隧道臨界深度及圍巖壓力探討

夏俊強, 向 龍, 王銀國

(1. 四川遠途工程咨詢有限公司， 四川成都 610041;2. 四川省交通廳公路規劃勘察設計研究院 ，四川成都 610041)

?

隧道臨界深度及圍巖壓力探討

夏俊強1, 向 龍2, 王銀國1

(1. 四川遠途工程咨詢有限公司， 四川成都 610041;2. 四川省交通廳公路規劃勘察設計研究院 ，四川成都 610041)

根據《公路隧道設計規范》計算圍巖壓力存在跳躍性、不連續、不合理。文章考慮圍巖綜合粘聚力對隧道圍巖壓力影響，對隧道臨界深度、圍巖壓力進行理解分析研究，提出了新的臨界深度計算公式及隧道圍巖壓力模式，對以后類似研究具有一定的指導和借鑒意義。

隧道； 綜合粘聚力； 臨界深度； 圍巖壓力

JTG D70-2004《公路隧道設計規范》[1]中附錄E與第6.2.3條的相關公式對淺埋隧道分界深度及圍巖壓力給定了相關公式，其公式為鐵路系統根據200多個塌方資料[2]，用數理統計的方法加以整理，從而得出計算各類圍巖坍方高度的經驗公式，用以代替普氏公式。規范公式為經驗公式，圍巖壓力主要與隧道圍巖級別及跨度相關，而普氏公式圍巖壓力主要與隧道跨度、高度、圍巖強度有關。存在一定不足：例如隧道按10 m跨度計算，Ⅳ級圍巖淺埋分界深度為13.5 m，而Ⅴ級圍巖淺埋分界深度為27.0 m，而對于BQ值都接近250的較好Ⅴ級圍巖或較差Ⅳ級圍巖其淺埋分界深度及圍巖壓力存在較大的不連續性，使得結構設計存在一定不合理性，造成工程結構不足或浪費。本文對隧道臨界深度及圍巖壓力的理解進行分析研究，總結出一套全新隧道圍巖壓力，對以后類似研究具有一定的指導和借鑒意義。

1 規范圍巖壓力不合理性

1.1 淺埋隧道分界深度

在TB 10003-2005《鐵路隧道設計規范》及JTG D70-2004《公路隧道設計規范》附錄E與第6.2.3條的相關公式計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為圍巖級別；ω為隧道寬度影響系數，按式(3)計算。

(3)

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

IV、V級圍巖取Hp=2.5hq，小于此深淺埋隧道分界深度，應按淺埋隧道計算荷載(表1)。

1.2 規范中圍巖壓力

《公路隧道設計規范》中圍巖壓力按3種工況給予計算，垂直壓力計算方法分別為：

(1)埋深小于hq工況時：

(4)

表1 圍巖級別對應荷載等效高度

(2)埋深大于hq、小于2～2.5hq時：

(5)

(3)當埋深超過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壓力(kN/m2)；γ為圍巖重度(kN/m3)；λ為側壓力系數；θ為滑面摩擦角；H為隧道埋深；Bt為隧道寬度。

規范中圍巖壓力計算值見表2，圍巖壓力與埋深關系見圖1。

表2 規范圍巖壓力計算值 kN/m2

圖1 圍巖壓力與埋深關系

1.3 規范中圍巖壓力不合理性

(1)例如隧道按10m跨度計算，Ⅳ級圍巖淺埋分界深度為13.5m，而Ⅴ級圍巖淺埋分界深度為27.0m，而對于BQ值都接近250的較好Ⅴ級圍巖或較差Ⅳ級圍巖其淺埋分界深度存在較大的不連續性。

(2)以Ⅴ級圍巖為例，圍巖壓力主要不合理性為：Ⅴ級圍巖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 規范淺埋段圍巖壓力

《公路隧道設計規范》中附錄E淺埋荷載荷載計算方法中對埋深大于hq、小于Hq段落計算方法(圖2)。

圖2 規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，兩側三棱巖體FDB或ECA的重力為Wl，未擾動巖體整個滑動上體的阻力為F，當EFHG下沉，兩側受到阻力T或T′，作用于HG面上的垂直壓力總值Q為：

Q=W-2T′=W-2Tsinθ

(7)

進而推導出：

(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 根據規范推導臨界深度界限

根據《公路隧道設計規范》淺埋土壓力為式(8)，當公式為0的時候，即為臨界深度，即：

(9)

可以推導出：

(10)

側壓力系數(也可取規范中側壓力計算公式E.0.2-7)：

(11)

可以推導：

(12)

式中:φ為上方巖體的加權內摩擦角；θ為圍巖滑面摩擦角。以上推導出公式與《巖土工程手冊》[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。當頂板上方巖體恰好能保持自然平衡而不塌陷時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)

結合以上推導公式(12)，計算臨界深度見表3。

表3 規范臨界深度計算

根據以上計算結果可以看出，Ⅰ級圍巖為32.59倍隧道開挖寬度，Ⅴ級圍巖為11.44倍隧道開挖寬度，顯然不合理，因此規范存在錯誤。

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，對于Ⅰ、Ⅱ級等較好的圍巖，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Q等于零時，即為臨界深度。

W≈BtγH

(16)

可以推導：

(17)

2.2.3 本文理解隧道圍巖壓力模式

本文認為隧道圍巖壓力分為以下三個階段：

(1)當隧道埋深H小于塌落拱高度hp時，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)當隧道埋深H大于塌落拱高度hp時，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)當隧道埋深H大于臨界深度H0時，此時隧道上覆土層W、W1自重土壓力小于摩阻力與粘聚力之和，隧道結構只承受塌落拱W2自重力。

(4)對于圍巖較好、埋深較深時，圍巖壓力還應考慮綜合粘聚力C的影響。當綜合粘聚力C值影響大于塌落拱自重時，隧道處于自穩階段，圍巖壓力可忽略不計。

按以上三階段受力進行分析，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，同時在未達到臨界深度以前，圍巖壓力將出現一個峰值。

3 結論

(1)《公路隧道設計規范》中公式E.0.2-3未考慮土層或巖層綜合粘聚力C值影響，存在錯誤。

(2)本文認為隧道主要承受兩部分力：埋深較淺時主要承受(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，結構計算僅考慮塌落拱高度范圍自重即可。

(3)根據規范計算圍巖壓力存在跳躍性，不合理，主要是由于對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，臨界深度應為式(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，隧道深埋段實際土壓力一般小于規范計算值，規范計算圍巖壓力相對偏于保守；特別是對于圍巖較好、埋深較深時，圍巖壓力還應考慮綜合粘聚力C的影響。當綜合粘聚力C值影響大于塌落拱自重時，隧道處于自穩階段，圍巖壓力可忽略不計。

(5)根據以上計算圍巖壓力將隨著隧道埋深增加連續，同時在未達到臨界深度以前，圍巖壓力將出現一個峰值，此峰值根據地質條件綜合粘聚力C值、θ等相關，因此隧道淺埋段受邊坡坡率及以上等影響，淺埋段結構應加強。

(6)以上公式及受力模式有待進一步研究和驗證，對以后類似研究具有一定的指導和借鑒意義。

[1] JTG D70-2004 公路隧道設計規范[S].

[2] 鐵道第二勘測設計院.鐵路工程設計技術手冊·隧道[M].北京：中國鐵道出版社，1999:141-191.

[3] 《巖土工程手冊》編寫委員會.巖土工程手冊[M].北京:中國建筑工業出版,1994.

夏俊強(1983～) ，男，本科，助理工程師，主要從事公路隧道設計工作。

U451+.2

A

[定稿日期]2016-11-03