一種淺埋大跨城市隧道扁平率確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于城市隧道地下工程力學(xué)分析技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種淺埋大跨城市隧 道扁平率確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，為完善城市道路路網(wǎng)、緩解城區(qū)地面交通的擁 堵壓力，國(guó)內(nèi)各大城市的地下道路建設(shè)正在興起。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，上海目前在建及已建的城 市地下道路多達(dá)16條，是國(guó)內(nèi)修建地下道路最多的城市。根據(jù)《北京市總體規(guī)劃（2004年一 2020年）》，北京市中心區(qū)的快速路應(yīng)該構(gòu)成一個(gè)整體的網(wǎng)絡(luò)體系。地下快速通道系統(tǒng)是該 體系的重要組成部分，兩橫四縱的地下道路路網(wǎng)骨架據(jù)此而產(chǎn)生。為利用地下道路完善北 京市路網(wǎng)系統(tǒng)，2009年北京市進(jìn)一步對(duì)地下道路項(xiàng)目進(jìn)行了梳理，并組織專家論證，初步確 定沿東、西二環(huán)等7項(xiàng)地下道路工程作為近期啟動(dòng)項(xiàng)目。
[0003] 為緩解日益突出的交通擁堵問(wèn)題，城市地下道路即將迎來(lái)建設(shè)高潮。作為連接地 面交通的紐帶，分岔隧道將隨城市地下道路的修建而大量產(chǎn)生。分岔隧道是一類由大拱段、 連拱段和小凈距段共同構(gòu)成的組合隧道型式。其中大拱段具有超大的開(kāi)挖斷面特征，圍巖 應(yīng)力變化和圍巖與結(jié)構(gòu)相互作用關(guān)系復(fù)雜。大拱段隧道斷面面積大，就拿單洞四車道公路 隧道來(lái)說(shuō)，凈斷面面積通常都大于220m 2。當(dāng)車道數(shù)增加的時(shí)候，隧道開(kāi)挖跨度也隨之增大， 在施工過(guò)程中，如果采用一般雙車道公路隧道設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)斷面時(shí)，將會(huì)造成較大的空間 浪費(fèi)，斷面的利用率會(huì)隨之降低，從一定程度上來(lái)說(shuō)會(huì)造成施工不經(jīng)濟(jì)，因此，大拱段隧道 一般情況下會(huì)設(shè)計(jì)成扁平形狀。
[0004] 隧道扁平率是指隧道高度與跨度的比值。隧道在斷面尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，在保證建筑限 界的基礎(chǔ)上，盡量減小拱頂高度，減小限界以上多余凈空，減少土方開(kāi)挖，進(jìn)而節(jié)約工程造 價(jià)，此時(shí)需要減小扁平率，但扁平率的降低會(huì)造成隧道穩(wěn)定性降低，結(jié)構(gòu)受力更加不利，帶 來(lái)安全隱患。因此，如何在保證結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)降低工程造價(jià)，選擇合適的扁平率則成為研 究的重點(diǎn)。曾中林開(kāi)展了關(guān)于單拱四車道公路隧道斷面設(shè)計(jì)優(yōu)化的研究，采用層次分析法 對(duì)大斷面隧道進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，綜合考慮隧道經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，得到結(jié)論是，寬度為24m的 隧道扁平率為0. 53的斷面優(yōu)于扁平率為0. 45和0. 60的斷面。曾宜江、楊小禮以廣州龍頭 山單拱四車道公路隧道為背景，采用FLAC2D數(shù)值軟件模擬分析了不同扁平率對(duì)隧道斷面 的力學(xué)特征影響規(guī)律，研究結(jié)果表明，扁平率過(guò)小將導(dǎo)致圍巖塑性區(qū)大、拱頂下沉、邊墻應(yīng) 力集中嚴(yán)重等現(xiàn)象；寬度為20. 5m單拱四車道公路隧道扁平率控制在0. 61~0. 63較為合 理。