[发明专利]一种单洞四车道公路隧道断面参数的设计方法

权利要求书

1.一种单洞四车道隧道断面参数的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

【1】围岩压力的确定：

根据围岩等级参数，计算单洞四车道隧道围岩压力；其中单洞四车道隧道围岩压力包括垂直均布压力q和水平均布压力e；

【2】不同扁平率条件下数值模型的建立：

依据隧道的建筑限界，选取系列的断面扁平率参数，并借助MIDAS/GTS有限元软件分别建立隧道数值计算模型；其中隧道为有仰拱断面时，扁平率选取多组0.500～0.750之间的不同数值，隧道为无仰拱断面时，扁平率选取多组0.400～0.560之间的不同数值；

【3】衬砌结构内力的计算：

借助MIDAS/GTS有限元软件计算不同扁平率条件下的隧道断面衬砌结构受力，获得衬砌结构轴力N和弯矩M；

【4】衬砌结构安全系数的计算：

根据各截面位置的衬砌轴力N和弯矩M的计算结果，以及衬砌材料物理力学参数，计算衬砌结构各截面位置的安全系数K；

【5】不同扁平率断面对比分析：

针对不同扁平率的断面形式，分别对安全性和经济性进行对比分析；

【6】求得合理断面形式：

综合隧道衬砌结构安全性分析和经济性分析结果，取安全性最优区间和经济性最优区间的扁平率值重叠范围为最优扁平率区间，选取最优扁平率区间的偏平率参数进行单洞四车道公路隧道断面设计。

2.根据权利要求1所述一种单洞四车道隧道断面参数的设计方法，其特征在于，在步骤【4】中：

按照预先设计好的衬砌钢筋混凝土构件，在垂直于截面上的方向上，根据拉压平衡，可首先按照下式计算各截面的受压区高度x。

R_g(A_g-A′_g)＝R_wbx

当其截面受压区高度x≤0.55h₀时，二次衬砌为大偏心构件，各截面安全系数按下式进行计算：

K＝min(K₁，K₂)

此时，中性轴的位置按下进行确定：

当轴向力N作用于钢筋A_g与A′_g的重心之间时，上式中的左边第二项取正号；N作用于钢筋A_g与A′_g的重心以外时，则取负号。

如果计算中考虑受压钢筋时，则混凝土受压区的高度应符合x≥2a′要求，如不符合，则按下式进行计算：

当其截面受压区高度x＞0.55h₀时，二次衬砌为小偏心构件，各截面安全系数按下式进行计算：

当轴向力N作用于钢筋A_g的重心与A′_g的重心之间时，尚应满足下列要求：

式中：N为轴向力(MN)；M为弯矩(MN·m)；R_g为钢筋的抗拉或抗压强度标准值；R_w为混凝土弯曲抗压极限强度，R_w＝1.25R_a；A_g和A′_g为受拉和受压区钢筋的截面面积(m²)；a′为自钢筋A′_g的重心至截面最近边缘额距离(m)；a为自钢筋A_g的重心至截面最近边缘额距离(m)；h为截面高度；h₀为截面的有效高度(m)，h₀＝h-a；x为混凝土受压区的高度(m)；b为矩形截面的宽度(m)；e与e′为钢筋A_g与A′_g的重心至轴向力作用点的距离(m)；K为安全系数。

3.根据权利要求1所述一种单洞四车道隧道断面参数的设计方法，其特征在于，在步骤【5】中：

安全性分析的步骤是分析不同扁平率下最不利位置处的衬砌结构内力，统计不同扁平率条件下的最小安全系数，有仰拱断面取最小安全系数大于4.50的扁平率区间为安全性最优区间，无仰拱断面取最小安全系数大于3.20的扁平率区间为安全性最优区间。

4.根据权利要求1所述一种单洞四车道隧道断面参数的设计方法，其特征在于，在步骤【5】中：

经济性分析的步骤是绘制扁平率和断面利用率的关系曲线，有仰拱断面取断面利用率大于50％的扁平率区间为经济性最优区间，无仰拱断面取断面利用率大于60％的扁平率区间为经济性最优区间。