昔格達(dá)組地層深埋隧道圍巖壓力計(jì)算方法探討

許瑞寧

(河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院 石家莊市 050011)

0 引言

昔格達(dá)組為第三系半成巖地層，遇水軟化、易崩解，巖性軟弱，昔格達(dá)地層隧道施工擾動(dòng)后，自穩(wěn)能力極差，易發(fā)生大變形和塌方[1]。昔格達(dá)組原名“混旦組”，因該地層實(shí)際揭露地點(diǎn)昔格達(dá)村而得名[2]。

考慮到昔格達(dá)地層的特殊性，過去的交通建設(shè)以橋涵、路基為主，例如老成昆鐵路多采用繞避方案。新建成昆鐵路米易至攀枝花段擴(kuò)能工程路線大段落穿越昔格達(dá)組地層，其中隧道總長(zhǎng)約12km。徐則民等[3]在研究昔格達(dá)組地層研究中需要注意的若干關(guān)鍵問題時(shí)，提出昔格達(dá)組厚度一般介于數(shù)十米到數(shù)百米之間；王志杰等[4]在研究昔格達(dá)地層隧道圍巖穩(wěn)定性時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)埋深大于45m時(shí)，圍巖穩(wěn)定性對(duì)埋深的敏感性降低；周平等[5]通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬對(duì)昔格達(dá)地層隧道圍巖變形特性曲線及其變形機(jī)理進(jìn)行研究，推導(dǎo)出在彈性、塑性和松動(dòng)區(qū)狀態(tài)下的昔格達(dá)地層圍巖變形公式,得到彈塑性昔格達(dá)地層圍巖變形特性曲線。

以成昆鐵路擴(kuò)能工程米易至攀枝花段桐梓林隧道為工程依托，通過現(xiàn)有圍巖壓力計(jì)算理論、經(jīng)驗(yàn)公式與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析，討論了昔格達(dá)組地層雙線鐵路隧道深埋情況下圍巖壓力計(jì)算方法的適用性，為優(yōu)化昔格達(dá)組地層隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程背景

桐梓林隧道全長(zhǎng)6.092km，單洞雙線隧道于D6K566+214～D6K567+250段穿越第三系昔格達(dá)地層(N2x),最大開挖面積133m2。該地層以頁(yè)巖為主，夾砂巖，部分為頁(yè)巖、砂巖互層，成巖作用差，掌子面揭示為昔格達(dá)組灰色頁(yè)巖夾砂巖。為進(jìn)一步探究昔格達(dá)組地層深埋隧道圍巖壓力分布規(guī)律，選取進(jìn)口DK566+440～DK566+460段作為研究試驗(yàn)段，試驗(yàn)段平均埋深45m,現(xiàn)場(chǎng)施工采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法，Vc型復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。

2 圍巖壓力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

在桐梓林隧道昔格達(dá)組地層試驗(yàn)段內(nèi)選取典型斷面3處開展隧道圍巖壓力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，每個(gè)典型斷面于拱頂、拱腰、拱腳、墻腰、墻腳及仰拱處對(duì)稱設(shè)置11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 圍巖壓力測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2 測(cè)試結(jié)果及分析

通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)，得到了依托工程試驗(yàn)段徑向圍巖壓力分布如圖2所示，計(jì)算得到垂直和水平圍巖壓力的最大值如表1所示。

圖2 試驗(yàn)段測(cè)試斷面徑向圍巖壓力分布(單位：kPa)

表1 測(cè)試斷面拱墻處圍巖壓力豎直和水平方向分量最大值

由圖2和表1可以看出：

(1)試驗(yàn)段3處斷面各測(cè)點(diǎn)圍巖壓力均為正值，即隧道開挖后初期支護(hù)受圍巖擠壓，符合隧道開挖后洞周圍巖變形理論。

(2)隧道開挖后洞周圍巖壓力分布不均勻，DK566+440、DK566+450兩斷面圍巖壓力最大值均位于拱頂，最小值分別位于左拱腰、左墻腰；DK566+445斷面圍巖壓力最大值位于右拱腰，最小值位于右墻腳。當(dāng)隧道洞周圍巖較堅(jiān)硬且較完整時(shí)，圍巖變形相對(duì)較小，因而初期支護(hù)上的圍巖壓力較小；反之，當(dāng)圍巖較破碎且較軟弱時(shí)，初期支護(hù)的圍巖壓力就要大一些。

