（岩土工程专业论文）互通式地下立交隧道分岔形式和施工力学行为研究.pdf

中文摘要 摘要：为了缓解地面交通压力，越来越多的城市开始修建地下快速公路。许多城 市甚至把地面上的立交桥搬到了地下，在地下修建互通式立交隧道。与修建单一 的隧道不同，要在地下修建多条互通立交的高速公路隧道，将会遇到各种单一隧 道中不存在的问题，而且目前这方面的设计、施工均没有直接的经验，难度将会 大大增加。本文结合国家8 6 3 计划“互通式地下立交隧道修建技术研究 ，展开对 互通式地下立交中的关键技术之一，主隧道和匝道隧道分岔部分岔形式和相关技 术问题进行研究。 首先，论文通过调查研究和工程类比，提出了互通式地下立交中主隧道和匝 道隧道的两种分俞形式及适用条件，讨论了变截面段的过渡形式，并对两种形式 的大跨段跨度加宽值进行了探讨，给出了参考值。 其次，通过数值模拟计算分析，对分岔部出现的非对称小间距隧道的施工力 学行为进行研究，对比分析主隧道和匝道隧道的相互影响和这种影响随隧道间距 变化的变化规律。 最后，通过对平面斜交隧道进行数值模拟分析，得出交叉口周围围岩和支护 的变形和受力特征随匝道隧道开挖进深的变化和受影响的范围。 关键词：互通式地下立交隧道，非对称小间距隧道，平面斜交隧道 分类号： j 曼塞交通太堂亟堂位途窒垦墨! 基! a bs t r a c t a b s t r a c t ：i no r d e rt oa l l e v i a t et h eu r b a n 仃a 伍cp r e s s u r e , m o r ea n dm o r ec i t i e s b e g i nb u i l d i n gu n d e r g r o u n d - h i g h w a y s o m ee v e nb u i l do v e r p a s su n d e rt h eg r o u n d ，t h a t i sb u i l d i n gu n d e r g r o u n di n t e r c h a n g et u n n e l s d i f f e r e n tf r o mb u i l d i n gaa n g l et u n n e l ， b u i l d i n gi n t e r c h a n g et u n n e l sw i l le n o s ) t i n t e rm a n yp r o b l e m st h a td o e sn o te x i td u r i n g b u i l d i n gas i n g l et u n n e l f u r t h e r m o r e , t h eu n d e r g r o u n di n t e r c h a n g et u n n e l si sa ti t se a r l y s t a g e ，s oc o r r e s p o n d i n gd e s i g na n dc o n s t r u c t i o ne x p e r i e n c e sa r es e r i o u s l yp e n u r i o u s b a s e do nt h en a t i o n a lh i 曲t e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a m ( ”8 6 3 ”p r o g r a m ) o fc h i n a ，t h i sp a p e rc a r r yo u tt h er e s e a r c ho nt h ef o r ma n dc o n s t r u c t i o n m e c h a n i c so f b i f u r c a t i o np a r to ft h eu n d e r g r o u n di n t e r c h a n g et u n n e l s f i r s to fa l l ，t h r o u g ht h ei n v e s t i g a t i o na n dt h es i m u l a t i o nm e t h o d ，t w ok i n d so f b r a n c h i n gf o r ma n dt h ec o r r e s p o n d i n g c o n d i t i o n sn e e d e do ft h eu n d e r g r o u n d i n t e r c h a n g e t u n n e l sa r es y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e di nt h ep a p e r , s o m ei m p o r t a n t p a r a m e t e r sa r eg i v e ni nt h ep a p e r s e c o n d l y , t