山嶺隧道圍巖壓力的確定方法

山嶺隧道圍巖壓力計算方法研究摘要：圍巖壓力是作用在隧道等地下結構物上的主要計算荷載，它的性質(zhì)、大小與分布直接影響到隧道初期支護和二次襯砌結構的合理類型，形狀及尺寸，以及與之相適應的施工方法。因此，如何高效準確的確定隧道圍巖壓力顯得尤為重要。本文介紹了隧道圍巖壓力的分類以及常用的計算理論，并給出了深埋隧道和淺埋隧道圍巖壓力的計算方法，這些方法簡單實用，能夠較為快速的計算出圍巖壓力的大小及分布規(guī)律，為隧道工程的設計提供了一定的參考價值。關鍵詞：圍巖壓力；深埋隧道；淺埋隧道；分布規(guī)律1引言圍巖壓力是作用在隧道等地下結構物上的主要計算荷載，它的性質(zhì)、大小與分布直接影響到隧道初期支護和二次襯砌結構的合理類型，形狀及尺寸，以及與之相適應的施工方法。反之，施工方法的選擇也會影響圍巖壓力的性質(zhì)。因此，比較詳盡的了解圍巖壓力的分布與值域規(guī)律是極為必要的。當下我國隧道工程的設計與施工主要以工程類比法為主，這其中主要的原因就是由于對作用于隧道支護結構上的圍巖壓力的有關規(guī)律還不清楚，造成在工程建設中的一些問題，如設計達不到承載要求造成工程事故，或設計過于保守造成大量的人力物力浪費。因此有必要對圍巖壓力的相關規(guī)律和計算方法進行研究，以對后來的工程建設提供必要的借鑒。2隧道圍巖壓力的分類及計算理論2.1隧道圍巖壓力的分類在我國目前應用較廣的分類方法是根據(jù)圍巖壓力的形成機理，將圍巖壓力分為形變壓力、松動壓力、沖擊壓力和膨脹壓力四類。形變圍巖壓力是由于圍巖塑性變形和塑性擠入、彎折內(nèi)鼓等形成的擠壓力。地下洞室開挖后圍巖的變形包括彈性變形和塑性變形。一般彈性變形在隧道施工過程中就能完成，因此它對支護結構一般不產(chǎn)生擠壓力。而塑性變形具有隨時間增長而增強的特點，如果不及時支護，就會引起圍巖失穩(wěn)破壞，形成較大圍巖壓力。形成形變圍巖壓力的條件有：（1）巖體較松軟或者破碎，這時圍巖二次應力狀態(tài)很容易超過巖體屈服強度而產(chǎn)生較大的塑性變形：（2）深埋洞室，由于圍巖受壓力過大易產(chǎn)生塑性流動變形。松動圍巖壓力是由于圍巖拉裂塌落、塊體滑移及重力塌落等破壞引起的反力，這是一種有限范圍內(nèi)脫落巖體重力施加于支護結構上的壓力，其大小取決于圍巖性質(zhì)、結構而交切組合關系及地下水活動和支護時間等因素。沖擊圍巖壓力是由巖爆形成的一種特殊圍巖壓力。它是強度較高且較完整的彈脆性巖體過度受力后突然發(fā)生巖石彈射變形所引起的圍巖壓力現(xiàn)象。沖擊壓力的大小與原巖應力狀態(tài)、圍巖力學屬性等密切相關。并受到隧道埋深、施工方法及隧道形狀等因素的影響。沖擊壓力目前無法進行準確計算，只能對其產(chǎn)生條件及產(chǎn)生可能性進行定性評價預測。膨脹圍巖壓力主要是由于礦物吸水膨脹產(chǎn)生的對支護結構的擠壓力。因此，膨脹圍巖壓力的形成必須具備兩個基本條件：一是巖體中要有膨脹性黏土礦物（如蒙脫石、伊利石、高嶺石等）；二是要有地下水的作用［1］。2.2計算理論（1）普氏理論圖2.1 普氏理論計算簡圖普氏理論是1907年俄國學者普羅托奇雅闊諾夫提出圍巖分類、并給出了松散地層和破碎巖體的松動壓力公式:

