[发明专利]一种二参数曲线隧道横断面优化设计方法

说明书

本发明属于隧道工程建设设计技术领域，涉及一种二参数曲线隧道横断面优化设计方法，又称为WU型二参数曲线隧道横断面优化设计方法，工艺步骤包括建立WU型二参数曲线方程与确定WU型二参数曲线隧道横断面的面积公式、确定隧道横断面建筑限界的控制点坐标表达式、确定WU型二参数曲线隧道横断面优化设计的约束条件与目标函数和确定WU型二参数曲线隧道横断面的宽度与高度四个步骤，用于设计隧道的横断面形状，其中的横断面形状是由一个独立的二参数曲线方程来表征，该曲线及其导数的连续性、可导性、受力条件和光滑性好，是一种适应应力流和变形的合理形状，用于公路公路隧道、高铁隧道、海底隧道及地铁隧道等的横断面曲线设计和工程建设。

技术领域：

本发明属于隧道工程建设设计技术领域，涉及一种二参数曲线隧道横断面优化设计方法，又称为WU型二参数曲线隧道横断面优化设计方法，用于设计隧道的横断面形状，其中的横断面形状是由一个独立的二参数曲线方程来表征，该曲线(内轮廓线)及其导数的连续性、可导性、受力条件和光滑性好，是一种适应应力流(扩散)和变形的合理形状，主要用于公路和高速公路隧道、高铁隧道、海底隧道及地铁隧道等的横断面曲线设计和工程建设。

背景技术：

隧道是埋置于地层内的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式；1970年国际经济合作与发展组织召开的隧道会议综合了各种因素，提出了隧道的标准定义：以某种用途、在地面下用任何方法按规定形状和尺寸修筑的横断面面积大于2m²的洞室；隧道可分为：交通隧道，水工隧道，市政隧道和矿山隧道。

近年来，我国的隧道建设规模日益扩大，但各地、各家设计单位在隧道横断面设计时使用的标准不统一，隧道内轮廓有采用单心圆、三心圆、四心圆、五心圆，甚至有采用直壁边墙，内轮廓形状五花八门，既有尖拱，也有坦拱，内轮廓线的尺寸、曲率半径更是难以统一，甚至在同一条公路上出现了几种不同内轮廓的横断面，这既影响了洞内设施的布置，又不利于施工时衬砌模板的制作和安装，实际上也造成资源上的较大浪费。

隧道横断面设计包括内轮廓线形状及尺寸的确定，其在隧道工程设计和建设中是一个相当重要且十分关键的环节；在现行隧道横断面设计中，除铁路隧道标准化工作已先行一步外，在其它工程隧道建设情况下，采用什么样的隧道横断面型式依然存在“选择”的困惑，特别是公路隧道，需要根据道路等级、车道数、车型、车速、单双向行驶、建筑限界以及地质条件等设计要求，经过初选和优化，再确定隧道横断面的型式和尺寸；由圆弧、椭圆弧和直线等多段线相接与组合的隧道横断面型式，具体选择圆弧、椭圆弧和直线等几段线，半径取多少、圆心取在哪里、圆心角多大、相交(切)点位置取在何处等，都要经过仔细的分析和认真的推算才能确定，其设计还需要根据连接点位置，采用不同的几何关系和数学公式进行繁琐的计算；如果根据不同的围岩稳定性和山岩压力条件，需要调整隧道横断面的宽高比(宽度和高度)，进而需要重新进行隧道横断面的形状设计，还有开挖设计、结构设计和衬砌施工设计等等，其复杂性、繁琐性和工作强度大等是不言而喻的。