单洞四车道公路隧道优化研究_张丙强

的限制 。 2.2 设计变量
隧道断面形状应根据交通流量 、 设计荷载 、 防灾 和耐久性等综合考虑优化确定 。综观国内外修建的四 车道大断面公路隧道 , 目前大多数隧道断面采用三心 圆形式 , 这种断面对于大断面公路隧道而言 , 在保证 满足建筑界限的基础上 , 可以适当降低高跨比 , 从而 大大减少断面开挖面积 , 减少工程建设造价 。
f1 (X) =2 (S1 +S2 +S3 +S4 )
(3)
式中 S1 =1/2αR21
S2 =1/2βR22
S3 =1/2b R22 -b2
S4 =
a(b-A) /2 A≤0 ab2 /2 (b+A) A>0
f2 (X) =2 (L1 +L2 ) 式中 L1 =βR2
(4)
L2 =αR1
2.4 约束条件
① 针对施工过程中的模拟区域来划分网格 。 ② 关闭模拟支护结构的梁单元 , 开启土体单元 , 计算土的初始应力 。 ③ 关闭拟开挖步的土体单元 , 改变锚杆加固区 的岩体参数 , 开启 梁单元 。 结 构将不再处于 平衡状 态 , 重新生成总的刚度 , 采用增量法 , 分步计算以消 除此种不平衡力的过程 , 并计算体系的应力和位移 , 进行下一步开挖 。 4.2 计算模型及参数 Ⅲ类围岩中单洞四车道公 路隧道采用复 合式衬 砌 , 初期支护采用 15 cm厚喷射混凝土 +Υ 25@120 mm径向锚杆 , 二次衬砌采用 45 mm厚 C30厚混凝 土 [ 5] 。 由于计算的目的是就一定围岩条件下隧道施工的 可行性进行研究 , 因此计算范围取为自隧道中心起向 左右 、 上下延伸各 5D (D为隧道跨度 )。在自重应力 场作用下 , 计算模型两侧的垂向边界采用水平方向约 束 , 底边界采用垂直方向约束 , 顶部为自由面 。二维 有限元分析采用八节点等参数平面单元来模拟围岩和 初期支护加固区 , 采用梁单元模拟混凝土二次衬砌结 构 。围岩及加固区选用 DP材料 , 喷射的混凝土采用 弹性材料 , 其物理力学指标参数见表 3。
结构优化设计是数学的最优理论结合计算机应用 于结构设计的一种新型设计方法 。由于结构优化设计 是追求尽可能理想的方案 , 所以它引起了越来越多行 业的重视和采用 。结构优化问题的数学模型一般可描
述为 :
minf1 (x1 , … , xn)
minf2 (x1 , … , xn)
…
(1)根据隧道设计经验 , 拱顶到拱脚的矢高 f介
于 3.0 m～ 5.0 m, 即 :
3.0 <f=R1 -A-5.0 <5.0
(5)
(2)根据设计 经验 , 隧道 建筑限界与内 轮廓间
的距离不应小于 0.05 m, 即 :
δ1 ≤d1 , d2 , … , d7 ≤δ2
(6)
δ1 、 δ2 为建筑限界与隧道内轮廓的距离 , 依实际 情况而确定 。
摘要 :建立了以控制单洞四车道公路隧道断面形状的几何尺寸为变量 、 以隧道的内净空面积 和内轮廓周长为目标函数的双目标优化模型 , 并对模型参数进行了分析 , 得出了最优断面几何尺 寸 ;进而对断面优化后的单洞四车道隧道的仰拱优化设计 、 隧道施工的可行性进行了探讨 , 也得 出了一些有用的结论 。
关键词 :单洞四车道 ;公路隧道 ;优化设计 ;施工方案
1 引 言 我国是一个多山国家 , 随着我国高速公路建设的
发展以及公路交通运输量的迅速增加 , 单洞四车道公 路隧道建设必将成为未来我国高速公路隧道的一个重 要组成部分 。单洞四车道公路隧道具有提高车速 、 缩 短里程 、 节约燃料 、 节省时间等明显的优点 , 但是也 有很多复杂的问题亟待解决[ 1] 。
标准三心圆隧道净空 断面见图 1 所示 , R1 、 R2 分别为拱部圆弧半径 、 侧墙圆弧半径 ;H为起拱线与 路面的距离 ;A为拱部圆弧圆心与路面的距离 ;a、 b 分别为侧墙圆弧圆心至隧道中心和路面的距离 ;α为 起拱线与隧道中心线间的夹角 ;β 为起拱线 R2 与的 夹角 ;各参数之间的几何关系为 :
隧道断面尺寸优 化结果 (单位 :m)
A 1.0 0 2.0 0 1.0 0 2.0 0 1.0 0 2.0 0
f
R1
b
3.60 10.60 1.20
3.10 11.10 0.80
4.50 10.50 1.40
4.00 11.00 1.20
5.50 10.50 1.80
5.00 11.00 1.90
第 4期 (总第 166期 ) 2007年 8月 20日
华东 公路 EASTCHINAHIGHWAY
文章编号 :1001 -7291 (2007) 04 -0057 -04 文献标识码 :B
No.4 (Total No.166) August 2007
单洞四车道公路隧道优化研究
张丙强 1, 2 , 蔡雪峰 1 , 李俐勋 1 (1.福建工程学院土木工程系 , 福建 福州 350007;2.中南大学土建院 , 湖南 长沙 410075)
