公路隧道圍巖壓力分析

焦艷紅

（山西省屯留縣交通局，山西 長治 046100）

1 概述

我國鐵路隧道圍巖分類是以圍巖穩(wěn)定性為基礎(chǔ)的。但在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，往往把坑道圍巖的穩(wěn)定性轉(zhuǎn)化為對支護結(jié)構(gòu)的荷載——圍巖壓力來處理，也就是說，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中所關(guān)注的往往是圍巖壓力的大小及其性質(zhì)（分布情況、圍巖壓力方向、分布形狀等）。圍巖類別不同，相應(yīng)的圍巖壓力也不同。

在地層開挖坑道，如果開挖后不支護坑道，往往會遇到這樣一些情況：有的圍巖在開挖后會迅速坍塌，甚至?xí)顫M整個坑道空間，在地表還可以形成一個與坑道體積相仿的坍塌區(qū)；有的圍巖在坑道開挖后會發(fā)生坑道巖塊錯動、掉塊，甚至塌方；有的圍巖開挖后會維持暫時穩(wěn)定，僅在個別地方產(chǎn)生掉塊。這種情況表明，開挖坑道使圍巖原有的平衡狀態(tài)破壞了，坑道周圍一定范圍內(nèi)產(chǎn)生了不同程度的擾動，地質(zhì)情況不同，影響范圍不同。

2 圍巖壓力的分析

為了保證坑道維持需要的凈空間和安全，坑道開挖后一般是必須進行支護的，也就是阻止坑道周圍的圍巖產(chǎn)生移動或下掉。被撓動后的圍巖要移動或要變性，而支護結(jié)構(gòu)要阻止圍巖移動或變性，圍巖就必然會給支護結(jié)構(gòu)施加壓力，這個力就是圍巖壓力?？拥篱_挖前，圍巖處于原先的平衡狀態(tài)。見圖1。

圖1

在距地面H深取一單元體，此時，單元體處于三向應(yīng)力狀態(tài)，變性受到約束，即巖體在“初始應(yīng)力狀態(tài)”時處于相對平衡狀態(tài)，是穩(wěn)定的。在上覆圍巖的重力作用下，初始應(yīng)力大小為：

式中：σx、σy、σz：分別為單元體側(cè)向及垂直應(yīng)力；

γ：圍巖的天然容重；

H：單元體距地表的深度；

λ：側(cè)壓力系數(shù)，在圍巖未擾動情況下。

其中：μ：單軸受壓下的橫向變形系數(shù)，或稱泊桑系數(shù)，其值由巖體性質(zhì)決定。

這里，沒有計巖體在構(gòu)造運動中殘留的、相當大的構(gòu)造應(yīng)力。實際上，構(gòu)造應(yīng)力會改變自重應(yīng)力造成的“初始”應(yīng)力狀態(tài)，因此，真正的初始應(yīng)力狀態(tài)要復(fù)雜得多，只是在目前還很難預(yù)計構(gòu)造應(yīng)力的影響，故在分析中往往略去這一因素。

以垂直應(yīng)力σZ為例，分析了坑道開挖前后的變化。開挖前，在距地面深H處的平面上，垂直壓力都相等，各點均處于三向應(yīng)力狀態(tài)。

由于在H水平面開挖坑道，原先的平衡狀態(tài)破壞了，見圖2，因為坑道內(nèi)巖體移走，坑道周邊處的應(yīng)力得到重新分布。圖2表明了硬巖及軟巖在坑道開挖后應(yīng)力重新分布的情況，這可由實驗或理論分析得到。對于堅硬巖層，坑道周邊應(yīng)力急劇增長，經(jīng)一定距離后逐漸減小到原先的應(yīng)力狀態(tài)；對于松軟或破碎巖層，則由于巖體強度低，不能承受急劇增大的周邊應(yīng)力而形成一低應(yīng)力區(qū)，高應(yīng)力向巖體深部移動，到一定距離后亦逐漸減小到原先的初始應(yīng)力狀態(tài)。

圖2

也就是說，坑道開挖后，在坑道周圍一定范圍內(nèi)影響了初始應(yīng)力狀態(tài)，這個范圍的大小與地質(zhì)條件有關(guān)，一般為坑道開挖跨度的0.5～2.5倍。巖體強度高，影響范圍小，亦即由于堅硬巖層能承受周邊急劇增大的應(yīng)力，可使坑道保持穩(wěn)定，一般只有彈性變形而不被破壞。在松軟、破碎的巖體中，由于巖體不能承受增大的應(yīng)力，在一定范圍內(nèi)的土石就要松動、破壞、向坑道內(nèi)坍塌。

3 圍巖壓力的分布范圍

在完整堅硬的巖體中，若開挖后立即修筑支護結(jié)構(gòu)，則圍巖的彈性變形尚未終止，有一部分彈性變形可能轉(zhuǎn)變?yōu)楹奢d而施加于支護結(jié)構(gòu)上（例如噴混凝土支護那樣）。但若等彈性變形完成后在修筑支護結(jié)構(gòu)，支護結(jié)構(gòu)就不承受荷載（例如模筑襯砌，在堅硬完整的圍巖中，襯砌一般不承載）。

在軟弱、破碎的巖中，開挖坑道后在一定范圍內(nèi)的圍巖要松動、坍塌，該范圍內(nèi)的圍巖就會對支護結(jié)構(gòu)施加力，這也就是所謂的圍巖壓力。巖體強度低、松軟，則松動破壞范圍就大，甚至不但坑道頂部圍巖下榻，而底部圍巖上拱而產(chǎn)生側(cè)壓和低壓。

可見，隧道模筑襯砌所受的圍巖壓力，是襯砌（或支護結(jié)構(gòu)）為了阻止巖塊松動或巖塊移動下榻等形成的荷載。即圍巖壓力具有松動荷載的性質(zhì)。

由上述可知，圍巖壓力類型有垂直壓力、側(cè)壓力、低壓力，它們分別作用在隧道支護結(jié)構(gòu)的頂部、側(cè)幫及底部。

4 圍巖壓力的量測

坑道形狀的選擇、支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計、圍巖壓力理論的進一步深入研究以及坑道施工等，都需要更好地判斷圍巖的穩(wěn)定性，亦即需要更好地確定圍巖的壓力大小、分布、方向等。因此，對于圍巖壓力的實測工作，受到了設(shè)計、研究、施工人員的重視。

圍巖壓力的實測，一般可通過量測支護結(jié)構(gòu)的變形或內(nèi)力，然后推算圍巖壓力的間接量測方法，或用直接量測作用在支護結(jié)構(gòu)上的壓力方法。量測支護結(jié)構(gòu)的變形或內(nèi)力的方法很多，如可用各種類型的支護測力計（有機械式、電測或液壓式等），或在襯砌內(nèi)埋設(shè)各種量測元件（如電子應(yīng)變片、鋼筋應(yīng)變計、遙測應(yīng)變計、混凝土應(yīng)變磚等）量測襯砌的應(yīng)變。

直接量測作用在支護結(jié)構(gòu)上的壓力，可采用各種類型（機械作用式、電測式、液壓式等）的壓力盒等。

此外，還量測圍巖的變形情況（量測中常采用的量測錨桿，或量測坑道斷面開挖后的收斂），及量測圍巖的深部情況（采用圍巖深部應(yīng)力的應(yīng)力計）。

在實驗室，還用模型試驗的方法推算結(jié)構(gòu)上作用的壓力及圍巖變形情況。但是。由于在直接量測壓力時至今無法既量測切向壓力又量反向壓力（在同一測點處）；量的壓力值為圍巖與襯砌間的接觸應(yīng)力，包含了主動壓力和彈性抗力，從測得的接觸應(yīng)力中來確定圍巖值往往不能辦到；由支護結(jié)構(gòu)測得變形或內(nèi)力來反推圍巖壓力值，則仍需假定壓力分布形狀、分布范圍等，這也就難以達到正確確定圍巖壓力問題的預(yù)期目的。就量測技術(shù)本身來說，在精確度和穩(wěn)定性方面還存在問題，有待進一步改進和提高；量測元件的設(shè)置、儀表的操作等對量測結(jié)果會產(chǎn)生影響，這與操作人員的技術(shù)水平及熟練程度有很大的關(guān)系，因此在圍巖壓力量測方面有待于進一步深入探討研究、改進、實踐和提高。