(2-1a)(2-1b)h_%_a+htan(45°—中/2)廣(2-1a)(2-1b)水平壓力計算公式為:(2-1c)e_r(hi+1)tan2(45。一中/2)(2-1c)式中：a-斷面半寬；h-斷面高度；々-自然拱高度；y-圍巖重度;l-隧道側壁任意點至隧道拱頂?shù)拇怪本嚯x；中-圍巖內(nèi)摩擦角;f-巖石堅固性系數(shù)，根據(jù)公路、鐵路隧道設計規(guī)范中，巖石堅硬強度對應的巖石單軸飽和抗壓強度R的數(shù)值，采用其推薦的計算公式f=0.1Ro普氏理論計算圍巖壓力的公式由于概念明確，計算方便而成為五六十年代隧道圍巖壓力計算的常用公式。但在應用中需注意，出于普氏理論要求巖體經(jīng)開挖后洞頂能形成一個自然平衡拱，所以一般適用于深埋隧道。（2）太沙基理論(2-2a)(2-2a)(2-2b)圖2.2太沙基理論計算簡圖泰沙基計算公式考慮了松散材料的內(nèi)部黏聚力、內(nèi)摩擦角和毛洞高度對松動壓力的影響。更適用于計算淺埋隧道圍巖的壓力，垂直壓力計算公式為：ca(y——)

1aq_ (1—e-Ktanp?n)Ktan中ai_a+Htan(45?！?2)水平壓力的計算公式為:(2-2c)e=(q+W)tan2(45。一甲/2)(2-2c)i式中：K-水平應力與垂直壓力的比值，太沙基根據(jù)實驗結果得出K=1.0?1.5,一般取K=1.0；n-相對埋身系數(shù)，n=H/匕；匕-洞頂塌落寬度一半；H「隧道洞室高度；其他參數(shù)同式(2-1)實踐表明，淺埋時利用式(2-2)所算得的圍巖壓力與實際相差較小，而深埋時則誤差較大，因為實際上深埋時，上覆巖體的破裂面已不再是沿著整個巖柱的側面，而是形成一個封閉的拱形曲面，因而將太沙基公司應用于深埋隧洞可能會有較大誤差［1］。3淺埋隧道圍巖壓力計算方法⑵⑶由于埋深不一樣，使得圍巖壓力的作用機理和分布狀態(tài)不一樣，導致淺埋隧道與深埋隧道的圍巖壓力計算方法也是不一樣的?！豆匪淼涝O計規(guī)范》(JTGD70-2004)推薦的淺埋隧道荷載計算方法如下：①淺埋和深埋隧道的分界，按荷載等效高度值，并結合地質(zhì)條件、施工方法等因素綜合判定。按荷載等效高度的判定公式為：H=(2?2.5)h (3.1)式中：H-淺埋隧道分界深度(m)；ph-荷載等效高度(m)，按下式計算：h=q (3.2)qyq-深埋隧道垂直均布壓力(kN/m2)；y-圍巖重度(kN/m3)。在礦山法施工的條件下，W?丑級圍巖取H=2.5h (3.3)I?III圍巖取H=2h (3.4)

②淺埋隧道荷載分下述兩種情況分別計算:1)埋深(H)小于或等于等效荷載高度儒時，荷載視為均布垂直壓力。q=y?H(3.5)式中：q-垂直均布壓力(kN/m2)；Y-隧道上覆圍巖重度(kN/m3),H-隧道埋深，指坑頂全地面的距離(m)。側向壓力e按均布考慮時其值為, 1、 q=y?H(3.5)式中：q-垂直均布壓力(kN/m2)；Y-隧道上覆圍巖重度(kN/m3),H-隧道埋深，指坑頂全地面的距離(m)。側向壓力e按均布考慮時其值為, 1、 …9、e=7(H+ )tan2(45-，)2H 2(3.6)式中：e-側向均布壓力(kN/m2)；H-隧道高度(m)；平"圍巖計算摩擦角(°)。2)埋深大于h小于等于H時，為便于計算，假定土體中形成的破裂面是與水平成面成P，如圖3.1所示。EFHG巖土體下沉，帶動兩側三棱土體(如圖中FDB和ECA)下沉，整個土體ABDC下沉時，又要受到未擾動巖土體的阻力；斜直線AC或BD是假定的破裂面，F(xiàn)H或EG則并非破裂面，分析時考慮內(nèi)聚力C，并采用了計算摩擦角甲；另一滑面c因此，滑面阻力要小于破裂面的阻力，若該滑面的摩擦角為6，則0值應小于中值，無實測資料時，0按表3.1采用。表3.1各級圍巖0值圍巖級別］、II、niIVVVI。值og(0-7?竺甲」(0.5?0.7)乳(0.3?0.5)%c圖3.1淺埋隧道受力分析圖由圖3.1可見，隧道上覆巖體EFHG的重力為W，兩側三棱巖體FDB和ECA的重力為w1,未擾動巖體整個滑動土體的阻力為F,當EFHG下沉，兩側受到阻力T和T，作用于HG面上的垂直壓力總值Q淺為Q淺Q淺=W-2T，=W-2Tsin9（3.7）三棱體自重為（3.8）17h

