超大断面隧道内轮廓比较分析

徐 辉

（大连市市政设计研究院有限责任公司，辽宁 大连 116011）

1 工程概况

大东山隧道为分离式双洞双向8车道隧道，西线起止点桩号为K06+890～K08+003.785，全长1 113.785 m，隧道内纵坡为0.50%和2.89%，最大覆土厚度134.7m；东线隧道起止点桩号为K06+894～K08+004.300，全长 1 110.3 m，纵坡为 0.5%和2.89%，最大覆土厚度155 m。

经现场勘察，拟建隧道场地内主要分布有第四系坡积含碎石粉质黏土，震旦系长岭子组页岩、震旦系长岭子组石英砂岩，青白口系石英砂岩夹页岩。拟建扩建隧址区发现断层4条，均为北东向。受区域内构造断裂影响，该工程场区附近岩体节理裂隙发育，断层附近表现尤为明显。本次测绘测得主要节理4组，节理多闭合～微张状，节理面多无充填，少数铁锰质或钙质充填。

2 内轮廓设计图[1]

根据道路等级要求，该隧道道路等级为城市快速路，设计时速100 km/h，隧道建筑限界：0.75 m（检修道）+0.5 m（路缘带）+2×3.5 m（机动车道）+2×3.75 m（机动车道）+1.0 m（路缘带）+0.75 m（检修道）=17.50m；隧道净高5.0m。根据以上建筑限界，拟定了两种内轮廓形式，分别见图1、图2和表1。

3 有限元分析模型[2]

为从整体上把握不同内轮廓在各设计荷载作用下的受力、变形以及内力分布情况，利用Midas GTS及Midas Civil有限元软件，分别利用地层结构法及荷载结构法进行建模计算，并对计算结果进行比较，以求获得优选方案。每个方案两种算法，计算条件及荷载选取都相同。

图1 内轮廓形式方案一

图2 内轮廓形式方案二

表1 内轮廓参数表

3.1 荷载结构法模型计算

对隧道主体结构利用常用方法是取一段单位长度标准段，利用二维杆系模型计算。上部覆土荷载为100 kN/m，周围约束采用只受压的弹簧，弹簧抗力系数采用Ⅴ围岩弹性抗力系数100 MPa/m进行单元换算，侧压力系数取0.5。衬砌厚度30 cm，两个方案具体计算结构图3、图4所示，计算结果汇总见表2。

图3 方案一弯矩、轴力图

图4 方案二弯矩、轴力图

表2 荷载结构法计算结果汇总表

3.2 地层结构法模型计算

地层结构法建模，采用Ⅳ级围岩作为分析对象，计算顶部取至拱顶20 m。边界条件：模型边界约束为位移约束，底部垂直向约束，左右两侧为垂直隧道轴线的水平向约束，上表面取水平表面。初始条件：以自重产生应力场为初始应力场。计算采用平面简化计算，岩体采用莫尔-库仑屈服准则模型。支护条件采用初期支护30 cm厚C25喷射混凝土作为初期支护。开挖方法采用上下台阶法进行模拟，具体围岩参数及初期支护参数见表3、表4。

表3 围岩力学参数表

表4 初期支护参数表

经过计算，得出围岩最大主应力及最小主应力云图及拱顶下沉量，见表5、图5。

表5 地层结构法计算结果汇总表

3.3 结果对比分析

通过以上方案参数及计算结果汇总可知，方案一开挖宽度、高度及面积均大于方案二，工程量大于方案二；在浅埋地段，采用荷载结构法进行计算时，初期支护拱顶弯矩方案一要小于方案二，拱肩及拱脚弯矩方案一均大于方案二，初期支护变形量方案一要小于方案二；深埋隧道围岩受力分析计算结果显示，方案一围岩受状况要好于方案二围岩受力状况。尤其在拱腰处，方案二承受压应力明显大于方案二。

4 结语

图5 地层结构法计算结果图

根据详细计算及分析并参考以往工程经验，主要得出以下结论和建议供参考：（1）扁平比大的隧道，拱顶受力较好，且拱顶沉降量相对较小；（2）扁平比小的隧道，拱腰和拱脚初期支护受力较好，但围岩受力在该处不好，拱顶下沉量相对较大；（3）大扁平比隧道由于断面面积较大，会相应增加工程造价及工期，相对不经济，小扁平比隧道相反；（4）根据工程的特点及围岩条件，合理确定隧道内轮廓的扁平比是隧道设计的关键。

[1]JTG D70—2004，公路隧道设计规范[S].

[2]关宝树.隧道力学概论[M].成都：西南交通大学出版社，1993.