单拱四车道公路隧道结构优化研究

崔　炫，陈　杰

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司)



单拱四车道公路隧道结构优化研究

崔炫，陈杰

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司)

摘要：经济的迅速发展带动公路交通量的增加，结构简单的小断面隧道逐渐不能满足道路交通的日常需要。而建设多车道的大断面隧道是解决现代道路交通问题的主要方法之一，例如单拱四车道公路隧道。将重点分析单拱四车道公路隧道的结构优化。

关键词：单拱四车道；公路隧道；结构；优化

1单拱四车道公路隧道结构优化概述

从经济学角度看，四车道公路隧道的横断面比双向道路隧道的行车范围增大一倍，跨度大，因此在其设计过程中不能按照双向车道公路隧道进行设计，由于其扁平率不同于双向车道，施工中所需的隧道面积也会大于双向车道，这会导致隧道空间不能有效合理的利用，增加工程造价。解决此类问题的唯一方法就是降低其扁平比，然而降低隧道的扁平率会影响隧道结构的稳定性，降低围岩的稳定程度，尤其是隧道是自重作为应力场的情况下，降低扁平率对其的影响更大，甚至会随着出现无法规避的新型技术问题。例如：将围岩开挖后，在自重应力场的压力下其拱部岩体会向隧道内移动，从而损坏支护结构体系。由上述分析可知，四车道公路隧道在建设过程中，一定要做好结构优化设计，才能保证其建筑的稳定性，保证公路的质量。

2大断面隧道的基本力学特性

(1)因为大跨度隧道的宽度相对双车道隧道宽度加大，高度却未发生变化，从而构成了扁平型结构，从力学角度分析可将其视作椭圆形。

(2)隧道的横向距离大，导致其开挖引起的应力重不能均匀分布。若围岩单轴抗压的强度相对于应力重分布的强度小，隧道周围的围岩会发生塑化现象，那就需要稳定性强的支护结构以避免其出现变形。针对扁平大断面隧道，按照有限元对其进行相关研究分析，得出隧道开挖后，当侧压系数=1时，隧道应力与原始应力比值为3∶1；=0.7时，其比值为4∶1。由此可见，即便围岩的结构条件相对较好，塑性化以及变形的现象也有可能出现，因此要采用稳定的支护体系来支撑。

(3)隧道底脚处的应力重比较集中，因此对地基的承载力有很高的要求。

(4)隧道拱顶稳定性不足。根据调查，若隧道开挖宽度等于两倍高度，可选择科学的支护结构以避免岩块出现崩塌；若开挖宽度大于高度的两倍，那就需要采取其他有效方法以稳定拱顶的结构。

(5)地压会出现松弛。隧道开挖宽度以及高度的增大，对于产生拱形作用的埋深也要随之加大，若埋深过小，则不能充分发挥工作用，地压会出现松弛，导致大断面对出现较大的松弛荷载，影响其整体结构。

(6)对于支护结构而言，其承载力偏小。大跨度隧道的跨度逐渐加大，扁平状的拱形的支护结构的承载力会随之下降。

3单拱四车道公路隧道结构优化设计

3.1　隧道内轮廓的优化设计

隧道内轮廓是由按照隧道内建筑界限所决定，即衬砌断面轮廓。隧道的内轮廓要尽可能的靠近隧道内的建筑物界限，从而能够保证车辆可以安全通行，降低开挖及衬砌的次数，减少工程成本。隧道内轮廓不仅要符合隧道衔接的规定，还要对衬砌的合理受力形状进行充分思考。现如今我国通常使用三种形状进行公路隧道内轮廓设计，主要有单心圆、三心圆。三心圆由于拱部位可分别采用更大的圆弧，故断面空间利用率高，而单心圆在上部空间进行设计时，空间的大量浪费导致工程造价的增加，所以一般的大断面公路隧道结构设计中并不采用此种形式。

