圍巖壓力在公路隧道工程施工方法探討

王朝國

(貴州省公路工程集團有限責任公司)

1 圍巖壓力分類

1.1 松動壓力

當公路隧道工程施工時，開挖是必要的施工步驟。但是工程在開挖時，會致使周圍巖體出現松動或者坍塌，這些巖體最終會以重力形式作用在公路的支護結構上。這種作用在公路支護結構上的壓力就被稱為松動壓力。造成這種壓力的直接原因有三種:(1)由整體穩定巖體中個別松動巖石產生;(2)在一些巖體較為松散軟弱的結構中，會出現冒落的巖石給坑道的頂部以及兩側造成壓力;(3)一些裂隙巖體中，巖體會由于各種原因產生部分塌落，從而給隧道帶來松動壓力。從眾多的工程實例對比分析，發現松動壓力受到多種因素的影響，主要有工程的實際開挖方法、圍巖巖體情況、支護、洞形形式等。

1.2 形變壓力

在公路隧道中，圍巖與支護結構相互接觸極為密切，相互間作用也較為明顯。因此，當圍巖發生變形時，會受到支護的結構抑制，從而將變形力作用到支護之上，造成了共同變形的現象。于是，就將圍巖作用在支護結構上的壓力成為形變壓力。

1.3 膨脹壓力

巖體在一定條件下會具備吸水膨脹導致崩解的特點，所以當圍巖發揮這一特質的時候，所引起的壓力通常被稱之為膨脹壓力。形變壓力與膨脹壓力最根本的不同時，膨脹壓力所形成的主要原因是膨脹。

1.4 沖擊壓力

圍巖中有著大量的彈性變形，當這些變形積聚到一定的能量的時候就形成了沖擊壓力，而在進行開挖隧道的時候，由于圍巖的壓力束縛被解除了，所以會釋放出很多壓力。

2 圍巖松動壓力的形成和確定方法

2.1 圍巖松動壓力的形成

深埋坑道開挖后圍巖由變形到坍塌成拱的整個變形過程，稱為圍巖的成拱作用。在成拱過程中形成的相對穩定的拱形坍腔結構，成為自然拱或坍落拱。而坍腔內坍落的巖土形成松動壓力的荷載來源。

除了自然拱與圍巖的接觸狀態、支護結構架設時間、剛度以及圍巖地質條件等因素的影響，自然拱的范圍大小還受到其他因素的影響，比如施工因素、隧道的埋深以及隧道的尺寸和形狀。

2.2 圍巖松動壓力的形成

隧道開挖后，在圍巖應力重分布過程中，頂板開始沉陷，并出現拉斷裂紋，可視為變形階段;頂板的裂紋繼續發展并且張開，由于結構面切割等原因，逐漸轉變為松動，可視為松動階段;頂板巖體視其強度的不同而逐步坍塌，可視為坍塌階段。

2.3 深埋隧道圍巖壓力的確定(工程類比法)

圍巖豎向勻布壓力q按下式計算

式中:S為圍巖級別，S=4～6;γ為圍巖容重，(kN/m3)。

式中:ω為寬度影響系數;B為隧道寬度，m;i為以B=5m為基準，B每增減1m時的圍巖壓力增減率。

當B＜5m，取i=0.2;當B＞5m，取i=0.1。

適用條件:H/B＜1.7

式中:H為隧道高度;深埋隧道，IV—VI級圍巖。

2.4 形變圍巖壓力的確定

地下洞室開挖后，圍巖在沒有松動塌落之前的變形階段，是受到支護結構的限制的，這樣也確保了圍巖的穩定性能。在這一階段，圍巖也將一定的壓力傳遞給了支護結構。這種壓力就是“形變壓力”。

破碎、軟弱圍巖的流變性和塑形比較強，開挖之后，洞室圍巖會在很長時間內存在形變。所以，支護與圍巖間的形變壓力隨著時間的推移而不斷地發展變化，這種現象也就是“時間效應”。

就目前而言，業內還沒有成熟的形變壓力的計算方法。形變壓力的計算指導思想是支護和圍巖的共同作用機理，具體的計算公式為塔羅勃、芬納等人創設的彈塑性平衡理論公式。如果形變壓力的變化由洞壁的位移ur控制，則計算公式如下:

構成全球定位系統的衛星原本用在軍事領域。當它們環繞地球飛行時，會發送它們的時間和位置，蘭德在報告中稱它們為“太空時鐘”。GPS設備的信號至少來自4顆衛星，因此在地球的任何地方都可以精確地定位設備所在的位置。

