削竹式洞门的放样与堵头板的制作

PAGEPAGE6削竹式洞门的放样与堵头板的制作摘要：用数学的方法解决隧道削竹式洞门的放样削竹式顾名思义就是竹子被斜切形成的截面，这是一种新型的洞门形式，它能够最大限度地保持原有的山体平衡和自然景观，减少切削山体和开挖以不会形成不稳定斜坡，符合“早进晚出”的原则，保护了生态环境，同时能够缓和洞内外光线差异，确保司机眼睛的舒适性、视觉的安全性及心理的适应性。其形式美观大方，因而在公路隧道洞门中经常被采用。可是它的放样难倒了很多技术人员，有的无从下手，有的就只是照葫芦画瓢的衬砌台车上画出大致的轮廓，虽然也能就此安装模板，但毕竟不是很标准，总能够看出不太顺畅的曲线，美中不足。所以我想出了一个用数学解决的办法，并经过实践，非常有效，希望能给大家一点帮助。如图这是洞门的设计图，看图得知隧道横截面的半径R=550cm的圆、洞门斜截面的坡比1:n=1:1、斜截面最底端与起拱线之间的竖直距离M=690-550-50=90cm。图Ⅱ根据椭圆的性质：椭圆在水平和竖直方向上的投影是圆或椭圆。如图Ⅱ，其竖直上的投影即为隧道横截面，其圆曲线方程为：图Ⅱx2+y12=R2（方程1）；洞门曲线为一椭圆，根据洞门坡比1：n得出其长半轴为R√(1+n2),短半轴为R,所以此椭圆的曲线方程为：x2/R2+y2/（R2(1+n2)）=1（方程2）；水平投影曲线的长半轴为nR，短半轴为R，其曲线方程为：x2/R2+y22/n2R2=1，（方程3）；可以看出当n=1时也是圆，但这里暂不把具体数值代入。这三个截面的关系可以看成是洞门椭圆曲线分别在水平和竖直上的投影，它们共用一个X轴。所以洞门椭圆曲线上的任意一点在水平和竖直上的投影存在一一对应的关系,即（x,y）,(x,y1),(x,y2)三点一一对应。台车顶上的轴线与Y2轴平行，k为y2平行而得来，k=y2，取值范围同于y2，k∈(-Mn,Rn),根据(x,y1)可以算出这点与Y1轴所夹弧长L。L与k之间也有一一对应的关系，这样可以建立L与k之间的函数方程：已知k,y2=k代入方程3，得x=√(n2R2-k2)/n（这里都取正值），再将x代入方程1得y1=y2/n=k/n，竖直曲线中弧长L所对应的角θ=arctan(x/y1)=arctan((√n2R2-k2)/k),k∈(-Mn,Rn),当Rn≥k>0时，θ=arctan((√n2R2-k2)/k)当k=0时，θ=90o，L=πR/2因为反三角函数值域为［+π/2，-π/2］，而当-Mn≤k＜0时，为大于π/2的角，包含起拱线以下的部分，所以θ=π+arctan((√n2R2-k2)/k)L=πRθ/180,将θ代入即得L与k之间的函数方程L=πR/180·arctan(√(n2R2-k2)/k)Rn≥k>0L=πR/2k=0πR/180·(180+arctan(√(n2R2-k2)/k))-Mn≤k＜0我们代入已知的数值M=90cm，n=1，R=550cm和k的取值就可以求出L了，如表1。表Ⅰ(cm)KLKLKL-90954.3330510.0533137.1-70934.1350484.6535128.7-50914.0380444.4538115.1-30894.0400416.1540105.00863.9430370.354293.950813.9450336.954574.2100763.4470300.454846.9150712.0500236.354933.2180680.6510211.1549.523.5200659.2515197.3549.718.2250604.4520182.5549.9图Ⅲ图Ⅲ300546.6525166.55500.0x只取正值，因为在x为负时与x为正时相对与y1轴对称，利用它的对称性就不需要在算x取负值时的情况了。在实际的操作中还要将台车的位置根据图纸要求的里程和标高调整好，画出台车顶轴线。然后根据求出的L及与之相对应的k值，在台车顶轴线上量出k值，在台车环向方向量出弧长L，用红油漆打点，最后把所有的点再用红油漆平滑的连接起来就是洞门的曲线（如图Ⅲ）。根据经验,最好在越接近洞门顶端，k的取值越密一点，这样在台车上打的点就比较多，连接这些点就容易一些。那么堵头板的放样就是两个椭圆之间的椭圆环，由图Ⅲ可以看出洞门的外轮廓线也是椭圆，衬砌厚度为60cm，长半轴为（R+60）√(1+n2)=610×√2=862.5,短半轴为550+60=610，其方程为x2/6102+y22/862.52=1，（方程4）图Ⅳ根据椭圆的定义（平面上到两点距离之和为定值2a的点的集合），放出堵头板的样，步骤如下：图Ⅳ在一块较大的平地上用卷尺画出x、y轴，再画出与x轴距离为M√(1+n2)=127.3cm的平行线，标出椭圆的两个焦点(焦点在长半轴y轴上，相对于x轴对称，焦距为2*(a^2-b^2)^0.5)；量出长度为2a=1725cm的绳子，将绳子的两头分别钉在两个焦点上，然后用粉笔绷紧绳子在地上画出被与x轴平行线所截的大半椭圆弧；用上步的方法画出洞门内环椭圆弧曲线，两椭圆弧曲线所夹的椭圆环即是堵头板的形状；将木板搭铺在椭圆环上，注意木板之间要上下叠搭，保证木板能够覆盖椭圆环的全部，并按从左到右或从右到左的顺序将木板编号；在木板上再次画出这个椭圆环，这次最好用木工红铅笔来画，在压在下面的木板上画出木板之间的搭接缝线以便木工切锯，如图Ⅳ；木工依据木板上的红线切锯出堵头板，并按编号顺序和台车上画出的洞门曲线进行安装。这样放出的样很精确，完全可以满足公路工程验收规范木模板相邻高差不超过3mm、表面平整度不超过3mm等要求，木工只需根据你的放样来加工和安装模板，做到了心