h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a la n a l y s i s ，s t u d yt h e c o n s t r u c t i o n m e c h a n i c a li n t e r a c t i o no ft h em a i nm n n e la n dr a m pt u n n e lo fn o n - s y m m e t r ys m a l l s p a c i n gt u n n e l f i n a l l y , a n a l y z et h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s sc h a r a c t e r i s t i co ft h ep l a n a rc r o s s i n g t u n n e lb yt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ni nt h ec o n s t r u c t i o nc o u r s e k e y w o r d s ：u n d e r g r o u n di n t e r c h a n g et u n n e l ，n o n - s y m m e t r ys m a l ls p a c i n g t u n n e l , p l a n a rc r o s s i n gt u n n e l c l a s s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作糍：州善 签字日期：附q 年易月i 铂 导师签名_ 卟 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲、鹤影f 生签字眺刁年莎日 6 7 致谢 本论文的工作是在我的导师白冰教授的悉心指导下完成的，白冰教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来白冰 老师对我的关心和指导。 白冰教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向白冰老师表示衷心的谢意。 刘保国教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 特别感谢李少刚师兄在隧道知识对我的帮助。 在实验室工作及撰写论文期间，汪磊、孙飞、王建等同学在m i d a s g t s 建模 方面给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 感谢章东、王军、胡小勇、王运栋和秦小明等同学对我论文提出的宝贵的意 见。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 最后感谢各位老师在百忙中对论文的审阅和指正。 1 1研究背景和意义 1 绪论 经济的发展，城市化的推进，给城市的交通和环境带来了越来越大的压力， 使交通堵塞越来越严重。人们开始通过开发地下空间来解决地面上的交通压力。 而地下高速公路就是正在兴起的一种地下交通基础设施。国内专家学者开始考虑 新建城市地下高速公路网以有效地缓解北京和南京等城市地面交通堵塞情况。作 为一种新兴的交通形式，地下高速公路有如下几大特点1 ： ( 1 ) 地下高速公路不受地面上各种建筑的影响，在地下自成一个封闭而又相 互贯通的系统，可以保障车辆行驶快速畅通而且安全性好。 ( 2 ) 相对于地铁，地下高速公路的建设成本更低。目前国内地铁造价为每公 里6 8 亿人民币，而且城市地铁设备很大一部分要靠进口。而地下高速公路造价为 大约每公里1 4 亿人民币，远低于地铁造价，而且不需要依赖进口设备和技术。 ( 3 ) 汽车尾气和汽车噪声污染是城市污染中最重要的组成的部分，而在在地 下高速公路中，尾气和噪声可以通过集中控制处理，对环境的破坏可以降到最低。 正是地下高速公路的这些优点，很多国家像同本、美国等都已经建设或正在 建设大规模的地下高速公路体系；我国也有许多城市像厦门、南京、北京、上海 等建设或规划地下高速公路。 就像高速公路上有立交桥一样，地下高速公路也有立交桥。不同走向的公路 隧道，通过和立交桥中的匝道一样的隧道实现互通。尽管目前隧道修建技术已经 相当成熟，建设单一的地下高速公路在技术方面已经不存在什么问题了。但是要 在地下修建多条互通立交的高速公路，将会遇到各种单一隧道中不存在的问题， 而且目前这方面的设计、施工均没有直接的经验，难度将会更大。 作为前期探索，本文是国家高新技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 资助的地下 互通立交隧道建造技术研究的子课题地下互通立交隧道匝道隧道和主隧道交 叉部关键技术研究，对地下互通立交隧道分俞部的分岔形式以及相关的技术进行 研究探讨，对未来地下互通立交公路隧道的建设有一定的实际意义。 