偏压连拱隧道断面形式优化研究

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1、偏压连拱隧道断面形式优化研究邓琦1秦水祥2熊汉江3（1、江西省公路管理局景婺黄高速公路管理处江西景德镇333000）(2、江西省公路管理局交通工程公司江西南昌330002)(3、江西省吉安市公路管理局安福公路分局江西安福343200)摘要：以景婺黄（常）高速公路白洋冲一号隧道为优化对象，在满足建筑界限、通风以及受力安全的基础上，建立了偏压连拱隧道的断面形式优化模型，优化结果表明该优化模型对降低工程造价具有一定的理论价值及实际工程意义。关键词：隧道工程；连拱隧道；偏压；断面形式；优化模型0前言从已有经验看，与传统设计相比，用优化设计可以使土建工

2、程造价降低5%～30%。优化设计能最合理地利用材料的性能，使结构内部各单元得到最好的协调，并具有规范所规定的安全度。同时，它还可为整体性方案设计进行合理的决策，优化设计是实现设计的最终目标：—实用、安全和经济的有效途径。目前国内隧道工程界建立了以开挖面积最小为目标函数，以满足限界、通风、受力等要求为约束条件的优化模型，并采用简易复形法对其进行了求解[1-4]。目前对于偏压连拱隧道断面形式的设计，一般采取左右对称的断面形式。偏压连拱隧道单洞内轮廓一般采用单心圆、二心圆和三心圆3种断面形式。目前已有研究人员对坦三心圆、尖三心圆和单心圆进行了优化研

3、究，并在优化计算程序中用典型的矩阵位移法对选出的方案做了内力检算，最后得出单心圆断面几何尺寸简单且内轮廓净面积较小受力较好，施工方便，推荐此方案[5]。因此，本文对单心圆的复合式曲中墙连拱隧道断面形式进行优化研究。1优化理论1.1偏压连拱隧道断面形式优化的基本原则在偏压连拱隧道断面形式的几何设计中，主要就是根据给定的建筑限界确定隧道的净空形状，也就是选定结构的内轮廓线。因此，偏压连拱隧道断面形式优化的基本原则就是隧道建筑限界的确定，保证隧道限界边界的任何点均在内轮廓线内。隧道建筑限界是为保证隧道内各种交通的正常运行与安全，而规定在一定宽度和高

4、度范围内不得有任何障碍物的空间限界。在设计中，应根据行车道与公路设施之间的空间关系及受力要求等条件，使任何部件（包括隧道本身的通风、照明、安全、监控及内装等附属设施）均不得侵入隧道建筑限界之内。另外，隧道内轮廓还应考虑通风、照明、安全、监控等内部装修设施所必需的富余量，并根据施工方法（传统矿山法或新奥法）确保断面形状及尺寸有利于隧道的稳定。从经济观点出发，内轮廓线又应尽量减小隧道的体积，使土石开挖量与圬工砌筑量为最少。因此，内轮廓线一般紧贴限界，但又不能如限界般曲折，要平顺圆滑，以使结构在受力及围岩稳定方面均处于有利条件。总之，内轮廓线应最大

5、限度地保证确定后的断面形式及尺寸安全、经济、合理。1.2偏压连拱隧道断面形式优化的基本原理1.2.1目标函数目标函数是评价设计方案好坏的标准，一般来说，目标函数可以表示为问题变量的解析表达式。目标函数可以是一个，也可以是多个，但应尽量使目标函数的数目少一些。对于隧道断面形状的优化，显然应以洞室开挖断面积最小作为目标函数，实际计算考虑到内轮廓形状直接影响到隧道的开挖量。故采用内轮廓所包围面积最小为目标函数：（1）式中：S-内轮廓线内开挖断面面积X-与内轮廓形状有关的参数1.2.2独立变量在一个最优化设计问题中，变量是影响设计质量的可变参数。变量

6、太多，将使问题变得十分复杂，而变量太少，则设计的自由度少，优化的程度就差，甚至得出不符合实际的结论，所以要结合具体问题，在满足设计要求的前提下，合理地选择变量，使问题尽量简化。1.2.3约束条件约束条件包括以下3个方面：①建筑限界控制点：为满足限界要求，内轮廓线至少应将隧道建筑限界完全包容在内，保证限界边界的任何点均在内轮廓线内。②通风面积：内轮廓线净高在应能满足隧道建筑限界净高要求的此基础上，还应考虑通风要求。隧道的净空断面受通风方式的影响很大，在选择通风方式时，首先需要决定隧道内所需的通风量，然后讨论自然通风和交通风能否满足需要。③受力要

7、求：内轮廓形状除受到上述约束条件的限制外，还受到受力要求的限制，即对设计出的衬砌断面进行强度检算时，偏心及安全系数均应满足规范要求。根据以上思路和鉴于偏压连拱隧道大多采用单心圆分层曲中墙对称断面的现状，下面以连拱隧道单心圆断面方案进行优化选型。1.3偏压连拱隧道断面形式优化方法的确定1.3.1基本几何方程单心圆的内轮廓形状如图1所示。与内轮廓线有关的参数有：R1、A1、、R2、A2、、R3、、a、b、h、d0、d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8、hz、qz。这些参数并不是完全独立的，它们之间存在下列几何关系：图1连拱隧道单心圆内轮

8、廓线（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）（11）（12）（13）（14）（15）（16）（17）（18）式中：为限界高度；、、、、、、分别为行车