深埋隧道圍巖壓力分布特點

崔達

（中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089）

1 引言

隨著我國交通設施的不斷完善，越來越多的公路工程開始在山地丘陵區建設。為了保證線形平順，設置隧道工程是不可避免的。當隧道埋深過大，圍巖容易產生大變形，造成施工困難、支護成本提高等。如果處治不當，可能導致一定程度的經濟損失和人員傷亡。鑒于此，國內外很多學者借助數值模擬、理論推導、室內試驗、現場監測等方法手段研究了深埋隧道圍巖壓力，并取得了許多成果。比如，安永林[1]基于非線性破壞準則下，推導出一種深埋隧道圍巖壓力計算新方法，與規范法誤差較小；何知思[2]根據當地多條深埋隧道圍巖壓力監測數據，擬合出了預測模型。因此，進一步研究深埋隧道圍巖壓力分布特點具有十分重要的工程價值。

2 深埋隧道圍巖壓力類型及機理

無論隧道圍巖是否施加支護結構，圍巖壓力都是客觀存在的。隧道在堅硬巖體中開挖時，巖體自身強度一般大于二次應力強度，理論上無須加支護措施；而在軟弱破碎、松散巖體中開挖隧道時，圍巖強度低，需施加支護結構后才能保持穩定狀態。

1）松動壓力。巖體因隧道施工擾動產生坍塌，并以重力形式作用在支護結構上的壓力叫作松動壓力。松動壓力多產生在掌子面頂部或兩側，主要原因在于：一方面，圍巖巖體節理裂隙發育，在自重作用下出現脆性破裂；另一方面，圍巖巖體雖然堅硬、完整，但是在爆破擾動下，局部掉塊。

2）變形壓力。在隧道圍巖壓力作用下，圍巖與支護結構會共同變形。在此過程中，圍巖對支護結構所施加的接觸壓力稱之為變形壓力。變形壓力不僅與圍巖應力狀態相關，還受支護時間和支護結構剛度的影響。一般情況下，支護時間越早，支護結構的剛度越大，變形壓力也越大。比如圖1 中的B 支護和C 支護的支護時間相同，但B 支護剛度＞C 支護，B 支護所受到的接觸壓力更大；再比如A 支護和C 支護的剛度相同，但A 支護施工時間早于C 支護，A 支護所受到接觸壓力更大。

圖1 變形壓力與支護關系（A、B、C、D 是不同的圍巖支護）

3）沖擊壓力。沖擊壓力在深埋隧道中十分普遍。因隧道埋深較大，圍巖中會積聚大量的彈性變形能量。隧道開挖后，圍巖約束解除，破壞了圍巖原有的應力平衡狀態，變形能量在短時間內突然釋放，形成沖擊壓力，產生大量的巖體碎片，對施工人員生命安全有很大危害。

4）膨脹壓力。圍巖膨脹壓力一般出現含有伊利石、蒙脫石、石膏、無水芒硝等親水性礦物的巖體中。隧道開挖后地下水可能向圍巖方向滲流，導致含有親水性礦物的圍巖吸水后體積膨脹而產生膨脹壓力。當膨脹壓力超過大于支護結構的支護力時，隧道圍巖被破壞。

3 深埋隧道圍巖壓力計算方法

3.1 規范法

3.1.1 深埋隧道判定

根據JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規范》，可用“荷載等效高度值hq”來判斷某一隧道時淺埋還是深埋[3]。hq的計算可按式（1）、式（2）：

式中，Hp為深埋和淺埋隧道分界高度，m；q為隧道垂直均布壓力，kPa；r為圍巖重度，kN/m3。

當隧道埋深H＞Hp時，該隧道屬于深埋隧道。

3.1.2 圍巖壓力計算

深埋隧道的垂直圍巖壓力Qv計算可按式（3）、式（4）：

式中，S為圍巖級別，隧道圍巖根據BQ 值可分為I～VI 級；w為寬度影響系數，無量綱；B為隧道寬度，m；i為圍巖壓力增減率，B＜5 m 時i取0.2，B＞5 m 時，i取0.1。

