武 周 虎

(青岛理工大学 环境与市政工程学院，山东 青岛 266033)

0 引 言

随着国内外交通基础设施的快速发展，各种隧道工程建设的规模和数量日益增大。由于缺乏合适的已知曲线方程，现行隧道横断面的内轮廓线除采用单心圆(含椭圆)外，主要由三心圆[1]、四心圆[2]、五心圆[3]等多圆弧拼接而成，还有直壁边墙，既有尖拱，也有坦拱，隧道内轮廓线形状及尺寸可谓种类繁多[4-6]。对于不同的围岩稳定性和山岩压力条件，要使结构支撑的作用力最小，隧道横断面的最佳宽高比应等于地应力比值的平方根[7]；对于公路隧道，还需要根据道路等级、车道数、车型、车速、单/双向行驶等条件确定建筑限界范围，进行隧道横断面形状、开挖、结构和衬砌施工等设计[8,9]。

由于围岩的介质材料和初始地应力场等边界条件是不能改变的客观存在，所以在设计过程中，可通过改变施工步序、支护手段、衬砌参数，及调整洞室断面的几何形状及尺寸等措施，来改善围岩应力分布，确保围岩稳定。隧道横断面形状设计方案不是唯一的，有许多方案可供选择，这就有个优化问题[10]。要科学合理确定各个圆心的位置、半径和圆心角，将建筑限界完全包容在内轮廓线内，使几段圆弧画出来的闭合误差最小，且绘图与优化设计快捷、方便，目前尚缺乏设计与建造的统一标准。仅以四心圆隧道横断面的内轮廓线为例，就有半径r1、r2、r3和圆心角φ1、φ2或切点高度h1、h2共5个独立变量[11]；各种类型隧道横断面几何形状和尺寸的优化设计方法更是繁多复杂[12,13]。……