是完全的,它们之间存在以下关系:
d1=R2-(A-25)2-SB2d2=R2-(275-A)2-SB2
d3=R2-(400-A)2-(SB2-j)d4=R2-(H-A)2-(SB1-E)d6=R2-(H-A)2-(SB2-E-j)d7=R2-(400-A)2-SB1d8=R2-(A-25)2-SB1h1=R+A-H
SB1=(W︺2)+C+S+d0
图3 坦三心圆内轮廓线
3.2.1 基本几何方程
坦三心圆的内轮廓形状如图2,描述内轮廓线形状的参
数为:R1,A1,φ1,R2,A2,φ2,a,b,h1,do,d1,d2,d3,d4,d6,d7,d8。为了使优化问题简化,可认为d7处是第一段弧和第二段弧的分割点。因此这些参数的几何关系如下所示:
-1
φ=cos[(400-A1)/R1], R2=(400-A2)/cosφ11a=(R1-R2) sinφ(R1-R2) cosφ1, b=1
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-1
φ(π/2)-φR2), h1=A1+R1-H2=1+sin(A2/2d1=R22-(A2-25)-(SB2-a)2d2=R22-(275-A2)-(SB2-a)2d3=R22-(400-A2)-(SB2-j-a)2d4=R21-(H-A1)-(SB2-E)
土工程
提高二次衬砌的安全系数。因此,仰拱的施设对提高隧道结构的稳定性有着非常重要的作用。另外,大断面隧道也采用
椭圆形断面和卵形断面,这两种断面形式比较扁坦,对空间利用率较高,但受力方面不如坦三心圆有利,因而用得比较少。目前,对这两种断面形式正进行充分的研究,期望能在提高围岩的稳定性方面有所突破。
d6=R2-(H-A1)2-(SB2-E-j)1
2d7=R21-(400-A1)-SB1
2d8=R21-(A2-25)-(SB1-a)3.2.2 目标函数
4 大断面应解决的关键技术问题
目前,我国已修建了很多大断面隧道,但对三车道以上的超大断面隧道的技术还不够成熟,还处在初步研究阶段。因此在设计理论与施工工艺上只是借鉴国外建设方法,目前没有统一的标准执行。在过去我们所做的研究中也取得了很多重要经验,了解到大型地下洞室比小型洞室有更多的麻烦,主要是开挖尺度的影响,表现以下几个方面:
(1)尺度过大对应力分布的形响;
挑选出X作为变量:X=(d7,d0,A1,A2)相应的开挖面积可表示为:S(X)=2(S1+S2+S3+S4)其中:S1=0.5φ R2
11
2
S2=0.5φ2 R2
S3=0.5A2 R1=
2R22-A2
S4=0.5(A2+A1) a
(400-A1)+(SB1+d7)22(2)尺度过大对岩石、岩体和支护构件强度的影响;
(3)根据隧道尺寸,尺度的影响依赖于不同的开挖顺序。开挖顺序会影响周围地层及支护构件的应力重新分布或集中。
除了尺度影响外,荷载对隧道的影响也非常重要。隧道荷载条件的确定包括围岩压力、弹性抗力、地下水静水压力、功能性荷载、交通荷载、施工荷载、环境荷载、偶然荷载等,这些荷载是影响隧道稳定性的主要因素。围岩压力是影响隧道稳定性非常大的荷载,大断面隧道开挖后的围岩压力相当复杂,围岩压力大小和性质的确定是大断面隧道设计需要解决的关键问题。
参考文献
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3.2.3 约束条件
(1)变量的范围
d7=ζ(δ≤ζ≤δ7),0≤A1≤300A1≤A2≤400,0≤d0≤60
(2)建筑限界约束条件δ≤d1≤δ≤d2,δ≤d3,δ≤1,δd4≤δ…δ≤d8≤δ483.2.4 求解各参数
建立以上关系式后,便可采用迭代的方式来求解以上各参数。即先假定d7、A1和A2,代入以上各关系式中求出其余各参数,并使它们满足约束条件,然后求出内轮廓所包含的面积。最小面积值为最佳求解。对大断面来说,A1和A2没有固定的标准,可以根据需要来调节,保证断面面积最小,并且受力状态要好。
根据以往大断面隧道的受力特性研究发现,坦三心圆拱部会承受较大压力,拱脚处局部应力集中,不稳定,一般在拱脚处设置仰拱,过去修建的大断面隧道基本上都是采用坦三心圆带仰拱形式的断面。仰拱在隧道结构受力方面具有十分重要的意义,仰拱的施设可以使隧道结构的承载力提高10%左右,减小隧道周边位移并使隧道的塑性区深度大幅度减小。同时,仰拱可以使隧道初期支护的轴力大幅度减小,
(上接第页) 使抗滑桩成为压弯构件。而且还使抗滑桩从悬臂结构变为框架结构,从而改善了桩的受力状况。有利于抵抗剩余下滑力引起的弯矩。但同时应考虑桩受到水平滑坡推力后对上部结构产生的不利影响。即桩应与上部结构作为一个整体在滑坡推力作用下进行结构分析设计。另外,为了能有效桩身位移,应适当增加抗滑桩嵌岩段长度也是很必要的。
该工程建成近6年来未发现异常且使用良好。说明设计所作的假定,分析和计算是基本正确的。
参考文献
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