摘要：以某市政项目工程实例为研究背景，对超大断面市政隧道合理断面型式确定要点进行研究，对该工程项目资料内容进行研究，对超大断面市政隧道合理断面型式确定要点进行探讨，希望给此类工程提供一些参考，以促进我国交通事业的不断发展。
关键词：超大断面； 市政隧道； 断面型式； 确定分析；
超大断面隧道一般是指开挖面积在140 m2以上、扁平率（开挖高度与开挖宽度之比）小于（0.65含仰拱）或0.55（不含仰拱）、断面形状近似为椭圆型扁平状的隧道。超大断面隧道的修建，在进一步缓解交通压力、拓展隧道的通行能力、提高隧道行车舒适性的同时，也存在设计理论尚不成熟、主要靠借鉴国内外类似工程经验的问题。市政隧道的设计理论基本借鉴于三车道公路隧道，由于隧道的断面积和跨度均较大，使得在隧道设计在断面型式、支护措施、施工方法等方面没有一个明确、实用的规范作指导，各设计单位在设计隧道断面形状等方面差异较大。对于隧道断面型式的确定，主要受到隧道净空面积、围岩等级等影响。据统计，国内隧道三车道断面型式主要是三心圆，部分单心圆与五心圆；国外隧道三车道断面型式主要是五心圆为主，部分单心圆与三心圆[4]。
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。
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]。
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。
（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[3]。
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。
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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]。
（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
对于超大断面市政隧道，其断面型式常采用三心圆和五心圆两种，设计时应就具体围岩情况进行对比分析确定。本文依托实际工程，通过数值模拟计算方法，从围岩位移、围岩受力、支护结构受力、围岩塑性区分布特征等四方面对比分析不同围岩条件下超大断面市政隧道两种断面型式的优劣，从而确定了合理断面型式。得到如下结论：
（1）围岩位移方面：Ⅲ级围岩条件下，三心圆和五心圆两种断面型式均可；Ⅴ级围岩条件下，三心圆断面型式更佳。
（2）围岩应力方面：Ⅲ级和Ⅴ级围岩条件下，三心圆和五心圆各特征点最大或最小主应力基本一致，量值上差异性较小。三心圆和五心圆两种断面型式均可。
（3）围岩塑性区方面：Ⅲ级条件下三心圆拱肩范围塑性区深度比五心圆断面要大，采用五心圆更佳；Ⅴ级围岩条件下，三心圆和五心圆两种断面型式均可。
（4）初衬受力方面：Ⅲ级条件下，三心圆拱脚拉应力大于材料的容许拉应力，五心圆拱脚拉应力小于材料的容许拉应力，采用五心圆断面型式更合理；Ⅴ级围岩条件下，三心圆拱脚拉应力小于材料的容许拉应力，五心圆拱脚拉应力接近材料的容许拉应力，采用三心圆断面型式更合理。
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。
参考文献：
[1]骆耀文，李铮，高翔，等.城市隧道在不同防排水型式下的流固耦合分析[J].水文地质工程地质，2016（2）：105-109.
[2]于海龙，王瑞峰.大断面公路隧道的断面形式研究[J].四川建筑，2006（3）：65-67.
[3]李东平.大断面黄土隧道施工技术探讨.《山西建筑》2008.第34卷第5期329-330.
[4]李可宁.大断面黄土隧道施工控制.《铁道建筑》2011年第8期 53-54.
论文作者:程少鹏
论文发表刊物:《基层建设》2019年第31期
论文发表时间:2020/4/13
标签：围岩论文; 断面论文; 隧道论文; 应力论文; 型式论文; 位移论文; 三心论文; 《基层建设》2019年第31期论文;