3.2　仰拱优化的设计

随着隧道工程数量的增加，工程的地质特征也越发复杂多变，因此仰拱结构在隧道建设中被大量采用。目前，因为我国已有的《公路隧道设计规范》及《铁路隧道设计规范》，并未对仰拱结构设计进行明确的设定，因此在进行实际施工时仅能按照经验进行结构设计。这就会导致部分隧道仰拱设计的结构不科学合理，不但导致工程出现不必要的费用，还可能因为仰拱结构导致隧道开挖宽度增大，结果原本就十分复杂的工程后期施工更加复杂。浅埋大断面隧道修建过程中，此类问题最为突出。下面将对其涉及步骤进行具体分析：

浅埋大断面隧道仰拱设计步骤

(1)计算出仰拱的荷载集度p。

(2)计算出仰拱的宽度l。将隧道开挖的最大距离作为仰拱宽度，即便隧道在腰线以下部分宽度会有所减少，但是依据最大距离以计算仰拱的宽度比较可靠。

(3)计算仰拱的高宽比r。一般情况下r=0.05-0.1。按照公式f=r·1能够得出仰拱的具体拱高。

(4)将x的数值依次设为1/8，1/4，31/8等，将其数值带入以下公式进行计算，从而计算出拱轴线施工的实际放线标高。

y=4·f/12·x·(1-x)

(5)按照以下公式得出仰拱轴力的最大数值及最小数值。

Nmax=pl2/8f·[1+(4f/l2)2]1/2

Nmin=pl2/8f

(6)按照使用材料的参数，得出仰拱混凝土的设计强度。

(7)计算出仰拱的厚度。仰拱设计可以采用等厚度或者变厚度，等厚度设计时，要将拱脚位置的最大轴力作为控制荷载，具体厚度可按照以下公式进行计算

d=Nmax/[σ]

变厚度设计厚度计算公式为

d=Nmin/[σ]

按照下面公式计算出厚度系数，并对拱脚处的厚度公式进行确定

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

D=kd

拱脚和拱中心之间的厚度要依据线性插值进行计算。

(8)要从多个角度出发进行仰拱的结构优化设计，充分考虑到经济因素、结构是否合理以及施工工艺等，按照设计图纸进行，对隧道拱脚水平以上位置进行开挖和支护结构设计。

(9)在开挖支护工程后，要实施观察隧道的承载和变形状况，探测勘察隧道下面的岩石也正，并了解荷载集度p和软岩基底的假设计算等是否科学合理。如果其参数合理，那就按照原先设计方案进行施工；如果不够合理，则根据隧道实际情况进行再次设计。值得注意的是，以上参数的计算都是按照1延米的隧道的相关数值进行分析的。

3.3　隧道衬砌最优设计方案

(1)荷载条件要通过分析衬砌结构自身的重量，围岩周边的压力、围岩的弹性、地下水承载的压力、地震因素、温度变化等因素的组合参数进行具体确定。(2)按照衬砌材料的设计参数，选择规定的净空尺寸，按照隧道的轴线方向和洞内不同部分的荷载条件及长度进行参数设计，设计变量要以衬砌横断的几何尺寸为标准，严格控制材料的用量和用法，保证施工科学合理；在具体施工过程中，要根据我国《公路隧道设计规范》的要求，对隧道的抗压抗力、轴向力等参数进行全面考虑。(3)按照整座隧道的净空面几个尺寸进行施工约束，从而保证施工的质量，保证隧道设计科学合理安全。

4结束语

综上所述，在单拱四车道隧道的设计过程中，要按照所建工程当地的实际地质状况进行设计，按照相关规范要求，进行各方面工程施工，从而保证工程的质量。为了解决我国道路交通的不利现象，要进行多车道的大断面隧道设计，从而促进我国道路交通和谐稳定的发展。

参考文献：

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[4]丁浩.单洞4车道隧道内轮廓关键指标统计分析与启迪[J].公路交通技术，2012，(6)：89-91.

收稿日期：2014-12-21

中图分类号：U442

文献标识码：C

文章编号：1008-3383(2015)08-0119-01