一種淺埋大跨城市隧道扁平率確定方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于城市隧道地下工程力學分析技術領域，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】
[0002] 隨著我國城市化進程的快速發展，為完善城市道路路網、緩解城區地面交通的擁 堵壓力，國內各大城市的地下道路建設正在興起。據不完全統計，上海目前在建及已建的城 市地下道路多達16條，是國內修建地下道路最多的城市。根據《北京市總體規劃（2004年一 2020年）》，北京市中心區的快速路應該構成一個整體的網絡體系。地下快速通道系統是該 體系的重要組成部分，兩橫四縱的地下道路路網骨架據此而產生。為利用地下道路完善北 京市路網系統，2009年北京市進一步對地下道路項目進行了梳理，并組織專家論證，初步確 定沿東、西二環等7項地下道路工程作為近期啟動項目。
[0003] 為緩解日益突出的交通擁堵問題，城市地下道路即將迎來建設高潮。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生。分岔隧道是一類由大拱段、 連拱段和小凈距段共同構成的組合隧道型式。其中大拱段具有超大的開挖斷面特征，圍巖 應力變化和圍巖與結構相互作用關系復雜。大拱段隧道斷面面積大，就拿單洞四車道公路 隧道來說，凈斷面面積通常都大于220m 2。當車道數增加的時候，隧道開挖跨度也隨之增大， 在施工過程中，如果采用一般雙車道公路隧道設計方法設計斷面時，將會造成較大的空間 浪費，斷面的利用率會隨之降低，從一定程度上來說會造成施工不經濟，因此，大拱段隧道 一般情況下會設計成扁平形狀。
[0004] 隧道扁平率是指隧道高度與跨度的比值。隧道在斷面尺寸設計時，在保證建筑限 界的基礎上，盡量減小拱頂高度，減小限界以上多余凈空，減少土方開挖，進而節約工程造 價，此時需要減小扁平率，但扁平率的降低會造成隧道穩定性降低，結構受力更加不利，帶 來安全隱患。因此，如何在保證結構安全的同時降低工程造價，選擇合適的扁平率則成為研 究的重點。曾中林開展了關于單拱四車道公路隧道斷面設計優化的研究，采用層次分析法 對大斷面隧道進行多目標優化，綜合考慮隧道經濟性和穩定性，得到結論是，寬度為24m的 隧道扁平率為0. 53的斷面優于扁平率為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數值軟件模擬分析了不同扁平率對隧道斷面 的力學特征影響規律，研究結果表明，扁平率過小將導致圍巖塑性區大、拱頂下沉、邊墻應 力集中嚴重等現象；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法，從經濟和穩定性角度出發，綜合考慮開挖面積、拱腳 應力集中、豎向收斂、噴射混凝土和襯砌工作量，得到結論是，寬度為20m的隧道，扁平率為 0. 63的隧道斷面優于扁平率0. 50、0. 55和0. 65的斷面。陳衛忠，王輝，田洪銘等采用大型 有限元分析軟件ABAQUS研究5種扁平率下隧道結構的穩定性和變形破壞情況，運用層次分 析法對開挖面積、水平位移、地表沉降和拱頂下沉等目標值進行優化，隧道設計開挖寬度為 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為最優的。顧洪源 以雙洞8車道隧道工程為背景，通過數值模擬及理論分析，對斷面扁平率和間距進行優化 研究，結果表明，在不考慮其它因素時，對于單洞開挖跨度為21m的隧道，斷面高寬比為2. O 時比較理想，隧道位移及應力分布較好；對考慮行車建筑限界等因素的實際工程，高寬比為 0. 6333是合理的。蔣樹屏，張丙強，于海龍，謝東武和李順達也曾討論了超大跨隧道的斷面 形狀優化問題。