目前我国已建的单洞四车道公路隧道的跨度都在
18 m～ 22 m, 而从严格意义上讲 , 现行的规范只能指 导跨度不超过 15 m的隧道 及地下 工程的 设计 与施 工 [ 2] , 因而无法指导四车道公路隧道的设计与施工 , 再加上我们对工程地质和岩石力学机理还不能完全具
体的认识和掌握 , 因此针对单洞四车道公路隧道的设 计与施工问题进行系统深入的研究具有重要的意义 。 本文将对单洞四车道公路隧道结构的断面尺寸的优化 和施工问题进行研究 , 提出合理的单洞四车道公路隧 道断面尺寸和施工方案 , 为将来的单洞四车道公路隧 道设计及施工提供帮助 。 2 隧道断面优化 2.1 结构优化设计理论[ 3, 4]
(1)
minfm (x1 , …, xn)
gj (x1 , … , xn)≤0, j=1, 2, …, p 式中 X= (x1 , …, xn)T———优化设计过程中所要
选择的描述结构特性
的量, 他的数值是可
变的, 称为设 计变
量;
f1 (X), f2 (X), … fm (X)———优化设计所 追求 的 目
某隧道 设 计行 车 速 度为 120 km/h, 隧 道 净 宽 18.75 m, 其中行车道宽度为 W=3.75 m×4, 路缘带
宽度为 0.5 m×2, 余宽 0.5 m×2, 检修道宽 0.75 m。
通过计算机编程 , 部分优化结果如表 1。
表 1
序号 H 1 6.0 2 6.0 3 5.0 4 5.0 5 4.0 6 4.0
其中 d1 = R22 - (b-0.4)2 - (B/2 -a)
d2 = R22 - (2.9 -b)2 - (B/2 -a)
d3 =
R21 - (4.0 -A)2 -B/2 H≤4.0 R22 - (4.0 -b)2 - (B/2 -a) H>4.0
d4 = d5
R21 - (5.0-A)2 - (B/2 -EL) H≤5.0
α=cos-1 [ (H+A) /R1 ] R2 = (H-b) /cosα a= (R1 -R2 ) sinα b= (R1 -R2 )cosα-A β =π /2 -α+sin-1 (b/R2 )
图 1 隧 道净空断优化设计问
题设计变量选 取隧道 断面 的控 制几 何尺寸 , A、 α、
R2
S
7.19 151.30
7.21 144.56
6.30 149.14
5.97 142.33
4.62 149.39
3.85 142.23
L 3 0.90 3 0.22 3 0.70 3 0.37 3 0.85 3 0.28
对于这种双目标优化问题 , 可以选择评价函数法 中的线形加权和法进行 计算 。 根据双 目标优化中 f2 (X), f2 (X)在 问 题中 的 重要 程 度 , 分别 赋 予他 们
表 3
类 别 围 岩 锚杆加固区 二次衬砌
围岩与衬砌计算参数
c/MPa 0.6 1.5 2.3
2.0 244.423 2.5 248.549
7.863 6.255
0.839 0.687
-0.730 -0.592
2.0 243.990 7.449
0.817 -0.708
3.0 340.559 3.281
0.466 -0.361
4 优化隧道的施工可行性分析 4.1 有限元分析理论
对于单洞四车道公路隧道 , 施工时不可能全断面 一次成洞 , 实际上是根据出渣运输洞布置 、 施工机械 类型和岩石的特性等条件 , 选 择开挖 方式 , 这就 决 定了必须分层分块开挖 、 逐步形成隧道设计体形 的 特点 。
标, 称为目
标函数, m
=1 时的 优
化称为单目
标优化, m
>1 时的 优
化称为多目
标优化 ;
gj (X)———结构设计中为满足使用上的各方 面要求 , 对设计方案施加的种种建筑及结构上
＊ 收稿日期 :2007-04-13 修回日期 :2007-05-18
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华东 公路
2007年第 4期
R22 - (5.0-b)2 - (B/2 -EL -a) H>5.0 =
R21 - (5.0-A)2 - (B/2-ER) H≤5.0
R22 - (5.0-b)2 - (B/2-ER -a) H>5.0
d6 = R22 - (4.0 -b)2 - (B/2 +L+C-a)
d7 = R22 - (b-0.4)2 - (B/2 -a) 2.5 优化结果
隧道结构内力和变形往往 和其建造过程 密切相 关 , 在分析隧道结构的内力和变形时 , 有必要模拟其
建造过程 。在这个 问题上 , 有 限元有其独特 的优越 性 , 其作法是先在整个分析区域上划分有限元网格 , 然后再利用关闭或启动某些单元的方法来模拟一个结 构的建造过程 。 隧道开挖和 支护过程按下列 步骤计 算: