周?chē)?guó)金，李九超，董永澤，張超超

(1.中交第三公路工程局有限公司，北京 101304； 2.中交第三公路工程局第四工程分公司，重慶 401120； 3.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710054)

0 引言

本文以濱萊高速公路改擴(kuò)建工程中的4車(chē)道公路隧道樂(lè)疃隧道為依托，通過(guò)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬和理論計(jì)算，對(duì)超大跨度隧道的圍巖壓力和荷載釋放規(guī)律進(jìn)行了相關(guān)研究，尤其是在分部開(kāi)挖過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖共同承載，荷載逐步釋放，為超大跨度公路隧道圍巖壓力的分析和類似工程的設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 工程概況與監(jiān)測(cè)方案

1.1 工程概況

樂(lè)疃隧道位于淄博市博山區(qū)樵嶺前村東北側(cè)800m處，隧道設(shè)計(jì)為分離式雙洞8車(chē)道公路隧道，左線長(zhǎng)2 010m，右線長(zhǎng)1 995m，設(shè)計(jì)速度為100km/h，單洞最大開(kāi)挖跨度為21.5m，最大開(kāi)挖高度為14.3m，扁平率為0.665，屬于超大跨度公路隧道。隧道圍巖以中～強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r為主，圍巖級(jí)別以Ⅳ，Ⅴ級(jí)居多，巖體較破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育。

樂(lè)疃隧道洞口概貌及V級(jí)圍巖狀況如圖1所示。

圖1 樂(lè)疃隧道

監(jiān)測(cè)斷面ZK105+947位于V級(jí)圍巖洞口段，距離隧道出口33m，埋深18m，隧道采用復(fù)合式襯砌，襯砌類型為V級(jí)淺埋，初期支護(hù)采用φ25中空注漿錨桿長(zhǎng)5m、環(huán)向間距1m，鋼架為H200型鋼、縱向間距0.6m，噴射混凝土采用0.3m厚C25，二次襯砌采用70cm厚模筑鋼筋混凝土。該監(jiān)測(cè)斷面施工工法為上臺(tái)階CD法，如圖2所示。

圖2 上臺(tái)階CD法施工

上臺(tái)階CD法施工步驟為：①開(kāi)挖先行導(dǎo)洞1部，每次開(kāi)挖進(jìn)尺2.25m，施作初期支護(hù)Ⅰ上部和臨時(shí)支護(hù)Ⅱ；②待Ⅰ部超前Ⅱ部15～20m時(shí)，開(kāi)挖后行導(dǎo)洞Ⅱ部，每次開(kāi)挖進(jìn)尺2.25m，施作初期支護(hù)III上部；③待Ⅱ部超前III部20～30m時(shí)，開(kāi)挖左、右下導(dǎo)洞III部，左、右下導(dǎo)洞每次開(kāi)挖進(jìn)尺為3～4m，左、右下導(dǎo)洞錯(cuò)開(kāi)開(kāi)挖，并及時(shí)施作初期Ⅰ，III下部；④拆除臨時(shí)支護(hù)Ⅱ，開(kāi)挖IV部，施作初期支護(hù)仰拱IV和二次襯砌V下部，仰拱每次施作6～8m；⑤整體模筑二次襯砌V上部，二次襯砌每次施作9m。

1.2 圍巖壓力監(jiān)測(cè)方案

在隧道的拱頂、兩側(cè)拱腰、兩側(cè)拱腳、兩側(cè)墻腳和仰拱等12個(gè)部位埋設(shè)鋼弦式土壓力盒，以了解圍巖壓力的量值及分布狀態(tài)，判斷圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。土壓力盒測(cè)點(diǎn)布置和現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)如圖3所示。

圖3 圍巖壓力監(jiān)測(cè)

