低等級(jí)公路隧道內(nèi)輪廓擬定方法探討

郎君

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430060）

0 引言

近年來(lái)隨著高速公路建設(shè)的逐漸飽和，起加密路網(wǎng)功能的二級(jí)公路及原有的三、四級(jí)公路提升改造工程日益增多，線形指標(biāo)的提升使得項(xiàng)目中橋隧比例不斷提高。在二級(jí)及以下公路中較少采用的隧道工程逐漸增多，而由于各個(gè)地區(qū)不同的經(jīng)濟(jì)實(shí)力、主要訴求、自然環(huán)境、地質(zhì)條件等原因，造成主管部門及設(shè)計(jì)單位在確定隧道內(nèi)輪廓時(shí)考慮的主要影響因素不盡相同；同時(shí)由于現(xiàn)行《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTGB01—2014）對(duì)隧道內(nèi)輪廓未做明確要求，即使《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70—2004）和《公路隧道設(shè)計(jì)手冊(cè)》中給出了內(nèi)輪廓尺寸的建議值，但因各地建筑限界的尺寸及隧道超高等原因使得各地的內(nèi)輪廓尺寸不盡相同。本文以省道S306仙蓮線德興城區(qū)段改建工程中豬油崗隧道為例，對(duì)低等級(jí)公路隧道內(nèi)輪廓擬定方法進(jìn)行詳細(xì)討論，希望能夠?qū)λ淼涝O(shè)計(jì)人員在擬定類似項(xiàng)目?jī)?nèi)輪廓時(shí)提供參考。

1 項(xiàng)目概況

S306仙蓮線德興城區(qū)段改建工程位于江西省德興市境內(nèi)，項(xiàng)目起于德興市店前村，止于德興市香屯工業(yè)園區(qū)樂安河，路線全長(zhǎng)18.22 km。按雙向雙車道二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)修建，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，全線共設(shè)豬油崗隧道一座，長(zhǎng)704m。隧址軸線總體方向約313°，隧道最大埋深約125m，地形起伏較大，隧道范圍內(nèi)中線高程在113～234m，地表自然坡度在35°～50°，植被發(fā)育。隧道洞身段巖性主要為中風(fēng)化千枚巖，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖體較完整；地下水類型為基巖裂隙水，水量一般；隧道洞口為坡殘積粉質(zhì)黏土和強(qiáng)風(fēng)化千枚巖組成，覆蓋層較厚，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性差。

2 隧道內(nèi)輪廓擬定

隧道內(nèi)輪廓包括建筑限界、通風(fēng)及其他附屬設(shè)施所需的斷面面積。內(nèi)輪廓的確定在隧道工程設(shè)計(jì)中是一個(gè)非常重要并且十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。只有確定了合理的隧道內(nèi)輪廓尺寸，設(shè)計(jì)人員才可以根據(jù)不同的地形、圍巖等級(jí)和埋深進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)、超前支護(hù)、防排水、施工方案、監(jiān)控量測(cè)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、路面裝飾等工程設(shè)計(jì)工作。

2.1 建筑限界確定

建筑限界是為保證隧道內(nèi)車輛行駛、人員同行、檢修和各種設(shè)備不受損害所要求的最小空間，包括車道、側(cè)向?qū)挾?、余寬、人行道等的寬度，以及車道、人行道的凈高?/p>

由于該項(xiàng)目為干線二級(jí)公路，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，采用較高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。交通組成中重載汽車較多，交通條件較為復(fù)雜，同時(shí)考慮隧道電纜溝、排水溝布設(shè)安裝空間、救援檢修等行人的安全，結(jié)合近年來(lái)該地區(qū)以往隧道建設(shè)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，在滿足現(xiàn)行《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTGB01—2014）和《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70—2004）的前提下，確定豬油崗隧道建筑限界如下：檢修道高度為40 cm，余寬C值25 cm置于檢修道上，左右側(cè)側(cè)向?qū)挾染鶠?5 cm，行車道寬度為2×3.75m，限界高5.0m，建筑限界組成為1.0 m+0.75 m+3.75 m×2+0.75 m+1.0m=11.0m（見圖1）。

