夏俊強(qiáng), 向 龍, 王銀國(guó)

(1. 四川遠(yuǎn)途工程咨詢有限公司， 四川成都 610041;2. 四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院 ，四川成都 610041)

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隧道臨界深度及圍巖壓力探討

夏俊強(qiáng)1, 向 龍2, 王銀國(guó)1

(1. 四川遠(yuǎn)途工程咨詢有限公司， 四川成都 610041;2. 四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院 ，四川成都 610041)

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算圍巖壓力存在跳躍性、不連續(xù)、不合理。文章考慮圍巖綜合粘聚力對(duì)隧道圍巖壓力影響，對(duì)隧道臨界深度、圍巖壓力進(jìn)行理解分析研究，提出了新的臨界深度計(jì)算公式及隧道圍巖壓力模式，對(duì)以后類似研究具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

隧道； 綜合粘聚力； 臨界深度； 圍巖壓力

JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中附錄E與第6.2.3條的相關(guān)公式對(duì)淺埋隧道分界深度及圍巖壓力給定了相關(guān)公式，其公式為鐵路系統(tǒng)根據(jù)200多個(gè)塌方資料[2]，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法加以整理，從而得出計(jì)算各類圍巖坍方高度的經(jīng)驗(yàn)公式，用以代替普氏公式。規(guī)范公式為經(jīng)驗(yàn)公式，圍巖壓力主要與隧道圍巖級(jí)別及跨度相關(guān)，而普氏公式圍巖壓力主要與隧道跨度、高度、圍巖強(qiáng)度有關(guān)。存在一定不足：例如隧道按10 m跨度計(jì)算，Ⅳ級(jí)圍巖淺埋分界深度為13.5 m，而Ⅴ級(jí)圍巖淺埋分界深度為27.0 m，而對(duì)于BQ值都接近250的較好Ⅴ級(jí)圍巖或較差Ⅳ級(jí)圍巖其淺埋分界深度及圍巖壓力存在較大的不連續(xù)性，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在一定不合理性，造成工程結(jié)構(gòu)不足或浪費(fèi)。本文對(duì)隧道臨界深度及圍巖壓力的理解進(jìn)行分析研究，總結(jié)出一套全新隧道圍巖壓力，對(duì)以后類似研究具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 規(guī)范圍巖壓力不合理性

1.1 淺埋隧道分界深度

在TB 10003-2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》及JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄E與第6.2.3條的相關(guān)公式計(jì)算深淺埋隧道分界深度：

(1)

(2)

式中：Hp為深淺埋隧道分界深度(m)；hq為荷載等效高度(m)；S為圍巖級(jí)別；ω為隧道寬度影響系數(shù)，按式(3)計(jì)算。

(3)

式中：B為隧道寬度(m)；i為B每增減1m時(shí)的圍巖壓力增減率，B>5m時(shí)取i=0.1。

IV、V級(jí)圍巖取Hp=2.5hq，小于此深淺埋隧道分界深度，應(yīng)按淺埋隧道計(jì)算荷載(表1)。

1.2 規(guī)范中圍巖壓力

《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中圍巖壓力按3種工況給予計(jì)算，垂直壓力計(jì)算方法分別為：

(1)埋深小于hq工況時(shí)：

(4)

表1 圍巖級(jí)別對(duì)應(yīng)荷載等效高度

(2)埋深大于hq、小于2～2.5hq時(shí)：

(5)

(3)當(dāng)埋深超過(guò)深淺埋隧道分界深度，垂直方向荷載：

(6)

式中：q為深埋隧道圍巖垂直均布?jí)毫?kN/m2)；γ為圍巖重度(kN/m3)；λ為側(cè)壓力系數(shù)；θ為滑面摩擦角；H為隧道埋深；Bt為隧道寬度。

規(guī)范中圍巖壓力計(jì)算值見表2，圍巖壓力與埋深關(guān)系見圖1。

表2 規(guī)范圍巖壓力計(jì)算值 kN/m2

圖1 圍巖壓力與埋深關(guān)系

1.3 規(guī)范中圍巖壓力不合理性

(1)例如隧道按10m跨度計(jì)算，Ⅳ級(jí)圍巖淺埋分界深度為13.5m，而Ⅴ級(jí)圍巖淺埋分界深度為27.0m，而對(duì)于BQ值都接近250的較好Ⅴ級(jí)圍巖或較差Ⅳ級(jí)圍巖其淺埋分界深度存在較大的不連續(xù)性。

(2)以Ⅴ級(jí)圍巖為例，圍巖壓力主要不合理性為：Ⅴ級(jí)圍巖27m為淺埋分界深度，但是圍巖壓力分別為200kN/m2及330kN/m2，差別較大，圍巖壓力存在跳躍性。

2 隧道圍巖壓力探討

2.1 規(guī)范淺埋段圍巖壓力

《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中附錄E淺埋荷載荷載計(jì)算方法中對(duì)埋深大于hq、小于Hq段落計(jì)算方法(圖2)。

圖2 規(guī)范中淺埋隧道圍巖壓力

由圖2可見隧道上覆巖體EFHG的重力為W，兩側(cè)三棱巖體FDB或ECA的重力為Wl，未擾動(dòng)巖體整個(gè)滑動(dòng)上體的阻力為F，當(dāng)EFHG下沉，兩側(cè)受到阻力T或T′，作用于HG面上的垂直壓力總值Q為：

Q=W-2T′=W-2Tsinθ

(7)

進(jìn)而推導(dǎo)出：

(8)