2 圍巖壓力特征分析

2.1 基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的圍巖壓力釋放規(guī)律分析

在監(jiān)測(cè)斷面ZK105+947埋設(shè)土壓力盒對(duì)圍巖壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其圍巖壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 圍巖壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖4a可知，該監(jiān)測(cè)斷面所受?chē)鷰r壓力分布不均，拱頂及仰拱所受?chē)鷰r壓力整體較大，圍巖壓力較大處位于拱頂(0號(hào)點(diǎn))，最大壓力值達(dá)0.196MPa。圍巖壓力穩(wěn)定后，各點(diǎn)的壓力值略有減小。由圖4b可看出，圍巖壓力受施工工序的影響較大，隧道爆破開(kāi)挖后對(duì)圍巖有一定干擾使應(yīng)力產(chǎn)生重分布，致使圍巖壓力出現(xiàn)急劇增長(zhǎng)現(xiàn)象。其中，拱頂(0號(hào)點(diǎn))處圍巖壓力在上臺(tái)階拆除臨時(shí)支護(hù)后迅速增長(zhǎng)。上臺(tái)階先導(dǎo)洞邊墻開(kāi)挖后，右墻腳(8號(hào)點(diǎn))處圍巖壓力急劇增長(zhǎng)，二次襯砌施作后，圍巖壓力趨于相對(duì)穩(wěn)定。

隧道圍巖壓力整體經(jīng)歷了“釋放-再次釋放”的過(guò)程，取不同開(kāi)挖時(shí)刻的圍巖壓力值與最終狀態(tài)的穩(wěn)定壓力值進(jìn)行對(duì)比，比值即為釋放系數(shù)。統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)斷面ZK105+947圍巖壓力釋放系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖5所示。

圖5 圍巖壓力釋放比

由圖5可知，上臺(tái)階后導(dǎo)洞開(kāi)挖后，拱部位置各點(diǎn)的圍巖壓力釋放比達(dá)到0.3～0.6，邊墻開(kāi)挖后，墻腳處釋放的圍巖壓力超過(guò)最終圍巖壓力值，說(shuō)明邊墻開(kāi)挖后，圍巖自承力減弱，支護(hù)結(jié)構(gòu)作用顯著。

2.2 超大跨度公路隧道圍巖壓力統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)現(xiàn)階段超大跨度公路隧道圍巖壓力，如表1所示。

表1 超大跨度公路隧道圍巖壓力

由表1可知，超大跨度公路隧道最大開(kāi)挖跨度多數(shù)>20m，豎向最大圍巖壓力為590kPa，平均豎向圍巖壓力為211.4kPa，水平最大圍巖壓力為610kPa，平均水平圍巖壓力為159.2kPa。

2.3 基于數(shù)值模擬的圍巖壓力計(jì)算

根據(jù)工程勘察報(bào)告和隧道設(shè)計(jì)資料，以樂(lè)疃隧道監(jiān)測(cè)斷面ZK105+947為對(duì)象，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立三維計(jì)算模型，施工方法為上臺(tái)階CD法。根據(jù)圣維南原理，三維計(jì)算模型左、右邊界取80m，下邊界取80m，上邊界參考監(jiān)測(cè)斷面的埋深取18m，模型縱向長(zhǎng)度取40m。為了分析施工過(guò)程中的圍巖壓力，消除模型計(jì)算中邊界效應(yīng)的影響，數(shù)值模擬分析的目標(biāo)面設(shè)置在模型的中間位置。

模型對(duì)工程實(shí)際進(jìn)行簡(jiǎn)化：①將圍巖視為連續(xù)、均勻、各向同性的介質(zhì)，屈服采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則；②不考慮構(gòu)造應(yīng)力，僅考慮灰?guī)r、泥灰?guī)r等自重；③拱部超前小導(dǎo)管注漿加固及系統(tǒng)錨桿采取提高黏聚力、內(nèi)摩擦力形成圍巖加固區(qū)來(lái)模擬；④鎖腳錨管采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，圍巖、初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)、仰拱二次襯砌和仰拱回填均用實(shí)體單元模擬，其中初期支護(hù)鋼架采用等效折算的方法折算到噴射混凝土中，與噴射混凝土共同承載。模型如圖6所示，計(jì)算物理參數(shù)取值如表2所示。

圖6 模型

表2 物理力學(xué)參數(shù)

監(jiān)測(cè)斷面在開(kāi)挖過(guò)程中圍巖應(yīng)力變化規(guī)律應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 監(jiān)測(cè)斷面開(kāi)挖過(guò)程中圍巖豎向應(yīng)力云圖

由圖7可知，上臺(tái)階后導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后，由于掌子面臨空，圍巖應(yīng)力釋放，從隧道拱頂?shù)焦把庁Q向應(yīng)力都有不同程度的降低，拱腳部位有應(yīng)力集中現(xiàn)象。在隧道仰拱開(kāi)挖完成、初期支護(hù)閉合成環(huán)之后，在隧道邊墻存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

