昔格達組地層深埋隧道圍巖壓力計算方法探討

許瑞寧

(河北省交通規劃設計院 石家莊市 050011)

0 引言

昔格達組為第三系半成巖地層，遇水軟化、易崩解，巖性軟弱，昔格達地層隧道施工擾動后，自穩能力極差，易發生大變形和塌方[1]。昔格達組原名“混旦組”，因該地層實際揭露地點昔格達村而得名[2]。

考慮到昔格達地層的特殊性，過去的交通建設以橋涵、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能工程路線大段落穿越昔格達組地層，其中隧道總長約12km。徐則民等[3]在研究昔格達組地層研究中需要注意的若干關鍵問題時，提出昔格達組厚度一般介于數十米到數百米之間；王志杰等[4]在研究昔格達地層隧道圍巖穩定性時發現當埋深大于45m時，圍巖穩定性對埋深的敏感性降低；周平等[5]通過現場監測和數值模擬對昔格達地層隧道圍巖變形特性曲線及其變形機理進行研究，推導出在彈性、塑性和松動區狀態下的昔格達地層圍巖變形公式,得到彈塑性昔格達地層圍巖變形特性曲線。

以成昆鐵路擴能工程米易至攀枝花段桐梓林隧道為工程依托，通過現有圍巖壓力計算理論、經驗公式與現場測試結果對比分析，討論了昔格達組地層雙線鐵路隧道深埋情況下圍巖壓力計算方法的適用性，為優化昔格達組地層隧道支護結構設計提供依據。

1 工程背景

桐梓林隧道全長6.092km，單洞雙線隧道于D6K566+214～D6K567+250段穿越第三系昔格達地層(N2x),最大開挖面積133m2。該地層以頁巖為主，夾砂巖，部分為頁巖、砂巖互層，成巖作用差，掌子面揭示為昔格達組灰色頁巖夾砂巖。為進一步探究昔格達組地層深埋隧道圍巖壓力分布規律，選取進口DK566+440～DK566+460段作為研究試驗段，試驗段平均埋深45m,現場施工采用三臺階臨時仰拱法，Vc型復合式襯砌結構。

2 圍巖壓力現場測試

2.1 測點布置

在桐梓林隧道昔格達組地層試驗段內選取典型斷面3處開展隧道圍巖壓力現場監測，每個典型斷面于拱頂、拱腰、拱腳、墻腰、墻腳及仰拱處對稱設置11個監測點，測點布置如圖1所示。

圖1 圍巖壓力測點布置圖

2.2 測試結果及分析

通過數理統計，得到了依托工程試驗段徑向圍巖壓力分布如圖2所示，計算得到垂直和水平圍巖壓力的最大值如表1所示。

圖2 試驗段測試斷面徑向圍巖壓力分布(單位：kPa)

表1 測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)試驗段3處斷面各測點圍巖壓力均為正值，即隧道開挖后初期支護受圍巖擠壓，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。當隧道洞周圍巖較堅硬且較完整時，圍巖變形相對較小，因而初期支護上的圍巖壓力較小；反之，當圍巖較破碎且較軟弱時，初期支護的圍巖壓力就要大一些。

(3)引入統計學中標準差來評價試驗段拱墻處圍巖壓力分布的離散性，如式(1)所示。由式(1)計算可得測試斷面拱墻處圍巖壓力離散系數為0.58～0.63，大于0.5，墻部荷載整體較拱部荷載要小，表明該段昔格達地層洞周圍巖壓力分布較為離散，進行隧道支護設計時，應按照水平荷載整體偏小、局部應力較大考慮。

(1)

(4)試驗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《隧規》計算所得的深埋隧道垂直均布壓力值264.7kPa；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》中V級圍巖水平均布壓力占垂直均布壓力的取值范圍0.3～0.5。

表明在天然含水率條件(約27%)下，昔格達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 昔格達組地層深埋隧道圍巖壓力計算

3.1 深埋隧道圍巖壓力計算方法

目前關于深埋隧道圍巖壓力計算方法主要有普氏公式、太沙基理論以及《隧規》。

根據地質勘察資料、前人關于昔格達土巖土力學性質研究成果以及相關文獻、規范[6-9]，給出昔格達組地層常規圍巖壓力公式計算結果，如圖3所示。

圖3 常規深埋隧道圍巖壓力公式計算結果

3.2昔格達組地層深埋隧道圍巖壓力計算

將深埋隧道圍巖壓力常規計算理論、經驗公式結果分別與現場實測結果進行對比，如表2所示。

表2 圍巖壓力理論計算值與實測最大值平均值的對比

由表2可以看出：普式公式沒有考慮隧道埋深的影響以及粘聚力c，用于昔格達地層深埋隧道圍巖壓力計算具有一定的局限性；天然含水率條件下，太沙基理論計算昔格達地層隧道圍巖壓力則顯得過于保守；由于隧規圍巖壓力分量與實測比值相對于普氏理論、太沙基理論和實測比值更小，相對更為接近，因此建議采用《隧規》來計算昔格達組地層深埋隧道的圍巖壓力。

4 結論與建議

(1)普式公式沒有考慮隧道埋深的影響以及粘聚力c，用于昔格達地層深埋隧道圍巖壓力計算具有一定的局限性，太沙基理論計算結果與實測結果相比過于保守，《隧規》垂直均布壓力計算值264.7kPa大于現場實測值112～168kPa。昔格達組地層深埋隧道垂直壓力分布不均勻，試驗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遞減。

(2)昔格達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，向拱頂和墻腳兩個方向遞減。

(3)天然含水率條件(約27%)下，昔格達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。在進行昔格達組地層隧道支護設計時，應按照水平荷載整體偏小、局部應力較大考慮。