神马文学网不同扁平率公路隧洞洞室稳定性比较研究
来源：百度文库 编辑：神马文学网 时间：2024/04/29 19:29:16
摘 要 具有明显断面低扁平率特征的多车道公路(三车道以上)隧洞是当前和未来一定时期内公路隧道建设的一大热点和难点，比较研究不同：扁平率公路隧洞的稳定性特征对于促进超大断面低扁平率公路隧洞修建技术的发展具有重要意义。本文针对矩形公路隧洞这一具有最经济断面空间利用率的特殊类型隧洞，通过数值模拟研究了两车道、三车道、四车道三种不周扁平率矩形公路隧洞的洞室稳定性问题，并通过比较研究开挖后洞周岩体的应力状态、岩体松动程度以及开挖引起的洞周位移试图把握四车道超大断面低扁平率公路隧洞洞室稳定性特征，为完善相关修建技术服务。
关键词 公路隧洞 扁平率，洞室稳定性 数值模拟
1 引言
为满足交通发展的需要，近几年来公路隧道的车道数不断增多，隧道的开挖断面不断增大。尽管单纯的开挖断面增大对隧道围岩及支护结构的力学稳定性影响不大，但是通常的多车道公路隧道在开挖断面增大的同时，隧道宽度增加了，为节省拱部净空，公路隧道的高度变化不大，隧道建筑限界变得越来越扁平，致使围岩和衬砌结构的力学特性发生了很大的变化。已有的研究表明扁平率即隧道的开挖宽度与其开挖高度之比是评价隧道结构稳定性及经济性的一个重要指标。一般两车道隧道的扁平率在0.8左右，三车道隧道的扁平率在0.65左右，四车道公路隧道的扁平率在0.5左右。
由于四车道公路隧道，其开挖断面面积在200m2以上，开挖宽度在20m以上，而开挖高度较其他公路隧道变化不大，磋道断面扁平率低。这种扁平结构的隧洞开挖后的应力重分布差，底脚处应力集中过大，要求有较大的地基承载力，拱顶稳定性差，有较大的松弛地压。因此比较研究不同扁平率公路隧洞的稳定性，把握四车道超大断面低扁平率公路隧洞洞室稳定性特征对于研究开发超大断面低扁平率公路隧道的新型支护体系具有重要意义，
文献[1]针对五心圆交通隧道以Von—Mises等效应力为指标分析了洞室扁平率的变化对围岩应力集中的影响。纵观目前公路山岭隧道所采用的断面形式基本上都是单心圆、三心圆或五心圆，而很少有采用矩形断面的，主要是矩形断面隧道的稳定性较其他断面形式较差，在依靠传统支护系统情况下难以采用文献[2][3]。其实从公路隧道的使用需求出发，矩形断面隧道是最经济的断面形式；另外矩形断面隧道在控制断面限界、提高施工效率等方面都较其他断面形式具有明显的优势。由于常见隧道断面形式的特殊性，使得结构工程中许多先进的结构体系无法在隧道支护体系中得到很好的应用，从更深层次上讲；矩形断面形式隧道的很少应用，可能从一定程度上约束了隧道支护结构体系的进步。因此从开发超大断面低扁平率公路隧洞新型支护体系的基本目的出发，本文决定针对矩形公路隧洞这一具有最经济断面空间利用率的特殊类型隧洞，通过数值模拟研究了两车道、三车道、四车道三种不同扁平率矩形公路隧洞的洞室稳定性问题。
2 洞室稳定性的数值分析模型
由于本文的重点在于研究四车道超大断面低扁平率公路隧洞，在分析某隧道断面设计图4及公路隧道设计规范的相关内容后，并考虑隧道四周预留1m宽的结构及装饰空间、洞顶预留1.5m高的设备空间，在保证隧道建筑限界高度5m，单位行车道宽度3.75m的前提下确定不同车道数的矩形断面公路隧道特征尺寸参数见表1，其断面尺寸参见图1。采用FLAC 3D数值分析平台建立了如图2所示的矩形公路隧洞稳定性平面应变分析模型，分析域的范围为水平向范围为160m，竖向为88m，并使洞室中心和模型中心相重合，这样模型边界均满足大于3倍的洞室尺度的要求；模型边界条件为底部竖向和水平向固定，左、右侧边界水平向固定，竖向自由。在确定针对中等围岩情况的公路隧洞展开分析后，参照文献[2]公路隧道设计规范附录一中提供的Ⅲ类围岩物理力学指标标准值确定本次数值计算中围岩的力学参数如表2，并确定围岩本构采用满足Drucker-Prager塑性相关流动准则的本构关系。