W=yh -（3.8）12tanP式中：h-坑道底部到地面的距離（m）；P一破裂面與水平面的夾角（°）。由圖據(jù)正弦定理可得將式（3.8）代入可得T= sm(p-.將式（3.8）代入可得T= sm(p-.) wsin[90?！?p-^+9)]iT=-yh2_^2cos0tanP一tan甲X= 方 —tanP[1+tanP(tan甲一tan0)+tan甲tan0]tanP=tan中c+J(tan2中+1)tan中

tan中-tan0（3.9）（3.10）（3.11）（3.12）式中：X-側壓力系數(shù);其它符號意義同前。至此，極限最大阻力T值可以求得。得到T值后，代入式（3.7）可求得作用在HG面上的總垂直壓力Q淺。Q淺=W-2Tsin0=W-yh2Xtan0 （3.13）由于GC、HD與EG、EF相比較往往很小，而且襯砌與土見的摩擦角也不同，前面分析中均按0計，當中間土塊下滑時，由FH和EG面?zhèn)鬟f，考慮壓力稍大些對設計的結構也偏于安全，因此，摩阻力不計隧道部分而只計洞頂部分，即在計算中用H代替h，這樣式（3.13）為

=w-yh2人tan0由于w=bhm,=yH(B—Hktan=yH(B—Hktan0)t換算為作用在支護結構上的均布荷載（圖3.2），即q=烏=yH(1-Hktan0)淺B Bt t（3.14）（3.15）（3.16）圖3.2作用在支護結構上的均布荷載（3.14）（3.15）（3.16）圖3.2作用在支護結構上的均布荷載作用在支護結構兩側的水平側壓力為（3.17）（3.17）（3.17）（3.18）將在隧道并且超過e=yHk1e=yhk2側壓力視為均布壓力時，4深埋隧道圍巖壓力計算方法深埋隧道是指隧道的埋置深度超過一定限值后，由于隧道的開挖，周邊的圍巖內(nèi)形成松動圈而成“自然拱”，成拱作用對地表沒有影響，這個限值后，隧道埋深的增加對自然拱成拱作用沒有影響。I?W級圍巖中的深埋隧道，圍巖壓力為主要形變壓力，其值可按釋放荷載計算。W級以下圍巖，噴射混凝土層將在同圍巖共同變形的過程中對圍巖提供支護抗力，使圍巖變形得到控制，從而使圍巖保持穩(wěn)定。與此同時，噴層將受到來自圍巖的擠壓力。這種擠壓力由圍巖變形引起，常稱做“變形壓力”。W級以下圍巖一般呈現(xiàn)塑性和流變特性，洞室開挖后變形的發(fā)展往往會持續(xù)較久的時間。采用模筑混凝土支護圍巖時，頂替原有臨時支護時擾動圍巖以及襯砌同周圍巖體不密貼都可招致松散壓力，而當坍落發(fā)展到一定程度時，襯砌將與圍巖密貼，并隨圍巖變形的繼續(xù)發(fā)展，襯砌也將受到擠壓，從而經(jīng)受變形壓力。可見圍巖與支護間圍巖壓力的傳遞是一個隨時間的推進而逐漸發(fā)展的過程。這類現(xiàn)象習稱“時間效應”[3]。有限元分析中，變形壓力常在計算過程中同時確定，而作為開挖效應的模擬，直接施加的荷載是在開挖邊界上施加的釋放荷載。釋放荷載可由已知初始地應力或與前一步開挖相應的應力場確定。先求得預計開挖邊界上各節(jié)點的應力，并假定各節(jié)點間應力呈線性分布，然后反轉(zhuǎn)開挖邊界上各節(jié)點應力的方向（改變其符號），據(jù)以求得釋放荷載，如圖4.1所示。5結語圍巖壓力值是進行隧道設計和穩(wěn)定性研究的重要依據(jù)，因此，如何高效準確的確定隧道圍巖壓力顯得尤為重要。一般求解圍巖壓力常采取經(jīng)驗簡化方法，如普氏計算法、太沙基計算方法等。這些經(jīng)驗方法簡單實用，能夠較為快速的計算出圍巖壓力的大小及分布規(guī)律。本文簡要的分析了隧道圍巖壓力的分類以及常用的計算理論，并給出了深埋和淺埋隧道圍巖壓力的計算方法，為隧道工程的設計提供了一定的參考價值。參考文獻伍冬.山嶺隧道圍巖壓力計算方法及其適用性研究.北京交通大學，2012.3吳祖松.公路隧道圍巖壓力計算方法與監(jiān)測研究，重慶交通大學,2008.3《公路隧道設計規(guī)范》(JTGD70--2004)[S].北