地下高速公路互通立交处是一种相互连接的空间分布的一种隧道群结构，隧 道数量多，结构复杂，施工期间造成对土体的多次扰动，因此在修建地下互通立 交中应重点解决好以下几个问题1 ； ( 1 ) 地下互通立交的尺度规模和总体布局形式的确定。 ( 2 ) 立交区域主隧道上下层之间的合理间距。 ( 3 ) 主隧道和匝道隧道的分岔和接合方式以及相应的关键设计和施工技术。 本文以北京四纵两横快速路规划和北京地区一般性地层条件最为背景，对地 下互通立交隧道中主隧道和匝道隧道分岔部的分岔形式和相应的关键技术问题进 行研究探讨，以指导未来地下互通立交隧道的修建。 1 2研究现状 1 2 1互通式地下立交发展现状 目前，我国已经有许多城市j 下在建设或者规划地下立交工程。位于厦门市机 场路仙岳路演武大桥段的万石山隧道下穿钟鼓山隧道地下立交是我国第一座 大型地下立交互通，如图1 1 ，总共涉及到6 处平面交叉结构和4 处空间交叉结 构。在两隧道交叉处设置地下互通立交，洞内立交共有a 、b 、c 三条匝道，其中 a 、b 两匝道均与万石山隧道左线相连。通行时，钟鼓山隧道右洞的车流可顺着a 匝道下坡，上万石山隧道的左线；钟鼓山左洞的车流可顺着b 匝道下坡，同样也 可上万石隧道的左线。c 匝道进口为万石山隧道右线，出口为钟鼓山隧道右线。 厦门机场路地下互通立交平面图 图1 1 厦门机场路万石山互通立交隧道平面图 2 道左洞 重庆朝天门地下互通式立交隧道是目前国内外规划的最大型的城市地下立交 工程1 。重庆朝天门隧道按“y 字型布置，由长江隧道、嘉陵江隧道、望龙门隧 道组成，三隧道于朝天门交汇，交汇处设地下互通式立交，如图1 2 。两江隧道a 、 b 两洞连接江北区和南岸区。两江隧道a 洞经过渝中区朝天门地下时，通过匝道 a 和匝道b 实现与望龙门隧道的交通流转换。望龙门隧道c 洞和d 洞分别上跨两 江隧道a 洞和b 洞各一次，然后逐渐转化为与b 洞的平面交叉，这在结构上体现 为立交向小净距隧道的转变，然后再由小净距隧道逐渐转换为连拱隧道，最后与b 洞合为一个大断面隧道。 图l - 2 重庆朝天门互通式地下立交 大连湾海底隧道在穿越地面一条主干道时，规划将通过匝道隧道实现地下主 干隧道和地面主干道路之间的全互通立交，目前已完成该工程的可行性研究，并 对这种地上地下互通立交展开相关的科学研究。 国外方面，日本在地下立交工程方面是走在世界前沿的。日本东京都城铁环 线“山手线”距离地下4 0 m ，是一条双向四车道的高速路，全长达l l k m ，经过了 多个重要的商业中心，有效缓解了地面交通压力。目前还有多条地下高速路正在 规划中。 总之，世界各国都通过寻求发展城市地下交通工程来解决城市交通压力和环 境压力，但是互通式地下立交才刚刚起步，相关的经验还很少，目前研究要么不 是针对城市地下立交工程，缺乏特定的环境背景，要么针对单个对象的研究，缺 乏系统性。针对城市地下互通立交工程的系统研究，在国内尚需空白，因此需待 进一步的研究。 3 1 2 2互通式立交隧道关键技术研究现状 从前面的已建和正在规划的互通式地下立交工程可以看出，根据隧道与隧道 间的关系，在互通立交处可能会出现下面几结构形式，如图1 3 。 y 型分岔 平面交叉 正交 斜交 空间交叉 图1 3 互通立交处隧道关系形式 在匝道隧道和主隧道的连接处，会出现图1 3 中的平面交叉，也就是可以通过 这两种方式来实现主隧道和匝道隧道的分岔。而上下层隧道之间的关系是一种空 间上的交叉关系，也就是图1 3 中的空间交叉，有成9 0 。正交和小于9 0 。斜交两 种形式。本文的研究重点是分岔部的关键技术，所以下面介绍平面分岔中的两种 分岔形式的关键技术研究现状。 ( 1 ) y 型分岔 高等级公路隧道在展线与洞外接线受到地形、地物严格限制的情况下，常采 用连拱隧道和小间距隧道，如图1 4 ，而丫型分岔隧道则综合采用这两种隧道形式， 从连拱隧道过渡n d , 间距隧道。 连拱隧道在一些特殊地形条件下，是一种解决高等级公路展线问题很有效的 结构型式，目前连拱结构型式在福建、浙江、广东、云南、贵州、四川及湖南等 省的一些高速公路较短隧道工程中大量选用。连拱结构型式的特点是双洞间岩柱 用混凝土取代，形成双洞拱墙相连的结构型式，双洞间距很小，接线方便。徐林 生对目前连拱隧道断面、工程措施、施工方法、围岩稳定性和动态施工控制和防 排水等关键技术问题做了比较详细的介绍，给出了国内普遍采用的连拱隧道衬砌 4 支护参数f 7 1 。而国外像美国、日本、意大利等隧道修建技术比较发达的国家，也大 量采用连拱隧道，积累了比较丰富的设计施工经验。连拱隧道常用的施工方法有： 1 ) 三导洞超前施工方法，2 ) 中导洞超前施工方法，3 ) 无导洞超前施工方法。 连拱隧道 oo 图1 _ 4 并行隧道示意图 小间距隧道 由于连拱隧道施工工序复杂，施工难度大，造价高，由于其结构特点防水比 较难处理等特点，人们开始采用小间距隧道形式。小间距隧道是介于双洞分离式 隧道( 隧道间距大于l 倍洞径) 和连拱隧道之间的一种结构型式，双洞间夹岩距 离较小，一般远小于1 0 倍洞径。其特点是尽量发挥双洞中夹岩的承载作用，其施 工难度有望比连拱隧道降低，工程造价和工程质量控制也会得到改善。 