[0005] 我國城市地下道路隧道的出現和研究起步較晚，再加上它具備地質條件差，周圍 環境限制因素多，結構形式及其受力特性更趨復雜等特點，目前還沒有較明確的規范，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需求的發展。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，增強圍巖的穩定性，從經濟上和安全上能 夠達到統一 ]。本發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， 利用FLAC3D有限差分軟件進行數值分析，得到5種扁平率條件下結構的收斂變形、地表沉 降、結構受力以及塑性區變化規律，并提出評價圍巖穩定性的破壞嚴重度方法；然后采用層 次分析法對分岔隧道大拱段斷面形式進行方案比選，最終提出合理的扁平率，從而為相應 隧道支護設計提供參考。
【發明內容】
[0006] 本方法基于層次分析法進行分析，層次分析法首先把問題層次化，將決策問題按 總目標、各層子目標、評價準則直至具體的備投方案的順序分解為不同的層次結構，構成一 個多層次的分析結構模型，分為最低層（供決策的方案、措施等）、中間層（準則或指標層） 和最高層（目標層）。層次分析法比較適合于具有分層交錯評價指標的目標系統，而且目標 值又難于定量描述的決策問題。其用法是構造判斷矩陣，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應的特征向量W，歸一化后，即為某一層次指標對于上一 層次某相關指標的相對重要性權值；最后再用加權和的方法得到備選方案對總目標的最終 權重，權重最大者即為最優方案。因此，層次分析法主要應用于相對最高層（總目標）的相 對重要性權值的確定或相對優劣次序的排序問題。
[0007] -種淺埋大跨城市隧道扁平率確定方法，扁平率優化流程主要包括以下幾個步 驟。
[0008] (1)計算模型建立與求解
[0009] 根據工程地質勘察結果將工程所在地層的地質條件分層概化；根據工程經驗類比 和規劃設計建筑限界要求等確定備選斷面扁平率；根據文獻調研結合室內試驗確定地層與 支護的物理力學參數，為數值模擬奠定基礎；采用數值分析軟件建立網格模型，模擬扁平率 條件下隧道施工過程，求解地層與支護結構的力學響應。
[0010] (2)目標函數與計算結果提取
[0011] 根據淺埋大跨城市隧道建設安全性、經濟性和環境影響控制的要求，提出包括隧 道開挖面積、地表沉降、拱頂沉降、水平位移、支護拉應力、塑性區面積和破壞嚴重度在內的 7項優化目標函數，并根據數值模擬結果，獲得各扁平率條件下的目標函數值。
[0012] ⑶基于層次分析法的優化
[0013] 層次分析法的計算流程主要包括建立遞階層次結構模型、構造成對比較的判斷矩 陣、層次單排序及其一致性檢驗，以及層次綜合排序及其一致性檢驗4個步驟。
[0014] 具體而言，所述數值模型建立與求解包括如下步驟，
[0015] SI. 1城區地質條件分層概化
[0016] 通過對城區地質情況的地質勘察，確定整個地區地層層序。
[0017] SL 2計算工況與參數
[0018] 根據城市地下道路地質條件，結合提供的隧道斷面形態以及隧道斷面的開挖特 點，設定扁平率的變化范圍。
[0019] 設定地層均為理想彈塑性材料，且滿足摩爾庫侖屈服準則，確定兩個水平方向的 地層側壓力系數后采用物理力學參數取值。
[0020] SI. 3模型網格與施工過程
[0021] 針對城市地下道路分岔隧道大拱段，采用FLAC3D軟件建立三維模型，根據圣維南 原理和實際需要進行模型網格劃分。
[0022] 所述目標函數與計算結果提取包括如下步驟，
[0023] S2. 1圍巖破壞嚴重度的定義與計算
[0024] 1)破壞嚴重度的提出
[0025] 塑性區是判斷地層穩定性的常用指標，但是僅僅采用塑性區判斷地層穩定性具有 較大的局限性，一方面無法給出塑性區內地層的破壞嚴重程度，另一方面無法評價非塑性 區的近接屈服程度。為利用塑性區去評價地層的穩定性，考慮Mohr應力圓應力路徑和圓心 移動的影響，重新定義基于Mohr-Coulomb準則的屈服接近度如式（1)~（4)所示。
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