曾宜江采用層次分析法和熵權(quán)法，從經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定性角度出發(fā)，綜合考慮開(kāi)挖面積、拱腳 應(yīng)力集中、豎向收斂、噴射混凝土和襯砌工作量，得到結(jié)論是，寬度為20m的隧道，扁平率為 0. 63的隧道斷面優(yōu)于扁平率0. 50、0. 55和0. 65的斷面。陳衛(wèi)忠，王輝，田洪銘等采用大型 有限元分析軟件ABAQUS研究5種扁平率下隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和變形破壞情況，運(yùn)用層次分 析法對(duì)開(kāi)挖面積、水平位移、地表沉降和拱頂下沉等目標(biāo)值進(jìn)行優(yōu)化，隧道設(shè)計(jì)開(kāi)挖寬度為 18. 65m，提出在扁平率為0. 53、0. 55、0. 57、0. 59和0. 61中扁平率0. 59為最優(yōu)的。顧洪源 以雙洞8車道隧道工程為背景，通過(guò)數(shù)值模擬及理論分析，對(duì)斷面扁平率和間距進(jìn)行優(yōu)化 研究，結(jié)果表明，在不考慮其它因素時(shí)，對(duì)于單洞開(kāi)挖跨度為21m的隧道，斷面高寬比為2. O 時(shí)比較理想，隧道位移及應(yīng)力分布較好；對(duì)考慮行車建筑限界等因素的實(shí)際工程，高寬比為 0. 6333是合理的。蔣樹(shù)屏，張丙強(qiáng)，于海龍，謝東武和李順達(dá)也曾討論了超大跨隧道的斷面 形狀優(yōu)化問(wèn)題。
[0005] 我國(guó)城市地下道路隧道的出現(xiàn)和研究起步較晚，再加上它具備地質(zhì)條件差，周圍 環(huán)境限制因素多，結(jié)構(gòu)形式及其受力特性更趨復(fù)雜等特點(diǎn)，目前還沒(méi)有較明確的規(guī)范，仍處 于邊施工邊探索的研究階段，理論研究滯后于工程建設(shè)需求的發(fā)展。合理的隧道斷面有利 于提高隧道空間的使用率，滿足隧道的受力狀態(tài)，增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性，從經(jīng)濟(jì)上和安全上能 夠達(dá)到統(tǒng)一 ]。本發(fā)明方法依托城市地下道路分岔隧道，以確定大拱段合理扁平率為目標(biāo)， 利用FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值分析，得到5種扁平率條件下結(jié)構(gòu)的收斂變形、地表沉 降、結(jié)構(gòu)受力以及塑性區(qū)變化規(guī)律，并提出評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性的破壞嚴(yán)重度方法；然后采用層 次分析法對(duì)分岔隧道大拱段斷面形式進(jìn)行方案比選，最終提出合理的扁平率，從而為相應(yīng) 隧道支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本方法基于層次分析法進(jìn)行分析，層次分析法首先把問(wèn)題層次化，將決策問(wèn)題按 總目標(biāo)、各層子目標(biāo)、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則直至具體的備投方案的順序分解為不同的層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)成一 個(gè)多層次的分析結(jié)構(gòu)模型，分為最低層（供決策的方案、措施等）、中間層（準(zhǔn)則或指標(biāo)層） 和最高層（目標(biāo)層）。層次分析法比較適合于具有分層交錯(cuò)評(píng)價(jià)指標(biāo)的目標(biāo)系統(tǒng)，而且目標(biāo) 值又難于定量描述的決策問(wèn)題。其用法是構(gòu)造判斷矩陣，然后用求解判斷矩陣特征向量的 辦法，求出其最大特征值及其所對(duì)應(yīng)的特征向量W，歸一化后，即為某一層次指標(biāo)對(duì)于上一 層次某相關(guān)指標(biāo)的相對(duì)重要性權(quán)值；最后再用加權(quán)和的方法得到備選方案對(duì)總目標(biāo)的最終 權(quán)重，權(quán)重最大者即為最優(yōu)方案。因此，層次分析法主要應(yīng)用于相對(duì)最高層（總目標(biāo)）的相 對(duì)重要性權(quán)值的確定或相對(duì)優(yōu)劣次序的排序問(wèn)題。
