隧道工程课程设计轮廓优化断面设计

实例一 2.2 隧道横断面优化设计 2.2.1概述 公路隧道横断面设计,除满足隧道建筑限界的要求外，还应考虑洞内路面、排水、检修道、通风、照明，消防、内装、监控等设施所需要的空间，还要考虑仰拱曲率的影响，并根据施工方法确定出安全、经济、合理的断面形式和尺寸。 10多年来,我国公路隧道建设规模扩大，各地在设计隧道横断面时标准不统一，隧道轮廓有采用单心圆的，有三心圆的,既有尖拱又有坦拱，曲率不一.甚至，同一公路上出现几种内轮廓的断面，这既影响洞内设施的布置,又不利于施工时衬砌模版的制作。而在国外和我国的铁路隧道中，已推动了断面的标准化. 经过多年的工程实践和内力分析,我们认为，应该采用拱部为单心圆，侧墙为大半径圆弧，仰拱与侧墙间用小半径圆弧连接。对于同一隧道,应该采用相同的内轮廓形式。 根据隧道断面应具有适应应力流和变形的合理形状,同时要适应围岩条件、净空要求。本隧道的围岩级别为Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级，按规范要求,需要设置仰拱，同时要求设计为两车道，所以采用三心圆断面设计。

2.2.2 影响隧道衬砌结构内轮廓线的因素 这里所指的隧道横断面是隧道衬砌和基底围岩或仰拱所包围部分的大小和形状。公路隧道不仅要提供汽车行使的空间,还要满足舒适行使、交通安全、防灾等服务的空间。因此，隧道的断面不仅要满足要求的道路宽度及建筑限界，还要有设置通风、照明、内装、排水、标志等的设置空间，也要确保维修检查的监视员通道的设置空间。 所考虑的因素有［3]： 1. 须符合前述的隧道建筑限界要求，结构的任何部位都不应侵入限界以内，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； 2. 施工方法，确定断面形式及尺寸有利于隧道的稳定； 3。 从经济观点出发,内轮廓线应尽量减小洞室的体积，即使土石开挖量和圬工量最省; 4。 尽量平顺圆滑，以使结构受力及围岩稳定均处于有利条件; 5. 结构的轴线应尽可能地符合荷载作用下所决定的压力线。 根据规范规定在Ⅳ~Ⅳ级围岩条件下，围岩自稳能力差，侧压力较大，承载力弱，为保证结构整体安全,控制沉降,采用有仰拱的封闭式衬砌断面.本隧道中包括了Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级,Ⅲ级围岩不需要设置仰拱，Ⅳ和Ⅴ级需要设置仰拱。以下对设置仰拱与不设置仰拱的衬砌内轮廓分别进行讨论：

2.2.3 不设置仰拱的三心圆隧道内轮廓优化 1。基本参数及其意义 三心圆内轮廓线参数，如图有R1、R2、θ1、a、h1、h2、d0、SB1、SB2、d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8。一共有17个。 内轮廓参数的意义： h1—路面到起拱线的高度，h2—拱脚底部至起拱线高，R1-拱部圆弧半径，R2-起拱线以上边墙圆弧半径,θ1-起拱线以左下边墙圆弧半角度,a—起拱线以下边墙圆弧圆心偏离隧道中线距离 。 其余各个参数的几何意义见图2-4。

R1

R2

d0

H2i%H1θ1θ1SB1SB2d1d2d3d4d5d7d6d8R2H2

h隧道中线路面中线

图2—4 三心圆内轮廓线图 2.基本几何方程 上述参数的几何关系如图2-4,可得：

012/dLJwSBR （2-1） 022/dLJwSBl (2-2） aRR12

（2—3）



2211sinR

H

（2—4) d1=aSBiSBHR12112240%75 （2-5） d2=121121%)75(40250SBHiSBR （2-6） d3=75%75400121121SBiSBHR (2-7） d4=5075%5075500121121SBiSBHR （2—8） d5=10075%10075500222121SBiSBHR (2—9） d6=75%75400222121SBiSBHR （2—10) d7=22212121%150%75290SBiSBSBiSBHR （2—11) d8= aSBiSBSBiSBHR22212122%15040%75 （2—12） 3.独立变量 挑选出X作为独立变量： T