式中:σ0為巖體中天然應力;φ為巖石的內摩擦角;C為巖石的內聚力;R0為圓形洞室半徑;UR0為洞壁的徑向位移;G為巖石的剪切模量。

3 圍巖壓力的實測方法

3.1 直接量測法

簡單來講，直接量測法就是通過壓力盒來獲得圍巖與支護或襯砌結構之間壓力的方法。該方法的操作中點是，必須要使圍巖與支護或襯砌結構之間能夠緊密接觸，這樣就能夠確保圍巖壓力能夠完全傳遞到壓力盒上，從而保證了測量的準確性。目前廣泛使用的壓力盒種類有很多，主要包括電容式壓力盒、電阻式壓力盒、振弦式壓力盒以及電壓式壓力盒等。

最普通最常用的壓力盒是振弦式壓力盒。該壓力盒的工作原理是，當有力作用在壓力盒上時，機械作用下鋼弦會被拉緊，且鋼弦的振動頻率與鋼弦拉緊程度呈正相關。壓力盒感應線圈獲得由接受器輸入的脈沖電流，從而使得線圈產生磁通，使得鐵芯對鋼弦產生瞬時吸力。而在電流斷開的時候，吸力隨之消失，彈起鋼弦，使得鋼弦出現振動。由于作用壓力不斷地變化，鋼弦振動頻率也在不停地變化，感應線圈中就會產生感應電動勢。當感應電動勢頻率與鋼弦自振頻率一致的時候，導線就能夠將感應電動勢的頻率輸送到接受器，這樣一來，鋼弦振動頻率就能夠被量測出來。最后，通過壓力盒上標定額曲線就能夠查出壓力盒上所受的圍巖壓力。

3.2 間接量測法

間接量測法指的是借助對支護、襯砌或者是圍巖應變或應力的量測來獲得圍巖壓力的方法。最常見的間接量測的方法就是量測圍巖變形法，該方法不僅能夠準確反映圍巖壓力，而且能夠確定圍巖松弛的范圍以及對圍巖的穩定性進行評價。

3.2.1 襯砌(支護)和圍巖的應力或應變量測

(1)應力解除法。該法是將應變計、應變片等貼在已經承載的支護或襯砌結構表面，然后將支護或襯砌上的應力解除，測量獲得解除前后的支護或襯砌結構上的應變值，按照應變應力的本構關系推算出支護或襯砌上受到的壓力。該方法建立在彈性理論的反演分析之上，需要較高的操作技術，需要在較高的工藝技術條件下進行。

(2)襯砌層內埋設應變計法。該方法就是在施工前把應變計埋設在圍巖與支護或襯砌結構之間，通過對支護或襯砌結構內外表面的應變變化進行測量，獲得相應的結果，在此基礎上推算出圍巖壓力。處理應變計外，在隧道施工中經常用到的量測元件還有遙測應變計、鋼弦應變計以及混凝土應變磚等。

(3)電測錨桿法。電測錨桿是一種特制的空心錨桿，在其內壁貼有應變元件。在隧道施工中將其錨固在圍巖中，這樣電測錨桿就會隨著圍巖的變形而變形，這種變形通過應變元件測出，以此來推求圍巖壓力。

3.2.2 位移量測

通過檢測開挖面的位移來判斷圍巖的穩定性在隧道施工中經常被用到，這也是一種非常普遍的量測方法。鋼弦式收斂計是該方法中經常用到的量測儀器。在位移量測中，除了監測開挖斷面位移變化外，還有洞頂下沉位移量測、鉆孔多點位移計等方法。其中，4～12m圍巖深度范圍的位移都可以通過鉆孔多點位移計來量測，根據量測的結果來判斷圍巖的穩定性，可以為噴錨支護提供準確的依據。

4 結束語

隨著我國交通事業的飛速發展，對公路隧道建設工程的要求也逐步提高，關于隧道圍巖壓力的研究需要與現代科學技術結合，更需要在不斷的施工過程中總結經驗，從而促進我國交通事業的進步與發展。

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［2］ 畢繼紅.叢蓉.各種形狀洞室的圍巖壓力分析［J］.地下空間，2004，(1):25－28.

［3］ 肖明清.小間距淺埋隧道圍巖壓力的探討［J］.現代隧道技術，2004，(3):34－40.