超大断面市政隧道合理断面型式的确定

黄峰

（济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司，济南250101）

1 工程概况

某路工程线路总长度达11.6km，是当地的城市快速道路，设计为双向6 车道的形式，最高时速达80km。整个线路中穿越当地比较大的山体结构，其中隧道为全线控制性工程，全长为2.6km，属特长市政道路隧道施工项目，工程质量影响因素比较多，所以需要采取更加有效的方式来进行质量控制。

2 合理断面型式的确定

本工程超大断面隧道工程项目受到Ⅲ级和Ⅴ级围岩地质的严重影响，三心圆、五心圆的隧道型式需要结合该施工位置的位移特性、受力特性、支护结构形式等方面，然后选择科学合理的断面结构形式，以确定是否可以满足工程的需要[1]。

2.1 模型的建立

本工程项目在施工前需要重点考虑的部分是，超大断面隧道项目在不同围岩条件之下如何才能选择最佳的断面型式，所以在数值分析中需要从以下几点来进行简化处理。

1）施工方法：应用全断面开挖方式。

2）支护参数：选择一致的初支参数，关键就是要进行分析三心圆、五心圆的隧道围岩与初支力学影响之下的特性和位移方面数据的分析。

3）围岩承载性能： 为了能够有效地进行数据的统计和分析，本工程项目中确定全部应用50%的应力释放率参数，也就是在隧道开挖施工结束后，围岩能够承载50%的外部荷载。

该工程项目的各项技术参数都要应用ANSYS 有限元软件分析，可以明确确定隧道项目的具体状况。数值模拟应用的是弹性塑性方式，围岩结构材料符合理想弹塑性准则。隧道衬砌采用Beam3 单元来模拟，围岩采用PLane42 单元加以模拟，Ⅲ级围岩部分的初期支护方式选择使用锚喷支护方式，其中锚杆长350cm，间隔距离120cm×120cm，混凝土层的厚度尺寸为15cm。

2.2 典型测点的选择

为了使后续的分析和应用更加科学合理，在隧道洞室周边典型位置上进行监测控制，准确地测量各项监测值。

2.3 结果分析

2.3.1 围岩位移分析

1）Ⅲ级围岩

通过研究可知，在Ⅲ级围岩三心圆和五心圆下隧道的水平收敛变形曲线和竖向位移曲线构建的过程中，它具备一种相似的形状。

从分析上可以看出：

（1）经过分析上述2 种断面结构形式，发现围位移变化是基本一致的，在开挖施工结束后，拱顶部分可以达到沉降控制的要求，而拱底会出现隆起的问题，周边将产生洞内收敛，断面型式不同，位移分布规律稍有差异。

（2）竖向位移。三心圆：拱顶沉降量最大可达36.9mm，拱底隆起最大处达25.1mm；五心圆：拱顶沉降量最大可达37.3mm，拱底隆起最大处达25.7mm。两种断面形式其相差比较小[2]。

（3）水平位移。三心圆：拱腰收敛最大值为19.8mm；五心圆：拱腰收敛最大值17.8mm。二者数据相差比较小。Ⅲ级围岩条件下，2 种断面形式的各个特性点的数据相差比较小，从围岩位移角度来说，其断面型式都可以使用。

2）Ⅴ级围岩

Ⅴ级围岩三心圆和五心圆下隧道的水平收敛变形曲线和竖向位移曲线构建是存在相互性的。

因此可以看出：

（1）对于不同断面结构来说，围岩位移的变化规律相差不大，隧道开挖施工之后，拱顶会出现一定程度的沉降问题，拱底则会出现隆起的情况，洞内收敛也会发生，而断面型式的不同，其位移变化会稍有不同。

（2）竖向位移。三心圆下：拱顶沉降最大值为29.5mm；拱底隆起最大值22.2mm；五心圆：拱顶沉降最大值28.7mm；拱底隆起最大值22.1mm。

（3）水平位移。三心圆：拱腰收敛最大可达15.0mm；五心圆：拱腰收敛最大可达17.6mm。Ⅴ级围岩中，该2 种结构形式特性基本一致，从围岩位移量方面的分析可以发现，这2 种形式都能够应用，但以水平位移量参数来分析可以发现，三心圆断面型式的效果更好，可以达到隧道工程的使用需要。

2.3.2 围岩应力分析

1）Ⅲ级围岩

（1）分析2 种型式，从围岩结构的应力与变化规律来说，基本是相同的，在开展隧道开挖施工之后，拱顶到拱脚中的最大与最小主应力都是负数，这就说明整个围岩一直处于受压的状态之下。最小主应力一般会达到2～3MPa，也就是说，整个围岩在受压的作用之下而达到塑性变形的状态。

（2）最大主应力。三心圆：拱脚位置最小，参数值为-2.7MPa，拱底位置上最大，参数值为-0.3MPa。五心圆：拱脚位置上最小，参数值为-2.85MPa，拱底位置上最大，参数值-0.26MPa。

（3）最小主应力。三心圆：拱脚位置上最小，参数为-6.64MPa，拱底位置上最大，参数值为-1.23MPa。五心圆：拱脚位置上最小，参数值为-6.87MPa，拱底位置上最大，参数值为-1.14MPa。Ⅲ级围岩条件下，2 种断面形式的各个特性点之间的应力值相差比较小，而主应力通常在拱底位置上的数据是最大的，而拱脚位置上则最小。从围岩应力的作用之下，2 种结构断面都可以使用，所产生的效果是相同的。

2）Ⅴ级围岩

（1）不同断面部分的应力与规律相差比较小，在开始进行开挖施工之后，可以确定在拱顶到拱脚范围内的最大与最小主应力全部是负数，这就说明该施工位置上的围岩为受压的状态中。最小主应力与最大主应力之间的差别最大可以达到1～4MPa，这就表示该围岩区域中处在塑性变形的范围内。

（2）最大主应力。三心圆：拱脚位置上应力最小，参数值为-2.67MPa，拱底位置上则最大，参数为-0.31MPa。五心圆：拱脚位置的应力最小，参数值为-2.44MPa，拱底位置上最大，参数值为-0.19MPa。

（3）最小主应力。三心圆：拱脚位置行最小，参数值为-6.61MPa，拱底位置最大，参数值为-1.18MPa。五心圆：拱脚位置上最小，参数值为-6.11MPa，拱底位置上最大，参数值为-0.83MPa。

Ⅴ级围岩条件下，2 种断面形式中的受力特性相差比较小。对于主应力来说，拱底部分的数据最大，而拱脚位置则最小。对于围岩应力来说，在该围岩之下，二者的应用效果是相同的。

3 结语

随着城市交通量的逐渐增大，目前很多的超大断面市政隧道工程被建设和应用，最为主要的断面形式为三心圆与五心圆2 种，这就需要按照设计方案的要求来选择合适的型式，保证可以满足人们的日常使用需要。本文以某工程为案例进行分析，了解设计的主要应用因素，综合分析之后，可以确定最佳的断面结构形式，从而可以满足超大隧道的运行需要，满足城市交通运行要求。