aHHddX,,,,2102

（2-13） 相应的开挖面积可表示为 3212SSSXS

（2—14) 其中: 21141RS （2—15） aaRS12212tan212



（2-16） aHaRS12213tancos

2

1

（2—17） 2112

121%7540250HiSBSBdR

(2-18） 4.约束条件 ① 变量的范围 将2d固定为一个值，取: 2d=20cm cmH280501 cmd6000

将2H与a都根据规范上推荐的值取为一固定值:

cmH2002 cma250

② 建筑限界约束条件 设,4,3,2,1ii为各限界控制点至内轮廓线的水平间歇最大值,为最小富余量。根据公路隧道设计规范为5cm，但是考虑到施工的时候可能存在着偏差取=10cm;i取为15cm。 ③ 求解各参数 利用fortran4。0编写一个程序，根据（2-15）、（2—16）、(2-17)、（2—18）求出内轮廓所包含的面积S;在通过循环变量1H和0d，重复计算各参数和S的值,如此循环，便可得到一组开挖面积的值niSi,,3,2,1，其中面积最小者minS即为所求最佳解。编写的程序如下： real smin,h1，h2，r1,r2,fai1，h，a OPEN（UNIT=1，FILE=’优化段面RESULT。 txt’，STATUS=’UNKNOWN') PRINT＊,’请输入各参数值(单位以厘米计)：’ WRITE（1，*） ’请输入各参数值（单位以厘米计）：' PRINT＊，’W=' read*, w PRINT＊,'Jl=' READ*,Jl PRINT*，'Jr=’ READ＊，Jr PRINT*,’H=' READ*，H PRINT*，'LL=' READ*，LL PRINT*，'LR=’ READ＊,LR EL=LL IF（LR。LE.100）THEN ER=LR ELSE ER=100 ENDIF WRITE(1,2)INT（W）,INT(Jl)，INT(Jr)，INT（H）,INT(LL),INT(LR) 2 FORMAT(1X,'W=’,I4，3X,'Jl=',I3，3X，'Jr=',I3,3X，'H='，I3，3X,'LL='，I3,3X，'LR=',I3) PRINT＊,’请输入控制点D2值:' PRINT＊，’D2=’ READ＊,D2 WRITE（1，＊)'请输入控制点D2值：’ WRITE（1，7)INT（D2） 7 FORMAT(1X,'D2='，I2） h2=200.0 a=250.0 smin=1.0E10 DO d0=0.0，60.0，0.1 DO h1=50。0，165.0,0.1 SB2=W/2+Lr+jr—d0 SB1=W/2+Ll+Jl+d0 r1=SQRT（（D2+SB1)*＊2+(290+（SB1—75)＊0.015—h1）*＊2） r2=r1+a fai1=ASIN(h2/r2） h=r1+h1—500 D1=SQRT(r2*r2—（h1—（SB1—75)＊0。015—40）＊*2）—SB1—a IF（D1.LT。10.OR.D1。GT.150)cycle D3=SQRT(r1*r1-（400+(SB1—75）＊0.015-h1)＊*2)-SB1+75 IF（D3.LT。10）cycle D4=SQRT（r1*r1—（500+（SB1-75—50）*0.015—h1）＊*2)-SB1+75+50 IF(D4.LT.10。OR.D4。GT。150)cycle D5=SQRT(r1＊r1—(500—（SB2-75—100)＊0.015—h1)*＊2)-SB2+75+100 IF（D5。LT。10.OR.D5.GT.150)cycle D6=SQRT（r1*r1-(400-（SB2-75)*0.015-h1)＊＊2）—SB2+75 IF（D6.LT。10.OR。D6.GT.150)cycle D7=SQRT（r1*r1-（40+（SB1+SB2-50-100）＊0.015+250—（SB2—75）＊0。015—h1)＊＊2）-SB2 IF(D7.LT。10。OR。D7。GT.150）cycle