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隧道新型洞口段景观设计及数值仿真分析

石喜梅
摘 要：隧道洞口段是隧道进出的咽喉，是隧道结构唯一完全暴露的部分。选取新型切削式隧道洞门中的正交洞口和斜交洞口两种型式对其人文景观及美学艺术与传统洞门对比分析。并对这两种洞门型式进行数值仿真分析，验证其型式的可行性和合理性。
关键词：新型洞门；景观要素；轴力；弯矩；围岩压力
隧道位置选定以后，隧道的长度由它两端的洞口位置确定。隧道洞口段型式的选择直观体现了隧道外貌。隧道洞口段除了满足结构安全和基本功能要求之外，与周边自然景观及当地地域文化的融合也是对它的设计提出新的要求。因此，对它的景观要素的要求，如何更加环保、更符合景观及美学艺术将是未来洞口段设计的重点。
1 洞口段景观设计分析
1.1 传统与新型洞门分析
从目前世界上隧道洞口段的设计门类来看，洞门的建筑风格多是封闭式拱形门类建筑。该类型洞门建筑元素多，可作文章多较为壮观，比如秦岭隧道、二郎山隧道见图1（a）。但是建筑规模大，边仰坡、天沟开挖造成植被破坏，且对山体稳定不利，不利于环保，对不装修的显得也不美观，千篇一律。社会的可持续发展战略，人们对环境美学要求的日益提高，迫切需要我们革新隧道洞门及洞口的设计理念，应该从传统的 “温饱型”设计（只满足洞门基本功能要求）向新型的“小康型”设计（不仅满足基本功能，同时强调环境景观要求）转变。
由环框式洞门演变而来新型切削式隧道洞门。建筑形式简约，装饰性建筑可繁可简，环保、美观大方、自然。施工时刷坡少，尽可能的不破坏植被，有利于防止水土流失；而且能与周边环境很好的融为一体，体现可持续发展思想及与周围环境相协调的美学原则，见图1（b）。
传统挡土墙式隧道门主要作用是挡土，维护洞口山体稳定，大多不做更多裝饰性建筑设计。这样做的原因是：传统挡土墙式隧道门是建立在原来的隧道修建技术基础之上的，洞门必须开挖边、仰坡，创造一定埋深才能暗挖进洞，随之洞顶植被被砍伐，边、仰坡刷坡以外一定区域又要修天沟（洞顶排水沟），造成局部环境破坏，随着现代隧道技术的发展及环保、景观等要求的提高，这种传统的挡土墙式隧道门显然已不能适应发展的需要，随之而产生了以洞身延出斜切式为代表的现代式洞门建筑。
1.2 新型洞门的景观要素及基本组合
新型洞门更注重自然景观与人工景观的协调即造园艺术。其中对自然景观更关注地形和地貌。如植被有无、植被组成发育程度、秃山岩石形态等。对于人工景观侧重于当地人文建筑文化（建筑符号）、隧道孔数、装饰材料（材质）、铭牌形式和洞口相连工程，如桥隧相连、路隧相连、洞口设风机及辅助用房、双线水平之间未有开阔地带可造园，双线高低、前后、错落等。
根据切削方式的不同及一些功能上的要求，新型隧道洞门的基本类型包括：直切，正切，倒切，弧形挡墙几种，又根据洞门与山体的相交关系分为正交和斜交两种情况。其中组合类型见表1。
2 新型洞门的数值仿真分析
2.1 数值模型
为了确定新型隧道门的结构受力变形状态和整体的稳定性，并与三维模型试验的结果进行对比分析。因此，对设计的新型隧道门进行三维数值计算，采用的计算软件为大型有限元（FEM）计算程序ANSYS。图2为计算模型及选取断面。
根据上图中的弯矩与轴力云图及围岩压力图可以看出：
（1）衬砌横向轴力全部受压， 衬砌纵向轴力也全部受压。
（2）衬砌的横向最大正弯矩出现在仰拱的洞身部位，最大负弯矩出现在拱顶的洞口端，衬砌的纵向弯矩跟其横向弯矩相比，值都很小，最大值出现在围岩与衬砌的交界处。
（3）作用在衬砌上的最大围岩压力在仰拱部位。
（4）当采用正切式洞门时，洞口一定范围内衬砌结构的受力特征与洞身衬砌有显著的差别，呈空间分布，所以对洞口段衬砌结构必须进行特殊设计。
（5）衬砌结构的内力变化从洞口向洞内延伸20～25m后，基本上趋于稳定，也就是说，在进行洞口段衬砌结构设计时，洞口段取20～25m作为整体考虑较为合理，此段要考虑空间效应，即不仅要考虑横截面受力，还要考虑纵向受力，而再往洞内延伸，则可按传统上的平面应变问题处理，这样既保证结构的安全性，也提高了工程的经济性。
（6）在隧道洞身地段，横向上仰拱处于受压状态，同时纵向上也处于受压状态，从计算结果可知，纵向上轴力值远小于横向轴力，横向弯矩是纵向弯矩的4～6倍，而且纵向结构内力的绝对数值都很小，故在结构设计中可不必考虑纵向内力的影响，按平面应变问题进行结构设计。
3 结论
通过对单线铁路隧道正切式、倒切式洞门、双线铁路隧道正切式、弧形挡墙式洞口段的三维数值仿真分析，经过对计算结果的分析和比较，得出以下一些结论。
（1）不管是单线还是双线铁路隧道，当采用正切式、反切式及弧形挡墙式洞口时，洞口段一定范围内衬砌结构的受力特征与洞身衬砌有显著的差别，呈空间分布，所以对洞口段衬砌结构必须进行特殊设计。
（2）对于单线铁路隧道，当采用正切式洞口时，衬砌结构的内力变化从洞口向洞内延伸20～25m后，基本上趋于稳定；当采用倒切式洞口时，衬砌结构的内力变化从洞口向洞内延伸16～22m后，基本上趋于稳定。对于双线铁路隧道，采用正切式及弧形挡墙式洞口时，衬砌结构的内力变化从洞口向洞内延伸25～30m后，基本上趋于稳定。所以，在进行洞口段衬砌结构设计时，洞口段一定范围必须作为整体进行，此段要考虑空间效应，即不仅要考虑横截面受力，还要考虑纵向受力，与模型试验结果相吻合。基于上述计算结果，同时考虑施工因素的影响，建议单线正切式洞门段取25m，单线倒切式洞门段取22m，双线正切式及弧形挡墙式洞门段取30m，进行整体结构设计，而再往洞内延伸，则可按传统上的平面应变问题处理，这样既保证结构的安全性，也提高了工程的经济性。
（3）由数值计算结果得知，工况一衬砌结构上对应位置的轴力、弯矩值比工况二都要大一些。在工况一中，衬砌结构的上覆土体相当于明挖回填加载的；而在工况二中，衬砌结构是在暗挖条件下加载的，由此可以看出，在相同的埋深条件下，明挖回填作用在衬砌上的荷载比暗挖条件下的要大，对结构受力不利。所以，在条件允许的情况下，建议尽量采用暗挖法进行隧道洞口段施工。确实由于环境限制，不得不采用明挖法进行隧道洞口段施工时，此时作用在衬砌仰拱上的纵向轴力在洞口一定范围内呈受压状态，而在洞身段呈受拉状态，特别是在双线隧道中，受拉值非常大，此时必须对仰拱进行受拉配筋设计。
参考文献
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