2.2 本文理解隧道段受力模式

隧道圍巖壓力模式分為兩部分：第一部分圍巖壓力為W、W1自重、滑移面摩阻力、粘聚力；第二部分圍巖壓力為塌落拱高度hp內(nèi)W2自重力(圖3)。

圖3 本文理解隧道圍巖壓力模式

2.2.1 根據(jù)規(guī)范推導(dǎo)臨界深度界限

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》淺埋土壓力為式(8)，當(dāng)公式為0的時(shí)候，即為臨界深度，即：

(9)

可以推導(dǎo)出：

(10)

側(cè)壓力系數(shù)(也可取規(guī)范中側(cè)壓力計(jì)算公式E.0.2-7)：

(11)

可以推導(dǎo)：

(12)

式中:φ為上方巖體的加權(quán)內(nèi)摩擦角；θ為圍巖滑面摩擦角。以上推導(dǎo)出公式與《巖土工程手冊(cè)》[3]引入臨界開采深度基本一致。該方法考慮隧道上方巖體在重力G作用下而下沉，兩邊巖體則施以摩擦力F阻止該巖體的下沉。當(dāng)頂板上方巖體恰好能保持自然平衡而不塌陷時(shí)的上覆巖體高度稱之為臨界開采深度H0，此高度即為淺埋隧道分界深度。

(13)

結(jié)合以上推導(dǎo)公式(12)，計(jì)算臨界深度見表3。

表3 規(guī)范臨界深度計(jì)算

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可以看出，Ⅰ級(jí)圍巖為32.59倍隧道開挖寬度，Ⅴ級(jí)圍巖為11.44倍隧道開挖寬度，顯然不合理，因此規(guī)范存在錯(cuò)誤。

2.2.2 本文理解臨界深度界限

式(7)中未考慮隧道滑移面綜合粘聚力C的影響，對(duì)于Ⅰ、Ⅱ級(jí)等較好的圍巖，綜合粘聚力C的影響較大，式(7)修改為：

Q=W-2Tsinθ-2Ch

(14)

式中:C為圍巖綜合粘聚力；h為隧道埋深。

Q=W-γh2λtanθ-2Ch

(15)

當(dāng)Q等于零時(shí)，即為臨界深度。

W≈BtγH

(16)

可以推導(dǎo)：

(17)

2.2.3 本文理解隧道圍巖壓力模式

本文認(rèn)為隧道圍巖壓力分為以下三個(gè)階段：

(1)當(dāng)隧道埋深H小于塌落拱高度hp時(shí)，隧道承受兩部分力，一是上覆土層W、W1自重土壓力與摩阻力、粘聚力之差，二是部分塌落拱W2自重力。

(2)當(dāng)隧道埋深H大于塌落拱高度hp時(shí)，隧道承受兩部分力，一是上覆土層W、W1自重土壓力與摩阻力、粘聚力之差，二是塌落拱W2自重力。

(3)當(dāng)隧道埋深H大于臨界深度H0時(shí)，此時(shí)隧道上覆土層W、W1自重土壓力小于摩阻力與粘聚力之和，隧道結(jié)構(gòu)只承受塌落拱W2自重力。

(4)對(duì)于圍巖較好、埋深較深時(shí)，圍巖壓力還應(yīng)考慮綜合粘聚力C的影響。當(dāng)綜合粘聚力C值影響大于塌落拱自重時(shí)，隧道處于自穩(wěn)階段，圍巖壓力可忽略不計(jì)。

按以上三階段受力進(jìn)行分析，可見圍巖壓力隨著埋深的增加，圍巖壓力不存在跳躍性，圍巖壓力將隨著隧道埋深增加連續(xù)，同時(shí)在未達(dá)到臨界深度以前，圍巖壓力將出現(xiàn)一個(gè)峰值。

3 結(jié)論

(1)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中公式E.0.2-3未考慮土層或巖層綜合粘聚力C值影響，存在錯(cuò)誤。

(2)本文認(rèn)為隧道主要承受兩部分力：埋深較淺時(shí)主要承受(部分)塌落拱自重及上覆土層自重、摩阻力、粘聚力合力；埋深大于臨界深度時(shí)，結(jié)構(gòu)計(jì)算僅考慮塌落拱高度范圍自重即可。

(3)根據(jù)規(guī)范計(jì)算圍巖壓力存在跳躍性，不合理，主要是由于對(duì)隧道受力三階段以及臨界深度未考慮綜合粘聚力C值有關(guān)，臨界深度應(yīng)為式(17)。

(4)由于隧道開挖拱部一般為圓形開挖，塌落拱段部分土被開挖，塌落拱自重減少，隧道深埋段實(shí)際土壓力一般小于規(guī)范計(jì)算值，規(guī)范計(jì)算圍巖壓力相對(duì)偏于保守；特別是對(duì)于圍巖較好、埋深較深時(shí)，圍巖壓力還應(yīng)考慮綜合粘聚力C的影響。當(dāng)綜合粘聚力C值影響大于塌落拱自重時(shí)，隧道處于自穩(wěn)階段，圍巖壓力可忽略不計(jì)。

(5)根據(jù)以上計(jì)算圍巖壓力將隨著隧道埋深增加連續(xù)，同時(shí)在未達(dá)到臨界深度以前，圍巖壓力將出現(xiàn)一個(gè)峰值，此峰值根據(jù)地質(zhì)條件綜合粘聚力C值、θ等相關(guān)，因此隧道淺埋段受邊坡坡率及以上等影響，淺埋段結(jié)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)。

(6)以上公式及受力模式有待進(jìn)一步研究和驗(yàn)證，對(duì)以后類似研究具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

[1] JTG D70-2004 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 鐵道第二勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)·隧道[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1999:141-191.

[3] 《巖土工程手冊(cè)》編寫委員會(huì).巖土工程手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版,1994.

夏俊強(qiáng)(1983～) ，男，本科，助理工程師，主要從事公路隧道設(shè)計(jì)工作。

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[定稿日期]2016-11-03