基于调研工程对隧道超大断面扁平率的拟定

马连友

北京市首发高速公路建设管理有限责任公司 100166

引言

山岭隧道内轮廓的拟定是隧道设计的前提，断面优化比选尤其是对于扁平率的优化，不但能节省工程造价，更能保证隧道具有良好的受力条件，对隧道的施工安全也具有重要意义［1，2］。

目前，国内工程技术人员及学者对超大断面隧道的扁平率做了一些研究。陈卫忠［3］等人通过对浅埋条件下破碎岩体超大断面隧道不同扁平率进行参数化设计，结果表明：扁平率为0.59 的断面形式是最优方案。同济大学的曲海峰、朱合华［4］等人以广州龙头山双洞八车道隧道为研究背景，归纳了各种松动荷载的计算方法，根据各种方法的产生背景和内容，分析其各自的适用性，对扁平超大断面度公路隧道进行了适应性分析和讨论。余世根［5］等人以龙潭湾隧道为工程背景，提出了依托工程条件下的最优化断面形状。

对于超大断面隧道，国内外还没有相应的设计、施工技术规范、标准［6－10］。有必要对国内已建的超大断面隧道进行现场调研，进行工程类比，作为参照。同时，不同的工程地质及水文地质条件决定了每条隧道的设计都有其各自的特点。所以，对隧道超大断面处的扁平率的计算分析尤为重要。

1 工程概况

某隧道分岔部结构形式如下：区段主要为微风化砂岩，节理裂隙较发育，地下水贫乏、渗透性小，最超大断面区域围岩综合判定为Ⅲ级。分岔段横断面见图1。

图1 分岔段横断面Fig.1 Cross section of the tunnel at bifurcation

2 国内超大断面隧道调研

对国内已建的超大断面隧道进行现场调研，总结超大断面处最大开挖跨径、最大开挖高度、最大开挖面积及扁平率见表1。

表1 隧道超大断面处尺寸信息Tab.1 Dimension information at super large section of tunnel

3 隧道超大断面内轮廓拟定

据现场调研已建超大断面分岔隧道，三车道以及四车道公路隧道，Ⅱ～Ⅳ级别围岩的扁平率多控制在0.5～0.7 之间。以此为参考，保持隧道的跨度不变，通过适当变化隧道的开挖高度得到不同的扁平率，然后按照这些扁平率进行数值模拟，通过对隧道的拱顶沉降、围岩塑性区范围以及支护结构的受力特征三个方面进行对比分析，选取合理的扁平率，然后根据隧道设计原则，拟定隧道内轮廓。

3.1 建筑限界

根据工程需求及《公路隧道设计规范》（JTG 3370.1—2018）拟定某隧道最大断面处建筑限界宽度为26.468m，高度为5.0m，建筑限界如图2所示。

图2 最大断面建筑限界Fig.2 Maximum section construction clearance

3.2 扁平率计算

隧道断面的扁平率与隧道断面形状和开挖量直接相关，是评价隧道结构稳定性和经济性的指标之一。隧道断面的扁平率不仅关系到隧道的空间利用率以及工程建设的经济效益，也关系到隧道结构的受力状态和结构稳定性。

根据确定的建筑限界宽度，结合隧道内轮廓确定方法，拟定内轮廓跨度为27.45m。结合调研成果及相关工程经验，选取五种不同的扁平率进行计算分析，计算中所取的不同扁平率以及所对应的开挖高度见表2。

表2 不同扁平率以及所对应的开挖高度Tab.2 Different flat rate and the corresponding excavation height

用MIDAS／GTS进行数值模拟分析，建立二维模型进行计算。计算中，屈服破坏准则选用Mohr-Coulumb准则。各种材料的物理力学参数见表3、衬砌支护参数见表4。

表3 各种材料的物理力学参数Tab.3 The mechanical parameters of different materials

表4 衬砌支护参数Tab.4 The lining support parameter

3.3 结果分析

1.拱顶沉降

图3 是根据隧道断面采用不同扁平率时隧道拱顶的不同沉降值所绘制的曲线。从图中可见，随着扁平率的增大，拱顶沉降逐渐减小；当扁平率取0.46 时，拱顶沉降最大为0.052m；扁平率取0.7 时，拱顶沉降最小为0.009m；扁平率0.583、0.64 对应的拱顶沉降值分别为0.015m、0.013m，相差为0.002m，差别不大。

