双层公路隧道拱形中隔板优化研究

双层公路隧道拱形中隔板优化研究

郭文明1罗浩2姚伟

郭文明1罗浩2姚伟3（1河南省交通科学技术研究院有限公司隧道工程研究所郑州450000；2中国市政工程中南设计研究院有限公司武汉441300；3河南省交通科学技术研究院有限公司隧道工程研究所郑州450000）

摘要：针对双层公路隧道中隔板结构形式，考虑围岩与结构的相互作用,同时考虑到中隔板上荷载的作用，建立拱形中隔板模型。采用结构力学理论进行计算，获得了拱形中隔板的最佳平面几何形状并推导出拱高的计算方程。

关键词：双层公路隧道;中隔拱;合理拱轴线;水平压力

1引言隧道在铁路及公路建设方面有特殊意义。目前所建设隧道均为直墙式或曲墙式单层隧道,而关于双层隧道设计、施工等方面的问题研究较少。双层隧道在解决地段紧张、交通量大、对环境破坏程度小等方面有着特殊的意义。双层隧道作为地下结构的一种新的形式有其独特的优点。目前在国内外修建的双层隧道还较少,经检索知道,在国外,巴塞罗纳最长的地铁9号线就是采用盾构法施工的双层地铁隧道[1]。

在国内,深圳有一条采用台阶箱型法施工单洞双层地铁隧道[2],在上海也有一条已建成的双层越江公路隧道。根据查询的现有资料，可知到目前为止，对双层山岭隧道的研究还很少,无论是开挖方法和隧道衬砌设计还是中隔板形状都需要进行深入研究。本文通过理论分析了中隔板最有利的形状。

2问题的提出双层隧道在解决地段紧张、交通量大、对环境破坏程度小等方面有着特殊的意义。对于这种新形式的隧道有其特有的优点，但是也有其不可避免的缺点。对于这种高跨比较大的双层隧道,边墙是其薄弱部分,通常隧道边墙的应力较大。所以在设计和施工时要求支护一定要到位,防止其变形过大造成隧道塌方,影响其后续工作。而于普通隧道最大的不同在于双层隧道需要修建中隔板来分流上下行车辆。一般的中隔板为直板类型并使用预应力筋对其加固。此种中隔板并不利于对边墙进行支撑受力，在此特提出新型拱形中隔板，以下简称中隔拱。

3拱结构的特性拱与梁的区别不仅在于杆轴线的曲度，更重要的是拱在竖向荷载作用下产生水平反力，这种水平反力又称为推力。而曲梁在竖向荷载作用下不会产生这种水平推力。而正是由于拱的水平推力的存在才使得其比同跨度、同荷载的梁弯矩小得多，且主要承受压力。这就使得拱截面上的应力分布较为均匀，因而更能发挥材料的作用，并能利用抗拉性较差而抗压性较强的材料，如砖、石、混凝土来建造，这就是拱的主要优点。拱的主要缺点也正是支座要承受水平推力，因而要求比梁具有更坚固的地基或支撑结构（墙、柱、墩、台等）。对于不能承受推力的基础，则需要加拉杆以消除拱对基础的水平推力。

4新型拱形中隔板几何特性隧道边墙存在水平压力，而拱结构的基础需要水平方向的推力。

因此把中隔板修建成拱形结构，即可用来弱化围岩压力，也可以利用围岩水平压力对拱上荷载起到良好的支撑作用。

图2双层隧道简化图1所示，为双层隧道拱形中隔板隧道截面示意图。为了研究中隔拱的合理形状，特简化此双层隧道结构，简化结构如图2所示。把中隔拱作为绝对刚体，中隔拱的力学计算模型可以简化为图3所示。

其中b为隧道净宽，f为拱高，A、B为中隔拱与衬砌接触点。假设中隔拱受力为竖向均布荷载。根据资料[3],当拱的轴线与压力线完全重合时，各截面的弯矩和剪力都为零，而只有轴力。此时拱截面上的正应力是均匀分布的，材料能得到充分的利用。单从力学角度来看，这是最经济的，故称这样的拱为合理拱轴线。故合理拱轴方程可由下式求得：

可见在竖向均布荷载作用下，三铰拱的合理拱轴线是抛物线。因此双层隧道内中隔拱合理拱轴为抛物线。

5双层隧道拱轴线拱高f的确定由于隧道开挖影响到地层周围的岩体部分，故人们称之为隧道围岩。而随着隧道开挖，将引起隧道周围岩体产生变形或发生破坏。为了防止变形过大或者破坏产生，需要对围岩进行支护。这是，支护结构将受到变形岩体的挤压作用，同时还可能受到松散围岩中岩体的坠落、滑移、坍塌等所产生的岩体重力作用。安作用方向不同，围岩压力又分为围岩垂直压力和围岩水平压力。在坚硬岩层中，围岩水平压力很小，可在计算是可以忽略不计；但在松散岩层中，围岩水平压力较大，计算式必须计及。

6结论（1）双层隧道中隔板采用拱结构不但可以提高混凝土的利用率，也可以起到弱化围岩水平压力的作用，从而使边墙受力更合理。

（2）理论分析了中隔拱的最佳几何形状，得到中隔拱断面最佳形状为抛物线。

（3）通过平衡中隔拱水平推力与围岩水平压力的方式，得到中隔拱拱高与围岩水平压力的关系式。

参考文献：[1]马琪.单管隧道内的双层地铁[J].城市轨道交通研究,2003,(5):86~87.[2]朱益涛.地铁双层隧道试验研究[J].中国铁道科学,2001,(6):84~86.[3]于克平，胡安庆.结构力学.西北大学出版社.2008，（5）：49~55.[4]中华人民共和国行业推荐标准.公路隧道设计规范（JTGD70—2004）.北京：人民交通出版社，2004