3 扁平率的变化对矩形公路隧道围岩性状的影响
在对评价隧道围岩性状指标做细致比选后，决定选取洞周岩体的最大主应力、最小主应力、切向应力、洞周围岩塑性区面积、洞周岩体的最大屈服深度以及开挖引起的洞周位移6个指标的比较来评价扁平率的变化对矩形公路隧道围岩性状的影响。其中对于最大主应力、最小主应力、切向应力三个应力指标考虑到隧洞周边应力受计算选取的弹塑性模型的不同影响变化较大，为了能更一般意义上评价洞周应力的变化(或是偏于安全的意义上)，这三个应力指标选取围岩本构满足弹性关系的计算模型的结果来评价。
3.1 应力结果分析
a．图3给出了不同跨度的隧洞洞顶最大主应力的变化情况，比较隧洞洞周的岩体最大主应力结果发现随着隧洞跨度的增大即扁平率的减小隧道周边顶底中间部位的最大主应力的拉应力数值增大明显，尤其是洞顶；两车道时洞顶几乎不存在拉应力，三车道时即存在不小的拉应力，四车道时拉应力更是增大到三车道时的3倍以上。另外洞顶和洞底边角部位及洞侧壁的最大主应力随隧洞跨度(扁平率)的变化不甚明显。因此对于超大断面低扁平率隧洞其洞顶、底中部的应力状态是应着力于改善的。
b．计算表明随着隧洞跨度的增大即扁平率的减小隧道周边的最小主应力变化不大，仅仅侧壁部分的最小主应力绝对值随隧道跨度的增大而有所增大，基本上是隧道跨度每增加一车道宽(4m)，隧洞侧壁的最小主应力绝对值增加10％左右，因此隧洞侧壁岩体的无侧限抗压强度可能随着隧道跨度的增大成为控制侧壁稳定的因素，因此对于超大断面低扁平率公路隧道应采取必要的措施防止侧壁掉帮破坏。
c．另外随着隧洞跨度的增大即扁平率的减小隧道周边顶底中间部位的切向应力数值增大明显，尤其是洞顶；两车道时洞顶几乎不存在切向拉应力，切向拉应力范围很小，四车道时洞顶中间40％的范围存在切向拉应力；洞底切向应力的变化不甚明显。隧洞侧壁的切向应力的变化与其最小主应力的变化趋势相近。因此从洞周切向应力的角度来说，关键是应采取必要措施防止洞顶中部存在过大的拉应力范围。
3.2洞周岩体松动程度分析
洞周岩体的松动程度直接决定了支护工程量和支护结构的尺度，本文选取了洞周围岩塑性区面积和洞周岩体的最大屈服深度来衡量洞周岩体的松动程度。
a．隧洞开挖引起的洞周屈服岩体的多少将直接反映隧道支护工程量的大小。这里统计了三种不同跨度的隧洞开挖后洞周的屈服单元的面积作为评价指标(对于平面应变计算统计屈服面积)，结果见表3。可以看出四车道隧道的支护工程量将较两车道和三车道隧道有较大的增加，是两车道隧道支护工程量的224.05％，从这个意义上来讲使用两条独立的两车道隧道较使用一条四车道隧道在支护工程量上更经济，但我们也能看出四车道隧洞开挖后支护工程的艰巨性。
b．隧洞开挖引起的洞周岩体的最大屈服深度将直接决定隧道合理支护结构的形式和尺度，尤其是锚喷支护的锚杆长度，这里统计出了洞周屈服岩体边界距离洞周的距离作为评价不同跨度隧道洞周岩体松动问题的指标，结果见表4。可以看出随着隧道跨度的增大即扁平率的减小，隧道洞顶所需支护结构的形式和尺度变化最大，侧墙部分变化不大。对于支护结构的最大长度而言，两车道在3.5m，三车道4.8m，四车道5.5m。因此对于超大断面低扁平率其洞顶部分的支护结构的形式和尺度应较一般跨度的隧道有较大的不同才能满足要求。
3.3位移结果分析
这里计算中取出了三种跨度的矩形公路隧道开挖引起、洞底隆起位移值、侧壁侧向挤出位移值三个位移量来比较开挖引起隧洞洞周位移随隧洞跨度的变化。其中洞顶沉降位移值分布情况参见图4，图中各位移点到跨中的距离以用半洞跨(l)归一化处理后的值表示。
通过位移结果的比较，可以看出洞周位移随隧道跨度的增大即扁平率的减小而增大，但四车道隧道的洞周位移较前两者有比较明显的增大，尤其是隧洞顶、底中部和侧壁中部的因开挖引起的洞周位移随隧洞扁平率的减小增大明显。因此超大断面隧道因开挖引起的隧洞顶、底中部和侧壁中部的位移较一般大断面隧道更值得注意，开挖引起的四车道隧道的洞周围岩位移较三车道隧道将有比较明显的增大。
4 结论
从矩形隧洞开挖后洞周围岩最大主应力、最小主应力、切向应力、屈服岩体单元的总面积、洞周屈服岩体的最大塑性区厚度以及开挖引起的洞周位移6个指标的结果可以看出对于超大断面低扁平率矩形公路隧洞改善其洞顶部分支护结构形式和尺度将具有最大的现实意义，对于超大断面低扁平率公路隧洞其支护结构应较一般跨度的隧道具有较大的不同才能满足要求。同时由于当前施工主要依赖于将洞室化大为小，分部(步)开挖，最大的问题是施工程序复杂，掘进速度慢，延长了围岩的无支护暴露时间，使得隧道的支护难度增大，因此有必要研究适合于超大断面低扁平率公路隧洞的新型支护结构型式和新型支护材料，提高断面一次性开挖的可能性，从而提高掘进速度，提高围岩自身的稳定性，充分利用其承载力。
参考文献
1 李文江．大跨隧道的研究[硕士学位论文]．成都：西南交通大学，2001
2 中华人民共和国行业标准．公路隧道设计规范(JTJ026—90)．北京：人民交通出版社，1990
3 王希光．台湾公路隧道标准断面之研拟与考量因素．现代隧道技术，2001，38(1)：47-51
4 Itasca．FLAC—3DManual(Version2．0)．USA：ItascaConsultingGrouplnc．
5 郭小红．大跨库山岭隧道结构设计方法：结构承载能力法．公路. 2000(5)：40—45
6 Obert L，Duvall WI．Rock mechanics and the design Of structures in rock．New York：Wiley，1966
关键词 公路隧洞 扁平率，洞室稳定性 数值模拟
1 引言
为满足交通发展的需要，近几年来公路隧道的车道数不断增多，隧道的开挖断面不断增大。尽管单纯的开挖断面增大对隧道围岩及支护结构的力学稳定性影响不大，但是通常的多车道公路隧道在开挖断面增大的同时，隧道宽度增加了，为节省拱部净空，公路隧道的高度变化不大，隧道建筑限界变得越来越扁平，致使围岩和衬砌结构的力学特性发生了很大的变化。已有的研究表明扁平率即隧道的开挖宽度与其开挖高度之比是评价隧道结构稳定性及经济性的一个重要指标。一般两车道隧道的扁平率在0.8左右，三车道隧道的扁平率在0.65左右，四车道公路隧道的扁平率在0.5左右。
由于四车道公路隧道，其开挖断面面积在200m2以上，开挖宽度在20m以上，而开挖高度较其他公路隧道变化不大，磋道断面扁平率低。这种扁平结构的隧洞开挖后的应力重分布差，底脚处应力集中过大，要求有较大的地基承载力，拱顶稳定性差，有较大的松弛地压。因此比较研究不同扁平率公路隧洞的稳定性，把握四车道超大断面低扁平率公路隧洞洞室稳定性特征对于研究开发超大断面低扁平率公路隧道的新型支护体系具有重要意义，
文献[1]针对五心圆交通隧道以Von—Mises等效应力为指标分析了洞室扁平率的变化对围岩应力集中的影响。纵观目前公路山岭隧道所采用的断面形式基本上都是单心圆、三心圆或五心圆，而很少有采用矩形断面的，主要是矩形断面隧道的稳定性较其他断面形式较差，在依靠传统支护系统情况下难以采用文献[2][3]。其实从公路隧道的使用需求出发，矩形断面隧道是最经济的断面形式；另外矩形断面隧道在控制断面限界、提高施工效率等方面都较其他断面形式具有明显的优势。由于常见隧道断面形式的特殊性，使得结构工程中许多先进的结构体系无法在隧道支护体系中得到很好的应用，从更深层次上讲；矩形断面形式隧道的很少应用，可能从一定程度上约束了隧道支护结构体系的进步。因此从开发超大断面低扁平率公路隧洞新型支护体系的基本目的出发，本文决定针对矩形公路隧洞这一具有最经济断面空间利用率的特殊类型隧洞，通过数值模拟研究了两车道、三车道、四车道三种不同扁平率矩形公路隧洞的洞室稳定性问题。
2 洞室稳定性的数值分析模型
由于本文的重点在于研究四车道超大断面低扁平率公路隧洞，在分析某隧道断面设计图4及公路隧道设计规范的相关内容后，并考虑隧道四周预留1m宽的结构及装饰空间、洞顶预留1.5m高的设备空间，在保证隧道建筑限界高度5m，单位行车道宽度3.75m的前提下确定不同车道数的矩形断面公路隧道特征尺寸参数见表1，其断面尺寸参见图1。采用FLAC 3D数值分析平台建立了如图2所示的矩形公路隧洞稳定性平面应变分析模型，分析域的范围为水平向范围为160m，竖向为88m，并使洞室中心和模型中心相重合，这样模型边界均满足大于3倍的洞室尺度的要求；模型边界条件为底部竖向和水平向固定，左、右侧边界水平向固定，竖向自由。在确定针对中等围岩情况的公路隧洞展开分析后，参照文献[2]公路隧道设计规范附录一中提供的Ⅲ类围岩物理力学指标标准值确定本次数值计算中围岩的力学参数如表2，并确定围岩本构采用满足Drucker-Prager塑性相关流动准则的本构关系。
3 扁平率的变化对矩形公路隧道围岩性状的影响
在对评价隧道围岩性状指标做细致比选后，决定选取洞周岩体的最大主应力、最小主应力、切向应力、洞周围岩塑性区面积、洞周岩体的最大屈服深度以及开挖引起的洞周位移6个指标的比较来评价扁平率的变化对矩形公路隧道围岩性状的影响。其中对于最大主应力、最小主应力、切向应力三个应力指标考虑到隧洞周边应力受计算选取的弹塑性模型的不同影响变化较大，为了能更一般意义上评价洞周应力的变化(或是偏于安全的意义上)，这三个应力指标选取围岩本构满足弹性关系的计算模型的结果来评价。
3.1 应力结果分析
a．图3给出了不同跨度的隧洞洞顶最大主应力的变化情况，比较隧洞洞周的岩体最大主应力结果发现随着隧洞跨度的增大即扁平率的减小隧道周边顶底中间部位的最大主应力的拉应力数值增大明显，尤其是洞顶；两车道时洞顶几乎不存在拉应力，三车道时即存在不小的拉应力，四车道时拉应力更是增大到三车道时的3倍以上。另外洞顶和洞底边角部位及洞侧壁的最大主应力随隧洞跨度(扁平率)的变化不甚明显。因此对于超大断面低扁平率隧洞其洞顶、底中部的应力状态是应着力于改善的。
b．计算表明随着隧洞跨度的增大即扁平率的减小隧道周边的最小主应力变化不大，仅仅侧壁部分的最小主应力绝对值随隧道跨度的增大而有所增大，基本上是隧道跨度每增加一车道宽(4m)，隧洞侧壁的最小主应力绝对值增加10％左右，因此隧洞侧壁岩体的无侧限抗压强度可能随着隧道跨度的增大成为控制侧壁稳定的因素，因此对于超大断面低扁平率公路隧道应采取必要的措施防止侧壁掉帮破坏。
c．另外随着隧洞跨度的增大即扁平率的减小隧道周边顶底中间部位的切向应力数值增大明显，尤其是洞顶；两车道时洞顶几乎不存在切向拉应力，切向拉应力范围很小，四车道时洞顶中间40％的范围存在切向拉应力；洞底切向应力的变化不甚明显。隧洞侧壁的切向应力的变化与其最小主应力的变化趋势相近。因此从洞周切向应力的角度来说，关键是应采取必要措施防止洞顶中部存在过大的拉应力范围。