[0007] -種淺埋大跨城市隧道扁平率確定方法，扁平率優(yōu)化流程主要包括以下幾個(gè)步 驟。
[0008] (1)計(jì)算模型建立與求解
[0009] 根據(jù)工程地質(zhì)勘察結(jié)果將工程所在地層的地質(zhì)條件分層概化；根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)類比 和規(guī)劃設(shè)計(jì)建筑限界要求等確定備選斷面扁平率；根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)確定地層與 支護(hù)的物理力學(xué)參數(shù)，為數(shù)值模擬奠定基礎(chǔ)；采用數(shù)值分析軟件建立網(wǎng)格模型，模擬扁平率 條件下隧道施工過(guò)程，求解地層與支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。
[0010] (2)目標(biāo)函數(shù)與計(jì)算結(jié)果提取
[0011] 根據(jù)淺埋大跨城市隧道建設(shè)安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境影響控制的要求，提出包括隧 道開(kāi)挖面積、地表沉降、拱頂沉降、水平位移、支護(hù)拉應(yīng)力、塑性區(qū)面積和破壞嚴(yán)重度在內(nèi)的 7項(xiàng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，獲得各扁平率條件下的目標(biāo)函數(shù)值。
[0012] ⑶基于層次分析法的優(yōu)化
[0013] 層次分析法的計(jì)算流程主要包括建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造成對(duì)比較的判斷矩 陣、層次單排序及其一致性檢驗(yàn)，以及層次綜合排序及其一致性檢驗(yàn)4個(gè)步驟。
[0014] 具體而言，所述數(shù)值模型建立與求解包括如下步驟，
[0015] SI. 1城區(qū)地質(zhì)條件分層概化
[0016] 通過(guò)對(duì)城區(qū)地質(zhì)情況的地質(zhì)勘察，確定整個(gè)地區(qū)地層層序。
[0017] SL 2計(jì)算工況與參數(shù)
[0018] 根據(jù)城市地下道路地質(zhì)條件，結(jié)合提供的隧道斷面形態(tài)以及隧道斷面的開(kāi)挖特 點(diǎn)，設(shè)定扁平率的變化范圍。
[0019] 設(shè)定地層均為理想彈塑性材料，且滿足摩爾庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則，確定兩個(gè)水平方向的 地層側(cè)壓力系數(shù)后采用物理力學(xué)參數(shù)取值。
[0020] SI. 3模型網(wǎng)格與施工過(guò)程
[0021] 針對(duì)城市地下道路分岔隧道大拱段，采用FLAC3D軟件建立三維模型，根據(jù)圣維南 原理和實(shí)際需要進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分。
[0022] 所述目標(biāo)函數(shù)與計(jì)算結(jié)果提取包括如下步驟，
[0023] S2. 1圍巖破壞嚴(yán)重度的定義與計(jì)算
[0024] 1)破壞嚴(yán)重度的提出
[0025] 塑性區(qū)是判斷地層穩(wěn)定性的常用指標(biāo)，但是僅僅采用塑性區(qū)判斷地層穩(wěn)定性具有 較大的局限性，一方面無(wú)法給出塑性區(qū)內(nèi)地層的破壞嚴(yán)重程度，另一方面無(wú)法評(píng)價(jià)非塑性 區(qū)的近接屈服程度。為利用塑性區(qū)去評(píng)價(jià)地層的穩(wěn)定性，考慮Mohr應(yīng)力圓應(yīng)力路徑和圓心 移動(dòng)的影響，重新定義基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的屈服接近度如式（1)~（4)所示。
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