日本在对小间距隧道的研究比较早。日本铁道技术学会于7 0 年代初发表了关 于平行隧道研究的报告，认为平行隧道的中心距在可以把地层看作完全弹性体 时，约为开挖宽度的两倍，而在粘土等软地层中，则为开挖宽度的五倍，并且规 定平行公路隧道的中心距为3 0 m ( 约为开挖宽度的三倍) ，国铁单线隧道的标准净距 是2 0 m 。v jj i 田等结合田真新镇干线公路上的尾山大理隧道对小间距隧道设计、开 挖方式进行了系统研究；今田辙等对硬岩中小间距隧道的断面型式、施工措施和 爆破控制进行了研究，并提出了标准断面和爆破控制标；s o f i m e ( 1 9 9 3 ) 利用平面 应变和三维有限元对小间距隧道进行了开挖模拟。 国内研究小间距隧道是于2 0 世纪8 0 年代。朱敬民等采用模型实验研究双线 隧道问题，提出了层状岩体中开挖洞室的围岩扰动范围为一椭圆形区域，其水平 长半轴为2 5 倍洞室跨度，垂直短半轴为1 5 倍洞跨；在复合式衬砌的支护下，洞 周围岩的破坏办属剪切破坏，破坏受变形控制，且始于岩体抵抗变形能力最弱的 部位，并非受力最不利的部位；两洞空间隔墙的厚度若大于2 3 m 时，在开挖时将 不会产生相互影响等重要结论。 王景春等借助某引水隧道现场测试与理论分析对比研究指出，合理的相邻隧 道中心距必须经过综合分析确定，分析隧道所处的地质条件、断面形状、现有隧 道的衬砌情况、施工方法等因素，尽可能减少不利于围岩和隧道结构稳定的方面， 通过类比初步确定间跨比，再进行分析验证，是确定最佳相邻隧道中心距的有效 5 途径。在条件不允许有较大的隧道中心距，超规范规定的情况是可行的，施工中 应尽量采作毫秒延期爆破、强支护等手段，以减小不利因素，施工过程中加强监 测，确保隧道的施工安全”一。 厦门市政建设指挥部等进行了现代城市双洞、双线隧道修建技术的研究， 采用二维及三维有限元小线间距的围岩稳定性分析，与施工技术研究，提出了城 市双线隧道最小净距的参考值，普遍较规范值有较大缩小，这是迄今国内在间距 优化上的较大突破”一。 表1 1 城市双线小间距隧道最小净距建议值 嗣岩级别i ii i i v 净i l ! ( m ) o 5 b ( 0 5 - 1 0 ) b( 1 0 1 5 ) b ( 1 5 - 2 0 ) b 注：表中b 为隧道净跨。 唐仪兴等对京珠国道沿线近距离双隧道开挖与支护过程，使用平面和三维粘 弹塑性有限元方法进行了数值模拟，分析对比了围岩与支护结构的受力、变形及 塑性、受拉区的演化状况，对围岩一支护体系的稳定性进行了评价，用数值分析 方法提出了双洞间距压缩的可能性”。 刘艳青、钟世航等以宁波招宝山隧道为依托，进行了“并行隧道超小净距工 技术研究 ，并在i i i 、级围岩净距3 5 - - 4 2 m 下取得了成功，其总结的诸多安全 措施对小净距隧道有重要参考价值”一。 吴焕通采用平面弹塑性有限元程序对广州地铁2 号线间距仅0 8 5 m 的双洞区 间隧道的施工进行模拟分析，通过5 种开挖工法的模拟，并考虑中隔土体注浆与 未注浆对隧道稳定的影响，以推荐合理的施工方法一。 从国内双洞小间距隧道的研究看，主要始于上世纪8 0 年代，近几年形成热 点，主要研究方法以数值分析为主，开展了少量模型实验和监控量测的工作，这 些方法和成果，尤其是工程实践，为隧道间距优化与施工技术研究积累了丰富的 资料，打下了较好的基础。但这些研究主要都基本都集中在双线公路隧道上和地 铁上，即双洞跨度是一样的，属于对称的小间距隧道，而对出现在互通地下立交 中的主隧道和匝道隧道并行的非对称小间距隧道的研究却极少。 ( 2 ) 斜t 型分岔 目前国内外关于平面斜交隧道的研究还很少，主要集中在施工经验方面的累 积。李宏晋。关于乌鞘岭隧道斜交横通道施工方法的详细总结，为斜交隧道的施 工提供了可行的参考。刁志刚”1 结合广州某地铁横通道和主隧道交叉口的施工， 对比三种不同施工方法的优劣，提出了合理的施工方法。 6 由于隧道之问斜交的情况较少出现，目前的研究也仅限于施工方法的累积方 面，因此对这种隧道结构形式进行研究显得非常有必要。 1 3本文研究内容和研究现状 1 3 1研究内容 本文在大量调研、国内外相关成果的归纳总结和批判吸收的基础上，对互通 式地下立交的分俞形式和相关施工力学行为进行了研究。论文主要研究内容包括： ( 1 ) 互通式立交分佾形式的研究 通过调研，参考已建或正在规划的互通地下立交工程，结合相关的设计规范， 提出两种主隧道和匝道的分岔形式正面y 型分岔和侧面斜t 型分岔，并提出 了两种形式相关适用条件。 ( 2 ) 对正面y 型分岔形式的小间距施工力学行为的研究 这种形式的关键问题是非对称小间距并行隧道的施工相互影响问题，通过平 面弹塑性有限元计算，对两种不同的开挖工序和6 种不同的隧道间距下隧道开挖 的相互影响进行对比分析，提出合理的施工工序和变化规律。 ( 3 ) 对于侧面t 型斜交形式中的平面交叉隧道施工力学行为的研究 通过对平面斜交隧道进行三维弹塑性有限元数值模拟分析，得出交叉口周围 围岩和支护的变形和受力特征随匝道隧道开挖进深的变化和受影响的范围。 1 3 2研究方法 本文在进行上述研究中，综合采用了下面几种研究方法： ( 1 ) 调查研究相关文献和研究成果，将相似条件下的城市地下工程设计施工 的成功经验借鉴过来，并通过必要的论证，在满足相应规范和条件下，为所研究 的对象所用。 ( 2 ) 计算机数值模拟，通过有限元软件进行弹塑性数值模拟计算。 7 2 1引言 2 互通式地下立交隧道分岔形式研究 - - - - - - 、 图2 1 正面y 型分岔 图2 - 2 侧面斜t 型分岔 2 2分岔处大跨隧道适用条件 主隧道和匝道隧道的设计时速一般是不一样的，因此，车辆从主隧道进入匝 道隧道，或从匝道隧道进入主隧道，都有一个速度变化的过程。就和地面上的立 交桥一样，为了满足行车速度和行车安全，在车辆从主路进入匝道过程中，需要 8 要：璧翌嚣一嚣意篓然鬻裟嚣蒌 尊望兰妻差时詈蔫辜耄耋素嚣主惹喜，设罢磊薹雹墓篆；至莲主袅并嵩主，昌五 鼎恐嚣焉嚣警冀嚣豁轰荔强_ 赢 擞警骠纛豢嚣罢盖薹驻乏黼荔范 路设计时速，渐变段的长度和变速车道长厦郡胜仫硒疋厶蚶绒朋队”一 平行式变速车道 直线式变速车道 图2 - 3 变速车道示意图 2 2 1变截面段过渡方式 从图2 3 可以看出，不论采用那种形式的变速车道，整个车道宽度是在不断加 9 宽的，至少要加宽一个车道的宽度。在隧道中，如果要想加宽车道，必须通过扩 挖隧道来实现，也就是会有变截面的隧道。根据现有的工程经验，同时为了满足 上述分析中关于渐变段和变速车道长度的规定，可以通过下面几种方式来实现到 预定隧道宽度的过渡。 ( 1 ) 方式l ，如图2 4 所示。隧道直接从普通段隧道扩挖至大跨段隧道。这种 方式适用于当两者跨度相差较小的情况。如果跨度变化较大，一方面施工难度较 大，特别是从小断面往大断面开挖时；另一方面，从前面的分析中我们知道，要 满足渐变段车道和变速车道的长度规定，而渐变段和变速车道都只能设在大跨段 内，从图2 4 可以看出，会造成比较大的浪费，不经济。 普通段 大跨段 ：二：二：二二二：二二二：。 图2 _ 4 过渡方式l ( 2 ) 如图2 5 所示，方式2 和地面上公路线形一样，采用喇叭形的过渡段，这 种方式开挖难度较小，而且线形过渡比较自然、合理，不但能在过渡段满足渐变 段长度和变速车道，而且比方式1 开挖量小。但目前隧道都普遍采用复合式衬砌， 复合式衬砌的二次衬砌是预制好构件后，用衬砌台车拼装而成的，而这种过渡形 式过渡段隧道横截面是不断变化的，但衬砌台车的尺寸往往是固定的，因此无法 拼装二次衬砌。 图2 5 过渡方式2 ( 3 ) 方式3 是目前普遍采用的一种变截面隧道的过渡方式，如图2 - 6 。这种单 边错台式的过渡方式l 方面可以实现比较自然的过渡，满足渐变段和变速车道段 的要求，较方式1 开挖量小，尽管开挖量上比方式2 略大，但是在施工难度上更 小，二次衬砌的施做也比较方便，只要改变衬砌车的宽度就可以。尽管外观上没 有像方式2 那样过渡自然圆滑，但是经过简单的内部装饰也可以达到这种效果。 1 0 内部丌挖后效果图如图2 7 所示 普通段 大跨段 幽2 每过渡方式3 在图2 - 6 中方式3 变截面段是分段逐步扩大的而每段隧道的长度和和跨度 目前也没有规范可循，应该根据渐变段和变速段长度的要求，结合实际工程和地 质情况，在地质好的路段隧道长度和跨度都可以大些。而不同跨度隧道之间的跨 度变化也不宜过大，从目前国内相关经验来看，根据地质条件的不同，取l m - 25 m 为宜。广州地铁二号线公同前纪念堂区问隧道右线在某段变截面隧道段最大 扩大跨度为24 m 。图2 - 8 是厦门万石山互通立交隧道变截而段的设计，从圈中可 以看出，其跨度变化最大为2 m 。 俐2 7 锚台式变截而过渡方式现场效果蚓 厦门钟鼓山一万石山互通立交隧道变截面隧道段设计( 单位：m ) 图2 8 厦门钟鼓山万石山互通立交隧道变截面段设计 2 2 2隧道变截面处施工方法 ( 1 ) 小断面往大断面施工方法 在由小断面向大断面隧道掘进时，先在衔接面的小断面支立型钢拱架，加强 支护，以减小对围岩的扰动，克服断面变化处的应力集中。然后施工超前支护小 导管注浆，在超前支护的保护下，挑项、刷帮扩大施工断面，达到要求尺寸后最 后反向扩挖渐变段形成大断面，如图2 - 9 所示。 磊 小断面段 渐变段 大断面殷 图2 - 9 小断面往大断面开挖工法示意图 反向扩挖 ( 2 ) 大断面往小断面施工方法 在由大断面向小断面隧道掘进时，先将大断面施工到衔接面处，向掌子面初喷 5 c m 厚的混凝土以封闭围岩，施作接头墙初期支护：打砂浆锚杆，菱形布置，安 装钢筋网，喷射早强混凝土。在衔接面画出小断面隧道的开挖轮廓尺寸，开槽安 1 2 设格栅钢架。格栅钢架与接头墙砂浆锚杆焊接，最后在钢架和砂浆锚杆的保护下， 进行小断面隧道开挖，施工如图2 一l o 所示： 挖槽安装 开挖前 钢钢架 隧道 型钢钢架 图2 1 0 大断面往小断面施t 方法 2 3分岔部分岔形式与相应的适用条件 开挖后 ( 1 ) 正面y 型分岔 前面已经提到，隧道平面分岔可以采取正面y 型分岔和侧面斜t 型分岔两种 分岔方式。前面已经提到，为了满足变速车道的要求，至少需要加宽一个车道的 宽度，但隧道和地面公路毕竟不同，加宽还要考虑其他因素。 在平面上，正面y 型分岔布置图如图2 1 1 所示。