圖1 隧道建筑限界圖（單位：cm）

2.2 內(nèi)輪廓擬定原則

《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70—2004）第4.2.3條規(guī)定，隧道內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)除應(yīng)符合隧道建筑限界的要求外，還應(yīng)滿足洞內(nèi)路面、排水設(shè)施、裝飾的需要，并為通風(fēng)、照明、消防、監(jiān)控、運(yùn)營(yíng)管理等設(shè)施提供安裝空間，同時(shí)為襯砌變形及施工誤差預(yù)留適當(dāng)?shù)母挥?，是確定的斷面形式及尺寸符合安全、經(jīng)濟(jì)、合理的原則[2]。

2.3 內(nèi)輪廓選擇

2.3.1 內(nèi)輪廓尺寸初擬

根據(jù)隧道以往建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，雙車道隧道開挖寬度相對(duì)較小，一般可考慮設(shè)置拱部單心圓或三心圓內(nèi)輪廓。該項(xiàng)目根據(jù)上述原則并結(jié)合以往工程實(shí)例，考慮該隧道設(shè)置在曲線段上，存在超高的影響，人行道尖角處與內(nèi)輪廓間距按不小于15 cm設(shè)置，同時(shí)在滿足風(fēng)機(jī)掛設(shè)要求的條件下盡量降低內(nèi)輪高度，采用幾何作圖方法對(duì)單心圓和三心圓內(nèi)輪廓進(jìn)行初步擬定。斷面參數(shù)如圖2、圖3所示。

圖2 單心圓內(nèi)輪廓圖（單位：cm）

圖3 三心圓內(nèi)輪廓圖（單位：cm）

對(duì)兩種內(nèi)輪廓斷面高寬、斷面面積、斷面利用率等幾何狀況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表1。

表1 內(nèi)輪廓斷面對(duì)比情況

從以上兩種斷面形式可以看出以下幾點(diǎn)：

（1）三心圓內(nèi)輪廓可以根據(jù)建筑限界調(diào)整拱部半徑及拱部角度大小來(lái)控制內(nèi)輪廓斷面高度，并通過(guò)調(diào)整邊墻半徑大小來(lái)實(shí)現(xiàn)較大的斷面利用率。

（2）在滿足縱向排水溝布設(shè)的前提下，仰拱半徑越大，仰拱深度越小，隧道開挖量較小，斷面利用率越高。

（3）當(dāng)內(nèi)輪廓側(cè)墻與仰拱半徑相差較大，為滿足電纜溝布置的要求，需要采用較小的半徑將兩者連接。

（4）隨著建筑限界寬度的增加，單心圓內(nèi)輪廓的高度也必然會(huì)增加，斷面有效利用率降低。

該項(xiàng)目由于建筑限界寬為11.0m，采用單心圓內(nèi)輪廓會(huì)造成隧道開挖量較大，斷面有效利用率較低，故綜合以上因素選擇三心圓內(nèi)輪廓。

2.3.2 內(nèi)輪廓選定

根據(jù)謝琪[5]對(duì)隧道內(nèi)輪廓的研究成果，隧道仰拱曲率的大小以及邊墻與仰拱的連接圓半徑對(duì)內(nèi)輪廓受力影響較大；同時(shí)由于該項(xiàng)目隧址區(qū)主要為千枚巖地層，屬于軟質(zhì)巖，隧道地質(zhì)條件相對(duì)較差，在隧道內(nèi)輪廓優(yōu)化時(shí)應(yīng)把受力作為考慮的一項(xiàng)重要因素。故對(duì)隧道內(nèi)輪廓做如下優(yōu)化：

（1）拱部半徑R由6.2m調(diào)整為6.05 m，維持拱部100°的角度不變，以獲得較好的受力條件。

（2）邊墻半徑R由4.8m調(diào)整為5.35 m，獲得更好的斷面利用率。

（3）維持仰拱半徑R為16m不變，選用半徑R為2m的圓作為連接圓與邊墻和仰拱相切，減小連接處的應(yīng)力集中效應(yīng)，如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的隧道內(nèi)輪廓（單位：cm）

3 受力分析

3.1 計(jì)算模型

計(jì)算采用基于m id a s G T S N X有限元軟件，將巖體進(jìn)行單元的離散化，且按常自由劃分模式進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算前對(duì)巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)做以下假定：