3.2洞周岩体松动程度分析
洞周岩体的松动程度直接决定了支护工程量和支护结构的尺度，本文选取了洞周围岩塑性区面积和洞周岩体的最大屈服深度来衡量洞周岩体的松动程度。
a．隧洞开挖引起的洞周屈服岩体的多少将直接反映隧道支护工程量的大小。这里统计了三种不同跨度的隧洞开挖后洞周的屈服单元的面积作为评价指标(对于平面应变计算统计屈服面积)，结果见表3。可以看出四车道隧道的支护工程量将较两车道和三车道隧道有较大的增加，是两车道隧道支护工程量的224.05％，从这个意义上来讲使用两条独立的两车道隧道较使用一条四车道隧道在支护工程量上更经济，但我们也能看出四车道隧洞开挖后支护工程的艰巨性。
b．隧洞开挖引起的洞周岩体的最大屈服深度将直接决定隧道合理支护结构的形式和尺度，尤其是锚喷支护的锚杆长度，这里统计出了洞周屈服岩体边界距离洞周的距离作为评价不同跨度隧道洞周岩体松动问题的指标，结果见表4。可以看出随着隧道跨度的增大即扁平率的减小，隧道洞顶所需支护结构的形式和尺度变化最大，侧墙部分变化不大。对于支护结构的最大长度而言，两车道在3.5m，三车道4.8m，四车道5.5m。因此对于超大断面低扁平率其洞顶部分的支护结构的形式和尺度应较一般跨度的隧道有较大的不同才能满足要求。
3.3位移结果分析
这里计算中取出了三种跨度的矩形公路隧道开挖引起、洞底隆起位移值、侧壁侧向挤出位移值三个位移量来比较开挖引起隧洞洞周位移随隧洞跨度的变化。其中洞顶沉降位移值分布情况参见图4，图中各位移点到跨中的距离以用半洞跨(l)归一化处理后的值表示。
通过位移结果的比较，可以看出洞周位移随隧道跨度的增大即扁平率的减小而增大，但四车道隧道的洞周位移较前两者有比较明显的增大，尤其是隧洞顶、底中部和侧壁中部的因开挖引起的洞周位移随隧洞扁平率的减小增大明显。因此超大断面隧道因开挖引起的隧洞顶、底中部和侧壁中部的位移较一般大断面隧道更值得注意，开挖引起的四车道隧道的洞周围岩位移较三车道隧道将有比较明显的增大。
4 结论
从矩形隧洞开挖后洞周围岩最大主应力、最小主应力、切向应力、屈服岩体单元的总面积、洞周屈服岩体的最大塑性区厚度以及开挖引起的洞周位移6个指标的结果可以看出对于超大断面低扁平率矩形公路隧洞改善其洞顶部分支护结构形式和尺度将具有最大的现实意义，对于超大断面低扁平率公路隧洞其支护结构应较一般跨度的隧道具有较大的不同才能满足要求。同时由于当前施工主要依赖于将洞室化大为小，分部(步)开挖，最大的问题是施工程序复杂，掘进速度慢，延长了围岩的无支护暴露时间，使得隧道的支护难度增大，因此有必要研究适合于超大断面低扁平率公路隧洞的新型支护结构型式和新型支护材料，提高断面一次性开挖的可能性，从而提高掘进速度，提高围岩自身的稳定性，充分利用其承载力。
参考文献
1 李文江．大跨隧道的研究[硕士学位论文]．成都：西南交通大学，2001
2 中华人民共和国行业标准．公路隧道设计规范(JTJ026—90)．北京：人民交通出版社，1990
3 王希光．台湾公路隧道标准断面之研拟与考量因素．现代隧道技术，2001，38(1)：47-51
4 Itasca．FLAC—3DManual(Version2．0)．USA：ItascaConsultingGrouplnc．
5 郭小红．大跨库山岭隧道结构设计方法：结构承载能力法．公路. 2000(5)：40—45
6 Obert L，Duvall WI．Rock mechanics and the design Of structures in rock．New York：Wiley，1966