主隧道先从普通双车道隧道 扩大到大跨段隧道，然后从正面直接过渡到双车道和匝道隧道。图2 1 l 中过渡段 长度和大跨段长度之和应该满足前述的渐变段和变速车道长度之和。大跨段的跨 士嗤：苦 一n q - = 主隧道 _ 一一 l一一一一一一一一_-一 过渡段大跨段：= 、 图2 1 ly 型分岔示意图 1 3 些裹窑煎厶堂塑生垃j 殳童旦迪基地e 室窑隧道盐岔丝基蛆塑 度是y 型分岔很重要的一个技术指标。大跨段分岔处断面是一个非对称的双连拱 隧道结构，如图2 1 2 所示。 h2 1 2 y 型分岔断面示意阿和j 。释实际图 从图2 - 1 2 中可以看出，人跨段的跨度由主隧道和匝道隧道的开挖跨度加上中 墙厚度。按照公路隧道设计规范( j t g d 2 0 - 2 0 0 6 ) ，对于标准的双车道隧道( 不 设紧急停车道) ，计时速为6 0 k m h 时，其最小建筑限界宽度为1 0 m ；对于单车道 的匝道隧道，设计时速为3 0 k m h 时其最小建筑限界宽度为7 m 。再加上主隧道 和匝道隧道初期支扩和一次衬砌的厚度，根据围岩实际情况和支护体系的不同， 初支和二次衬砌的总和至少为7 0 e m 。根据已有的工程施工和设计经验，钢筋混 凝土中墙的厚度为2 m 左右，因此，大跨段隧道的最小丌挖跨度为：b - 1 0 + 7 十o7 6 + 2 - 2 32 m ，建筑限界跨度为2 18 m 。厦门万石山地r 互通立交c 匝道与万石 i u 隧道的分葫部太跨段，最大挣跨为2 39 m ，实际开挖跨度为2 58 m ，为目前公路 隧道单涧丌挖跨度之最。 连拱段的长度和小间距的长度确定是这种分岔形式的一个难题，目前既没有 规范可循，而且由于互通式地下立交也刚刚起步，相关的工程经验和研究也非常 少。双连拱段中墙为钢筋混凝土，造价高，而且施工工序多，施工难度犬。小间 距段种介于分离式双洞隧道和连拱隧道之间的隧道结构形式，通过对隧道央岩 注浆和对拉锚杆来加固，安全性方面要逊于连拱段，特别是在围岩级别比较低的 情况下。所以连拱段和小间距段长度应该根据实际围岩的情况来确定，既要保证 隧道结构安全，又要达到经济台理。图2 1 3 是己建的厦门万石山互通式地下立交 分岔部各段的长度。 小净距段双连拱段变速车道段渐变段 厦门钟鼓山一万石山互通立交隧道( 单位：m ) 图2 1 3 厦门万石山隧道地下立交平面布置图 ( 2 ) 侧面斜t 型分岔 由前面的分析中我们可以看到，正面y 型分岔会出现双连拱和小间距这两种 隧道结构形式。双连拱虽然安全方面好些，但是施工工序复杂，造价高，而且防 水问题比较突出。而侧面斜t 型分岔能够避开双连拱隧道结构和小间距隧道。斜t 型分岔平面布置图如图2 1 4 所示。在分岔前，和y 型分岔一样，为了满足规范要 求，图中过渡段和变速段长度应满足渐变段和变速车道段长度要求。 王隧逗 主隧遭 l - - - - - - - 1 ，过渡段 1 心，7 变速段 图2 1 4 侧面斜t 型分岔平面布置图 如果在地面公路上，大跨段的跨度只要由原来的主隧道再加宽一个车道宽度 就行了，从大跨段隧道进入匝道隧道，车辆行驶轨迹实际上是一段小半径的圆曲 线。而车辆在曲线隧道中行驶时，视野范围是有限的。为了行车安全，必须保证 足够的视野范围，公路上把在这个视野范围叫行车视距。而行车视距又有停车视 距、会车视距、错车视距和超车视距等。因为匝道隧道一般单向车道，且设计时 速较低，只要考虑停车视距。停车视距就是指汽车行驶时，自驾驶员发现障碍物 起，到采取紧急制动措施在障碍物前安全停止所需要的最短距离，因此设计时速 1 5 越高，停车视距也就要求越大，曲线半径就要求越大。此外，在曲线隧道中，如 果车辆行驶中心线与隧道洞壁之间的距离越大，能获得的视距也就越大。隧道中， 曲线路段内侧车道上的汽车驾驶员，为取得前方视距而应保证获得的横向净空范 围叫横净距，如图2 1 5 所示。 路侧带宽度l 图2 1 5 横净距示意图 检修道宽度j 从图2 1 5 可以看出，横净距可以按式( 2 1 ) 计算， m = ( 形一曰) 2 + l + j ( 2 - 1 ) 其中，b 为车辆宽度，客车宽度b 取1 8 米，货车宽度b 取2 5 米。 此外，隧道外的公路提供了足够的侧向净距，车辆本能沿车道中心线行驶， 视点在距离左侧边线l m 的位置一。但当车辆进入隧道后，因提供的侧向净距小， 且对隧道的恐惧感和灯光等因素，驾驶人更喜离隧道墙、步行道或防撞护栏等有 一定的距离，车辆的横向位置向路中心偏移。根据调查，小型车辆的偏移幅度为 0 5 i n 1 o m ，大型车辆的偏移幅度为0 5 m 左右。偏于安全考虑，偏移距离定为0 5 m 。 所以对于右侧车辆，横净距按式( 2 2 ) 计算， m = ( 一曰) 2 + + ，+ 0 5 而左侧车辆横净距按式( 2 3 ) 计算。 m = ( 矿一曰) 2 + 三+ _ ，一0 5 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 在隧道曲线半径一定的情况下，为了获得足够的视距，可以通过增大横净距 来实现。 