在開(kāi)挖過(guò)程中圍巖壓力及釋放比隨施工步的變化規(guī)律分別如圖8，9所示。

圖8 圍巖壓力時(shí)態(tài)曲線

由圖8可知，隧道豎向圍巖壓力隨時(shí)間變化較明顯，在斷面開(kāi)挖之前圍巖壓力隨時(shí)間變化較小。上臺(tái)階后導(dǎo)洞開(kāi)挖之后拱頂處圍巖壓力便迅速釋放，隨時(shí)間不斷增大，最后趨于穩(wěn)定值。水平圍巖壓力要小于豎向圍巖壓力，下臺(tái)階開(kāi)挖之后，邊墻處圍巖壓力快速釋放，最后隨著時(shí)間逐漸趨于穩(wěn)定。分析其原因?yàn)樯吓_(tái)階開(kāi)挖后立即施作初期支護(hù)，隧道上部土體圍巖壓力向下傳遞，使得邊墻處圍巖壓力逐漸增加，下臺(tái)階開(kāi)挖后迅速釋放。

由圖9可知，上臺(tái)階后導(dǎo)洞開(kāi)挖后，豎向圍巖壓力釋放比達(dá)到0.4～0.7，邊墻開(kāi)挖后，墻腳處釋放的圍巖壓力達(dá)到0.8，并超過(guò)最終圍巖壓力值，說(shuō)明邊墻開(kāi)挖后，圍巖自承力減弱，支護(hù)結(jié)構(gòu)作用顯著。

圖9 圍巖壓力釋放比

3 不同圍巖壓力計(jì)算方法分析

3.1 圍巖壓力計(jì)算方法

現(xiàn)階段公路隧道圍巖壓力常用的計(jì)算方法有JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》中公式、太沙基公式、普氏公式和比爾鮑曼公式等。

《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中圍巖壓力計(jì)算方法是根據(jù)隧道埋深不同分別計(jì)算淺埋和深埋條件下的圍巖壓力，其物理概念相對(duì)明確，適用范圍較廣，具體公式為：

q=γ·hq

(1)

hq=0.45·2S-1ω

(2)

ω=1+i(B-5)

(3)

式中：γ為圍巖重度；hq為荷載等效高度；S為圍巖級(jí)別；ω為寬度影響系數(shù)；i為圍巖壓力增減率；B為隧道跨度。

太沙基公式綜合考慮了隧道埋深H、隧道跨度B、隧道高度Ht、圍巖內(nèi)摩擦角φ和圍巖黏聚力c等多種因素的影響，比較全面地反映了圍巖物理力學(xué)參數(shù)和工程因素對(duì)圍巖壓力計(jì)算產(chǎn)生的影響。

太沙基理論計(jì)算公式為：

(4)

a1=a+Httan(45°-φ/2)

(5)

ei=(q+γl)tan2(45°-φ/2)

(6)

式中：K為水平和垂直應(yīng)力的比值，一般取1.0；n為相對(duì)埋深系數(shù)，n=H/a1；a1為洞頂塌落寬度的一半；Ht為隧道開(kāi)挖高度；a為斷面半寬；ei為水平側(cè)壓力。

普氏理論計(jì)算公式為：

P=γh1

(7)

(8)

ei=r(h1+l)tan2(45°-φ/2)

(9)

式中：a為斷面半寬；h為斷面高度；h1為自然拱高度；l為隧道側(cè)壁任意點(diǎn)至隧道拱頂?shù)拇怪本嚯x；f為巖石堅(jiān)固性系數(shù)。

比爾鮑曼公式為：

(10)

ei=(P+γl)tan2(45°-φ/2)

(11)

k1=tanφtan2(45°-φ/2)

(12)

k2=tanφtan(45°-φ/2)

(13)

式中：H為隧道埋深；a1為拱腳至塌落體外緣寬度。

3.2 圍巖壓力計(jì)算方法適用性

為進(jìn)一步研究不同理論計(jì)算公式對(duì)超大跨度公路隧道圍巖壓力計(jì)算的適用性，對(duì)常用的隧道圍巖壓力理論計(jì)算方法影響因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體如表3所示。