(3)引入統(tǒng)計(jì)學(xué)中標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)評(píng)價(jià)試驗(yàn)段拱墻處圍巖壓力分布的離散性，如式(1)所示。由式(1)計(jì)算可得測(cè)試斷面拱墻處圍巖壓力離散系數(shù)為0.58～0.63，大于0.5，墻部荷載整體較拱部荷載要小，表明該段昔格達(dá)地層洞周圍巖壓力分布較為離散，進(jìn)行隧道支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按照水平荷載整體偏小、局部應(yīng)力較大考慮。

(1)

(4)試驗(yàn)段隧道徑向圍巖壓力豎向分量最大值位于拱頂處(DK566+445斷面除外)，為112～168kPa，小于根據(jù)《隧規(guī)》計(jì)算所得的深埋隧道垂直均布?jí)毫χ?64.7kPa；徑向圍巖壓力水平分量最大值位于拱腳處(DK566+440斷面除外)，為64.5～105.7kPa，且圍巖水平分量最大值與豎向分量之比大于0.6，大于《隧規(guī)》中V級(jí)圍巖水平均布?jí)毫φ即怪本級(jí)毫Φ娜≈捣秶?.3～0.5。

表明在天然含水率條件(約27%)下，昔格達(dá)組地層隧道開挖后拱部圍巖壓力豎向分量較小，邊墻處圍巖壓力水平分量較大，需要引起注意。

3 昔格達(dá)組地層深埋隧道圍巖壓力計(jì)算

3.1 深埋隧道圍巖壓力計(jì)算方法

目前關(guān)于深埋隧道圍巖壓力計(jì)算方法主要有普氏公式、太沙基理論以及《隧規(guī)》。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料、前人關(guān)于昔格達(dá)土巖土力學(xué)性質(zhì)研究成果以及相關(guān)文獻(xiàn)、規(guī)范[6-9]，給出昔格達(dá)組地層常規(guī)圍巖壓力公式計(jì)算結(jié)果，如圖3所示。

圖3 常規(guī)深埋隧道圍巖壓力公式計(jì)算結(jié)果

3.2昔格達(dá)組地層深埋隧道圍巖壓力計(jì)算

將深埋隧道圍巖壓力常規(guī)計(jì)算理論、經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果分別與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

表2 圍巖壓力理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)最大值平均值的對(duì)比

由表2可以看出：普式公式?jīng)]有考慮隧道埋深的影響以及粘聚力c，用于昔格達(dá)地層深埋隧道圍巖壓力計(jì)算具有一定的局限性；天然含水率條件下，太沙基理論計(jì)算昔格達(dá)地層隧道圍巖壓力則顯得過于保守；由于隧規(guī)圍巖壓力分量與實(shí)測(cè)比值相對(duì)于普氏理論、太沙基理論和實(shí)測(cè)比值更小，相對(duì)更為接近，因此建議采用《隧規(guī)》來(lái)計(jì)算昔格達(dá)組地層深埋隧道的圍巖壓力。

4 結(jié)論與建議

(1)普式公式?jīng)]有考慮隧道埋深的影響以及粘聚力c，用于昔格達(dá)地層深埋隧道圍巖壓力計(jì)算具有一定的局限性，太沙基理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相比過于保守，《隧規(guī)》垂直均布?jí)毫τ?jì)算值264.7kPa大于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值112～168kPa。昔格達(dá)組地層深埋隧道垂直壓力分布不均勻，試驗(yàn)段隧道徑向圍巖壓力豎向分量最大值位于拱頂處，且自拱頂至墻腰處逐級(jí)遞減。

(2)昔格達(dá)組地層深埋隧道水平圍巖壓力分布不均勻，不服從均勻分布和三角形或梯形分布，試驗(yàn)段隧道徑向圍巖壓力水平分量最大值位于拱腳處，向拱頂和墻腳兩個(gè)方向遞減。

(3)天然含水率條件(約27%)下，昔格達(dá)組地層隧道開挖后拱部圍巖壓力豎向分量較小，邊墻處圍巖壓力水平分量較大，需要引起注意。在進(jìn)行昔格達(dá)組地層隧道支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按照水平荷載整體偏小、局部應(yīng)力較大考慮。