1 6 图2 1 6 横净距和视距的关系示意图 视距和横净距的关系如图2 1 6 所示，其中s 为视距，m 为横净距，r 为隧道 曲线半径。口为曲线转角。从图中的几何关系可以得到横净距和视距的关系公式， 如公式( 2 4 ) 【2 3 埘】： 1 - c o s 2 - - 妥- 4 ， 其中，由c o s 口的泰勒公式展开式，有 ：一生+尘_+!二!：竺：s：一生+生+!二!：竺：(2-5cos5 15 12 ) = 一+ 一+ 二二一c o s = 一+ 一+ 二二一 j 2141 ( 2 ，z ) 1 2141 ( 2 刀) ! 代入式( 2 4 ) ，推导简化可得式( 2 6 ) ： 。 s 2 k = 一 8 m ( 2 6 ) 式( 2 3 ) 比式( 2 1 ) 大0 3 0 5 m ，误差较小，在可以忽略的范围内。 若主隧道和匝道以角度5 相交，假设从主隧道进入匝道隧道的车辆轨迹为由 一段与匝道隧道线路中心线和主隧道变速车道中心线相切的圆弧，如图2 1 7 。图 中，b 为匝道隧道净跨。由图中的几何关系，可以得到曲线半径r 和匝道净跨b 和主隧道和匝道交角之间的关系式，见式( 2 7 ) ： 1 7 r = 弘耐刳 ( 2 7 ) 由式( 2 7 ) 和式( 2 6 ) 联立，可以得到横净距m 与视距、主隧道和匝道隧道交 角、匝道隧道净跨之间的关系，如式( 2 8 ) 。 图2 1 7 隧道交叉示意图 ( 2 8 ) 从式( 2 5 ) 可以知道，在视距s 一定的情况下，如果匝道净跨越大，主隧道 和匝道的交角越小，横净距m 就可以越小，主隧道加宽也就可以越小。可以通过 式( 2 8 ) 得到在相应条件下的横净距，再由式( 2 2 ) 、式( 2 3 ) 计算出车道宽度， 最后计算出主隧道加宽值。对于单车道匝道，净空跨度为7 5 m 。当匝道设计时速 为3 0 k m h 时，视距为3 0 m ；若主隧道和匝道交角为6 0 。，需要横净距6 2 5 m ，当 交角为4 5 。时，需要横净距4 2 m ，而相应隧道的最大净跨度分别为2 0 5 m 和 1 8 4 5 m ，加上支护结构的厚度，最终开挖跨度为2 1 9 m 和1 9 8 5 m 。 侧面斜t 型分俞处隧道最大开挖跨度要比正面y 型分岔要略小，且能够避开 造价高的双连拱隧道。但交叉口的施工难度比较大，受力情况比较复杂。 1 8 柄 2 4本章小结 本章通过调查研究和工程类比，结合公路隧道设计规范( j t gd 2 0 2 0 0 6 ) 和公路路线设计规范( j t gd 7 0 2 0 0 4 ) ，研究了互通式地下立交分岔部的两种 分岔形式和适用条件。互通式立交主隧道和匝道隧道分岔部可以采用正面y 型分 岔和侧面斜t 型分岔两种形式，为了满足行车速度和行车安全，这两种形式都需 要对主隧道进行加宽，加宽值也和各自的结构形式有关。综合考虑适用条件、施 工难度和经济效益，隧道的加宽过渡方式采用单边错台式的加宽方式比较合理。 1 9 3 隧道数值模拟基本理论 3 1隧道数值模拟基本理论 3 1 1有限元分析过程 隧道及地下工程的设计理论和方法经历了一个相当长的发展过程。早在1 9 世 纪初期，隧道地下工程( 包括地下洞室) 多以砖石作为初砌，用木支撑的分部开挖施 工。随着科学技术发展，出现了温克尔( e w i n k l e r ) 局部变形理论、连续介质模型、 弹性力学等方法。2 0 世纪6 0 年代，计算机技术的发展和岩土本构方程的提出，使 隧道及地下工程结构设计进入了以有限元为主的数值模拟分析时代。 有限元法在数值分析中通过下面的步骤来实现卜一： 第一步，离散结构 结构的离散化是有限元法的基本概念，是有限元方法的第一步。具体是指把 将要进行分析的结构物分割成有限个单元体，并在单元的指定地点设相关节点， 这样，相邻单元的有关参数就具有一定的连续性。把所有的单元集合起来，用这 个集合体来取代原来的结构。如果分析的对象是连续体，那么为了有效地逼近实 际的连续体，就需要考虑选择单元的形状和分割方案以及确定单元和节点的数目 问题。 第二步，确定位移模式 结构离散后，就可以对结构的典型单元进行特性分析。为了能够利用节点位 移表示单元体的位移、应力和应变，在分析连续体问题时，必须对单元位移做出 一定的假定，也就是假定位移是坐标的某种简单的函数，这种函数称为位移模式 或插值函数。选择适当的位移函数是有限元法分析中的关键。选择位移函数一般 用多项式表示，因为多项式的数学运算( 微分和积分) 比较方便，并且由于所有 光滑函数的局部，都可以用多项式逼近，得到理想的结果。在选择位移模式时， 应该注意以下事项： 多项式项数应该等于单元的自由度数： 多项式阶次应包含常数项和线性项； 单元自由度应等于单元节点独立位移的个数。 通常根据选定的位移模式，就可以导出用节点位移表示单元内任一点的位移 关系式，其矩阵形式是： f ) = 【】 万 。 ( 3 一1 ) 式中， f ) 是单元内任一点的位移列阵； 万 。是单元的节点位移列阵；【】是 单元的形函数矩阵。 第三步，分析单元的力学特性 这主要包括以下的内容： 利用几何方程，由位移表达式( 3 1 ) 导出节点位移表示单元应变的关系式： = 吲。 ( 3 2 ) 式中， 占 是单元内任一点的应变列阵；【b 】为单元应变矩阵。 利用本构方程，由应变的表达式导出节点位移表示单元应力的关系式： 盯) = 【d 】吲 万 。 ( 3 3 ) 式中， 仃) 为单元内任一点的应力矩阵：【d 】为与材料有关的弹性矩阵。 利用变分原理，建立单元的平衡方程： ，) 。= 【后】。 艿) 。 式中，【尼】。为单元的刚度矩阵，其表达式为： 时= 肌曰】7 d b d x d y d z ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) 集合单元平衡方程，建立整个结构的平衡方程。 这个过程主要包括单元刚度矩阵的几何和单元等效节点力列阵的集合。一般 来说，集合依据的理由是要求所有相邻单元在公共节点处的位移相等。那么，整 个结构的平衡方程式就可以表示为： k ) = f ) ( 3 6 ) 这些方程还应该考虑集合边界条件作适当的修改之后，才能够解出所有的未 知节点位移。 第五步，求解未知节点位移和计算单元应力。 由集合起来的平衡方程式( 3 1 ) 求出未知位移。 第六步，计算单元应力 具体是指利用式( 3 - 6 ) 和已经求出的节点位移计算各单元的应力，并加以整 2 1 理得出所要的结果。 3 1 2围岩模型 岩土体的力学模型以连续介质力学为主。由于岩土材料的特殊性，其本构特 征与连续介质又不完全一样，一般金属材料不具有塑性体积应变，但对土体来说， 不仅存在塑性体积应变，有时塑性体积应变的值甚至超过弹性体积应变，其原因 在于土粒间的错动使孔隙率降低，卸荷后孔隙不能再恢复，在宏观上体现为塑性 应变。导致塑性应变的力可以是压应力也可以是剪应力，剪应力对土体所产生的 变形情况较为复杂，对软土和松砂表现为剪缩，密实砂常导致剪胀。硬化和软化 是岩土体材料的另一重要特征这与岩土的成因、成分等有关，另一影响因素是应 力状态，尤其是中主应力土体的硬化或软化性有明显的影响。 在实际应用中，经常采用的力学模型有弹性模型、弹塑性模型、粘弹塑模型 等。下面介绍常用于模拟围岩的弹性和弹塑性模型。 ( 1 ) 弹性模型 在弹性模型中，最简单的是弹性模型，仅涉及两个计算参数e 、p ，但计 算结果与岩土的实际情况相差较大，只有当计算对象为整体性的硬岩才有效。 另一类为非线性模型，即在弹性矩阵 d 】中的弹性系数e 、i l 是随应力状态而变 化的变量，其确定方法常依据三轴试验的结果，采用切线法确定，对土样试验 来说这种描述法是近似的。 ( 2 ) 弹塑性模型 对土体而言，较为著名的模型是剑桥模型，在剑桥模型的基础上，又提出了 修正的剑桥模型，能较好地反映剪缩性，但不能反映剪胀。还有其他形式的模型， 如l a d e 模型、双剪模型、椭圆一抛物线双屈服面模型、空间准滑面模型等，各有 针对性及特点，也都是依据室内试验而建立起的相关模型，在实用中总会遇到各 自不同的问题，尤其是模型中的参数，常常难以测定而又直接影响计算结果。所 以目前工程界在计算中常选择理想弹塑性模型和摩尔一库仑屈服准则，其原因有模 型简单、涉及到的参数大多可以通过常规试验获得等。 随着计算机的发展，数值分析法被广泛应用于计算及分析隧道承重结构以及 岩体的应力状态。力法包括有限元法、边界元法、无限元法、离散元法等，其中 以有限元应用最为广泛，它的优点在于在分析岩体的应力时，可以考虑岩体的非 线性、弹塑性及破坏特征，可以模拟不同岩层特性下非圆形开挖面、不同开挖过 程等。目前己有诸如a n s y s 、m i d a s g t s 、3 d s i g m a 、f l a c 3 d 、m a r c 、a b a q u s 、 s u p e rs u p 等大型商业计算软件可用于隧道分析。 在上述商业软件的使用中，数值分析的主要内容包括：弹性、弹塑性、粘弹塑 性等方面，不仅可以分析连续介质，有些学者还提出了央层单元、节理单元等模 型，用以模拟岩体内部的夹层、节理、裂隙等不连续面。简单的隧道分析主要是 按平面应变问题考虑的，随着计算机和计算技术的发展，三维立体分析已经成为 可能。通过三维分析较真实地模拟隧道的开挖和围岩应力的释放过程，了解在各 种施工步骤下围岩的动态响应，预测围岩的变形及可能出现的险情，达到优化设 计、指导施工，保证安全的目的，因而得到了广泛的应用。 3 1 3地应力的模拟 对于地下结构而言，自重应力是主要的应力场，也是最不利的应力场。数值 模拟中一般只考虑自重应力来模拟围岩原始地应力，如图3 1 所示。最大主应力q 方向为垂直方向，其量值由埋深确定，计算式为： q = 0 r y = y h ( 3 - 7 ) 式中，7 为围岩重度，h 为埋深。最小主应力为水平方向，计算式为： 0 - 2 = 吒= 2 0 y = a y h 式中，五为侧土压力系数。 ( 3 8 ) x x x 图3 - 2 荷载释放示意图 为了简化施工阶段分析，导入了荷载释放系数的概念。这是为了模拟很多的 施工阶段中单元依次变化的顺序而采用的简化的数值分析方法。例如将三维模型 2 4 简化为二维模型，或者将三维模型的施工阶段简化减少施工阶段时，一般使用荷 载释放系数模拟删除单元后各施工阶段的效果