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1、公路隧道2010年第2期(总第70期)偏压连拱隧道断面形式优化123邓琦秦水祥熊汉江(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。关键词连拱隧道偏压断面形式优化模型从已有经验看,与传统设计相比,用优化设计可
2、有任何障碍物的空间限界。以使土建工程造价降低5%～30%。优化设计能最在设计中,应根据行车道与公路设施之间的空合理地利用材料的性能,使结构内部各单元得到最间关系及受力要求等条件,使任何部件(包括隧道本好的协调,并具有规范所规定的安全度。同时,它还身的通风、照明、安全、监控及内装等附属设施)均不可为整体性方案设计进行合理的决策,优化设计是得侵入隧道建筑限界之内。实现设计的最终目标—实用、安全和经济的有效途另外,隧道内轮廓还应考虑通风、照明、安全、监径。目前国内隧道工程界建立了以开挖面积最小为控等内部装修设施所必需的富余量,并根据
3、施工方目标函数,以满足限界、通风、受力等要求为约束条法(传统矿山法或新奥法)确保断面形状及尺寸有利件的优化模型,并采用简易复形法对其进行了求于隧道的稳定。从经济观点出发,内轮廓线又应尽[1-4]解。目前对于偏压连拱隧道断面形式的设计,量减小隧道的体积,使土石开挖量与圬工砌筑量为一般采取左右对称的断面形式。偏压连拱隧道单洞最少。因此,内轮廓线一般紧贴限界,但又不能如限内轮廓一般采用单心圆、二心圆和三心圆3种断面界般曲折,要平顺圆滑,以使结构在受力及围岩稳定形式。目前已有研究人员对坦三心圆、尖三心圆和方面均处于有利条件。总之,内轮
4、廓线应最大限度单心圆进行了优化研究,并在优化计算程序中用典地保证确定后的断面形式及尺寸安全、经济、合理。型的矩阵位移法对选出的方案做了内力检算,最后1.2偏压连拱隧道断面形式优化的基本原理得出单心圆断面几何尺寸简单且内轮廓净面积较小1.2.1目标函数[5]受力较好,施工方便,推荐此方案。因此,本文对目标函数是评价设计方案好坏的标准,一般来单心圆的复合式曲中墙连拱隧道断面形式进行优化说,目标函数可以表示为问题变量的解析表达式。研究。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,1优化理
5、论显然应以洞室开挖断面积最小作为目标函数,实际1.1偏压连拱隧道断面形式优化的基本原则计算考虑到内轮廓形状直接影响到隧道的开挖量。在偏压连拱隧道断面形式的几何设计中,主要故采用内轮廓所包围面积最小为目标函数:就是根据给定的建筑限界确定隧道的净空形状,也MinSXT就是选定结构的内轮廓线。因此,偏压连拱隧道断X=x1,x2,⋯,xn(1)面形式优化的基本原则就是隧道建筑限界的确定,式中:S-内轮廓线内开挖断面面积;保证隧道限界边界的任何点均在内轮廓线内。X-与内轮廓形状有关的参数。隧道建筑限界是为保证隧道内各种交通的正常1.2.
6、2独立变量运行与安全,而规定在一定宽度和高度范围内不得在一个最优化设计问题中,变量是影响设计质·13·©公路隧道2010年第2期(总第70期)°量的可变参数。变量太多,将使问题变得十分复杂,(R1-R2)sin(θ1+90)R3=+R2(5)sinθ3而变量太少,则设计的自由度少,优化的程度就差,22甚至得出不符合实际的结论,所以要结合具体问题,R1=(SB2+d1)+(A1-25)(6)°在满足设计要求的前提下,合理地选择变量,使问题θ3=90-θ1-θ2(7)尽量简化。h=A1+R1-H(8)1.2.3约束条件22d1=R
7、1-(A1-25)-SB2(9)约束条件包括以下3个方面:22d2=R1-(275-A1)-SB2(10)(1)建筑限界控制点:为满足限界要求,内轮廓22d3=R1-(400-A1)-(SB2-J)(11)线至少应将隧道建筑限界完全包容在内,保证限界22d4=R1-(H-A1)-(SB2-J-E外)(12)边界的任何点均在内轮廓线内。22(2)通风面积:内轮廓线净高在应能满足隧道建d5=R1-(H-A1)-(SB1-J-E内)(13)22筑限界净高要求的基础上,还应考虑通风要求。隧d6=R1-(400-A1)-(SB1-J)(
8、14)道净空断面受通风方式的影响很大,在选择通风方22d7=R1-(275-A1)-SB1(15)式时,首先需要决定隧道内所需的通风量,然后讨论22d8=R1-(A1-25)-SB1(16)自然通风和交通风能否满足需要。SB1=W/2+J+C+L内+d0(17)(3)受力要求