表3 圍巖壓力計(jì)算方法特征比較

由表3可知，《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》是根據(jù)理論解析和經(jīng)驗(yàn)公式按隧道埋深不同分別計(jì)算淺埋和深埋條件下的圍巖壓力，其物理概念相對(duì)明確，適用范圍較廣；太沙基公式和比爾鮑曼公式綜合考慮了隧道埋深H、隧道跨度B、隧道高度L、圍巖內(nèi)摩擦角φ和圍巖黏聚力c等多種因素的影響，較全面地反映了圍巖物理力學(xué)參數(shù)和工程因素對(duì)圍巖壓力計(jì)算產(chǎn)生的影響；普氏公式要求圍巖開(kāi)挖后在拱頂能形成一個(gè)自然平衡拱，因此適用于有一定自承力的深埋隧道。

3.3 埋深對(duì)圍巖壓力的影響

采用上述4種理論公式分析超大跨度公路隧道中埋深、跨度對(duì)圍巖壓力的影響，參考依托工程Ⅴ級(jí)圍巖的計(jì)算參數(shù)，具體為：重度γ為19.0kN/m3，黏聚力c為130kPa，內(nèi)摩擦角φ為24°，隧道跨度B為21m，隧道高度L為14.3m，荷載等效高度hq為18.7m，隧道深淺埋分界值Hp為46.8m。圍巖壓力與埋深關(guān)系曲線如圖10所示。

圖10 圍巖壓力與隧道埋深關(guān)系曲線

由圖10可知，采用比爾鮑曼公式計(jì)算得到的圍巖壓力值最大；對(duì)于《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中的公式而言，其整個(gè)曲線存在一個(gè)臨界值，當(dāng)埋深小于此臨界值時(shí)，用的是全土柱公式；當(dāng)埋深大于此臨界值時(shí)，用的是謝家烋公式對(duì)圍巖壓力進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)埋深達(dá)到一定程度，圍巖壓力值發(fā)生突變并逐漸趨于穩(wěn)定，這證明圍巖本身具有一定的承載力；太沙基公式計(jì)算得到的圍巖壓力值隨著埋深的增大而增大，呈拋物線趨勢(shì)且與實(shí)測(cè)值最為接近；普氏公式由于未考慮隧道埋深對(duì)圍巖壓力值的影響，所以得到的計(jì)算壓力值不隨埋深的變化而變化。

3.4 跨度對(duì)圍巖壓力的影響

采用上述4種理論公式分析隧道跨度對(duì)圍巖壓力的影響，如圖11所示。

圖11 圍巖壓力與隧道跨度關(guān)系曲線

由圖11可知，當(dāng)隧道跨度為21.5m時(shí)，實(shí)測(cè)值比理論公式值偏低，且與普氏公式較接近，原因是普氏公式未考慮隧道埋深對(duì)圍巖應(yīng)力的影響，而考慮了自然拱高度及巖石堅(jiān)固系數(shù)；比爾鮑曼公式計(jì)算得到的圍巖壓力值要遠(yuǎn)大于其他公式計(jì)算得到的圍巖壓力值，4種理論公式計(jì)算得到的圍巖壓力值隨跨度增大都呈現(xiàn)線性增大趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托濱萊高速公路改擴(kuò)建工程樂(lè)疃隧道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)圍巖壓力實(shí)測(cè)，并與模擬值和理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，主要得到以下結(jié)論。

1)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中的公式物理概念相對(duì)明確，適用范圍較廣；太沙基公式和比爾鮑曼公式綜合考慮隧道埋深、隧道跨度等多種因素的影響，但物理參數(shù)較多，不利于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和推廣；普氏公式認(rèn)為圍巖開(kāi)挖后在拱頂能形成一個(gè)自然平衡拱，適用于具有一定自承力的深埋隧道。

2)監(jiān)測(cè)斷面各測(cè)點(diǎn)圍巖壓力不均，拱頂和仰拱處的圍巖壓力較大；隨著隧道開(kāi)挖，圍巖壓力經(jīng)歷2次釋放，在上臺(tái)階后導(dǎo)洞開(kāi)挖后，圍巖壓力釋放比>0.4，下臺(tái)階邊墻開(kāi)挖完畢后，圍巖壓力釋放比>0.8。

3)4種圍巖壓力計(jì)算方法得到的圍巖壓力隨埋深變化較大，由于《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》采用2種方法將圍巖壓力分為淺埋和深埋，因此存在一個(gè)臨界壓力；圍巖壓力值隨著開(kāi)挖跨度的增大呈線性增大趨勢(shì)。