（1）采用模型的巖體材料性質(zhì)均假定為均質(zhì)、各向同性，不考慮節(jié)理、層理、剪切帶等地質(zhì)軟弱面造成的介質(zhì)不連續(xù)情況。

（2）模型的塑性屈服（破壞）準(zhǔn)則采用較為適用巖石材料的莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則。

（3）此次計(jì)算模擬拱頂埋深均采用水平均值，為30 m，模型縱向長(zhǎng)度40 m，隧道橫向（x軸）取110m，計(jì)算范圍滿足土體開挖影響（2～4）D。根據(jù)實(shí)際研究斷面地質(zhì)及埋深情況，研究斷面的力學(xué)計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 計(jì)算模型圖示

（4）假定變形模量、巖體密度、摩擦角、黏聚力等物理參量在計(jì)算中保持不變，不考慮巖體的變形致密效果，也不考慮模量、泊松比等參數(shù)隨深度的變化。

（5）考慮到在實(shí)際工程中，二襯臺(tái)車距離掌子面距離為50～90m，這段距離初期支護(hù)需單獨(dú)承擔(dān)圍巖荷載，故模型只考慮施工期初期支護(hù)作用。有限元模型如圖6所示，計(jì)算參數(shù)見表2。

圖6 有限元模型

表2 計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)

3.2 計(jì)算結(jié)果

3.2.1 變形分析

調(diào)取貫通工況豎向位移云圖，如圖7所示。

圖7 豎向位移云圖

從隧道的豎向位移云圖可以看出，地表最大沉降量約為6 mm，隧道拱頂最大豎向位移接近3 cm，仰拱豎向變形量約為6 cm。實(shí)際施工中由于選用不同的施工工法會(huì)對(duì)變形產(chǎn)生一定的影響，總體上變形量均小于《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70—2004）給出的一般值，滿足設(shè)計(jì)的變形要求。

3.2.2 應(yīng)力分析

支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況如圖8所示。

圖8 最大、最小主應(yīng)力分布圖

從隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖可以看出，在施工過(guò)程中，隧道拱頂、邊墻出現(xiàn)了拉應(yīng)力，特別是邊墻處，是支護(hù)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)；最大主應(yīng)力最大為43 680 kPa，最小主應(yīng)力最大為49 555 kPa，均小于支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼筋的屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)的安全性要求。

3.2.3 塑性區(qū)分析

巖土體塑性區(qū)分布情況如圖9所示。

圖9 塑性區(qū)分布圖

從塑性區(qū)分布圖可以看出，隧道開挖引起的塑性變形存在于隧道上方拱肩與拱腳處，拱腳處相對(duì)于拱肩處更為嚴(yán)重，但并未形成連通的塑性區(qū)，總體來(lái)說(shuō)對(duì)隧道的影響相對(duì)較小，滿足隧道設(shè)計(jì)的要求。

3.2.4 計(jì)算結(jié)論

通過(guò)對(duì)以上計(jì)算結(jié)果的分析，在該擬定內(nèi)輪廓及地質(zhì)邊界條件下，可以得到如下結(jié)論：在模型建立中未考慮施工方法的影響，實(shí)際變形會(huì)與計(jì)算結(jié)果有略微差別；隧道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形的計(jì)算結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，該內(nèi)輪廓可作為設(shè)計(jì)內(nèi)輪廓采用。

4 結(jié)語(yǔ)

隧道內(nèi)輪廓的擬定作為隧道設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，往往對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、施工難易、工程造價(jià)高低、運(yùn)營(yíng)安全等起著較大的影響，對(duì)全壽命周期成本的高低更起著決定性的作用，在標(biāo)準(zhǔn)化程度較低的低等級(jí)公路隧道尤甚。隧道內(nèi)輪廓的擬定在滿足使用功能要求的前提下選取合理的建筑限界，結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，盡量選取斷面利用率高的內(nèi)輪廓形式，如三心圓內(nèi)輪廓斷面，并對(duì)所選用的內(nèi)輪廓形式進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)受力分析，滿足受力要求后方可進(jìn)行后續(xù)的設(shè)計(jì)工作。