图3 不同扁平率下拱顶沉降曲线Fig.3 Vault settlement curve under different flat rate

2.塑性区范围

隧道断面选取不同扁平率P时，隧道周边围岩的塑性区分布范围如图4 所示。对比图4 中隧道围岩的塑性区分布范围可见：此类超大断面隧道围岩的塑性区主要出现在拱脚处；且随着扁平率的降低，围岩塑性区的范围逐渐增大，塑性变形也不断增大，当扁平率取0.46 时，拱脚处围岩出现较大范围的塑性区，塑性变形值也明显增大，应力值数量级为另外四种扁平率下的百倍以上，且有贯通现象。由图4 还可看出，当扁平率取0.52 时，围岩塑性区的范围以及塑性变形值均已较小；扁平率取大于0.52 的几个数值时应力值数量级为10－5、10－6，围岩塑性区范围的变化幅度不大。

图4 塑性区分布范围Fig.4 The plastic zone maps

3.初期支护结构的内力

扁平率取不同值时隧道初期支护结构的轴力和弯矩云图如图5 所示。图中可以看出，不同的扁平率，对应的支护结构的轴力和弯矩各不相同。从数值上看，支护结构所承受的弯矩受扁平率变化的影响较轴力更为显著，不同扁平率下轴力差距不大。扁平率为0.46 时，最大弯矩值最大，为287kN·m；其他几种扁平率下，最大弯矩值差别不大。另外从图中可以看出，无论扁平率取何值，支护结构的拱脚处均产生较为明显的应力集中，不同扁平率初期支护内力值见表5。

表5 不同扁平率初期支护内力Tab.5 Initial support internal force at different flat rates

图5 不同扁平率时初期支护结构内力（轴力单位：kN，弯矩单位：kN·m）Fig.5 Internal force of primary support structure with different flattening ratio（unit of axial force：kN，unit of bending moment：kN·m）

4.断面利用情况

不同扁平率下内轮廓见表6。根据表6 内容及内轮廓布置可知：当扁平率取0.46、0.52 时，开挖面积相对较小，由于拱顶圆弧半径较大，受到内轮廓与建筑限界净距限制，内轮廓两拱脚处距离建筑限界下边线较近，空间不满足电力沟及排水沟的空间需求；当扁平率取0.64、0.7 时，开挖面积较大，土方开挖量大，同时，建筑限界上方至拱顶距离分别达到8.5m、10m，造成很大的空间浪费。当扁平率取0.583 时，断面空间满足附属设施布设，开挖面积相对适中。

表6 不同扁平率以及所对应的内轮廓Tab.6 Different flat rate and the inner contour

5.合理扁平率的确定

不同的工程地质、水文地质及工程条件决定了山岭隧道扁平率的差异性。恰当的扁平率使拱顶沉降较小、降低施工风险；可使围岩塑性区范围较小、隧道结构受力更合理；断面面积更小的情况下满足电力、通风、消防等附属设施的空间布置需求，即断面的空间利用率更高；同时较小的开挖断面使得土方开挖量减少，相应的支护、衬砌、防水工程量相对减少，使工程更经济、合理。

故综合分析隧道开挖引起的隧道拱顶沉降、围岩塑性区范围、隧道支护结构受力，结合隧道开挖空间利用率、建设的经济性，隧道的扁平率取0.583 是合理、可行的。

3.4 内轮廓拟定

根据上述分析，隧道扁平率取0.583，隧道内轮廓跨度27.45m，内轮廓高度16m。同时结合内轮廓拟定原则拟定超大断面内轮廓如图6所示。

图6 最大断面内轮廓（单位：cm）Fig.6 Inner contour of maximum section（unit：cm）

4 结论

1.据现场调研已建超大断面分岔隧道，三车道及四车道公路隧道，Ⅱ-Ⅳ级围岩下隧道的扁平率多控制在0.5～0.7 之间。

2.通过对不同扁平率下隧道的拱顶沉降、围岩塑性区范围、支护结构的受力特征、隧道开挖空间利用率、建设的经济性等几个方面进行对比分析，拟定本隧道超大断面扁平率P＝0.583。

3.为验证参数的合理性，需结合施工现场监测数据动态分析，以便更好地完善断面拟定原则和方法。