深埋隧道的水平圍巖壓力Qh取決于垂直圍巖壓力Qv和圍巖級別，可查表1 計算[4]。

表1 深埋隧道水平圍巖壓力

3.2 數值分析法

對于地質條件復雜的深埋隧道圍巖，可采用數值分析法計算其圍巖壓力分布，從而對隧道支護參數或支護方案進行優化。目前，公路深埋隧道圍巖壓力計算時常用的數值分析法包括有限元法、離散元法、有限差分法。各種數值模擬軟件計算結果更加準確，能分析深埋隧道圍巖體內部任一點的應力應變關系，并能夠在較短的時間內得到不同工況下的圍巖壓力分布特點，大幅提升了隧道圍巖壓力計算效率，并避免了理論計算法中一些不合理的假設條件[5]。

4 不同工況下的深埋隧道圍巖壓力分布

4.1 工程概況

本文依托某高速公路深埋軟巖隧道，利用有限元軟件Midas GTS 建立計算模型，分析了其在不同工況下的圍巖壓力變化規律。該深埋隧道采用雙向分離式設計，左線隧道長1 856 m，右線長1 862 m，均屬于長隧道。由地勘成果和設計文件可知，隧道巖性為三疊系泥頁巖、泥灰巖，呈中風化狀態，節理、裂隙較發育，完整性較差，遇水易軟化崩解，屬V 級圍巖，圍巖支護方案為Vb 型復合式襯砌。隧道圍巖及支護結構的計算參數如表2 所示。

表2 隧道計算參數

4.2 有限元計算模型建立

4.2.1 假設條件

為了兼顧深埋隧道圍巖壓力計算的效率和精確度，作出了以下假設：（1）圍巖和支護結構都視為均質、連續、各向同性的彈塑性材料，且屈服準則選擇摩爾-庫倫本構模型；（2）不考慮隧道開挖支護的時間間歇；（3）初始圍巖地應力時只考慮其自重應力，不考慮地下水滲流。

4.2.2 模擬單元選擇

該深埋軟巖隧道的圍巖和二次襯砌使用實體單元模擬，噴射混凝土采用板單元模擬，鋼拱架和鎖腳錨桿采用梁單元模擬，水泥砂漿錨桿采用cable 單元模擬。

4.2.3 邊界條件和網格劃分

考慮到邊界效應對圍巖壓力的影響，該隧道計算模型尺寸為取100 m×100 m×30 m，并在模型的前、后、左、右邊界和底部邊界條件設置位移約束，頂部邊界無約束（可自由變形）。對于靠近隧道的巖體，網格數量適當加密，網格尺寸取0.5 m；對于遠離隧道的巖體，網格數量適當加密，網格尺寸取1 m。最終，隧道計算模型共劃分了2 899 個單元、3 658 個節點。

4.3 隧道埋深對圍巖壓力的影響

利用Midas/GTS 計算了圍巖埋深為200 m、250 m、300 m、350 m、400 m 時，深埋隧道的圍巖垂直壓力變化規律，計算結果見圖2。

圖2 不同埋深下隧道圍巖壓力

由圖2 可知：隨著隧道埋深的增加，圍巖壓力也隨之增加，且兩者之間基本呈線性正相關關系。當隧道厚度由200 m增加至400 m，其圍巖壓力提升幅度分別為1.1 MPa、0.9 MPa、1.1 MPa、1.2 MPa。由此可知，隧道埋深每增加50 m，圍巖壓力平均增加1.075 MPa。同時，利用線性函數擬合了圍巖壓力y和隧道埋深x的關系，擬合公式為y=0.021 2－3.06x，相關系數達到了0.998，精確度滿足工程需求。利用上式，可預測不同隧道埋深下，其圍巖壓力值。

4.4 圍巖彈性模型對圍巖壓力的影響

利用有Midas/GTS 計算了圍巖彈性模量為0.1 GPa、0.2 GPa、0.3 GPa、0.4 GPa、0.5 GPa 時，深埋隧道的圍巖垂直壓力，如圖3 所示。

圖3 不同圍巖彈性模量下隧道圍巖壓力

由圖3 可知：深埋隧道圍巖壓力隨圍巖彈性模量的增加而增加，但增加速率并不固定。當圍巖彈性模量＜0.3 GPa，圍巖壓增加速率較快；當圍巖彈性模量＞0.3 GPa，圍巖壓增加速率變化。當深埋隧道圍巖彈性模量由0.1 GPa 增加至0.5 GPa，其圍巖壓力分別提高了0.7 MPa、0.6 MPa、0.3 MPa、0.2 MPa。由此可知，圍巖彈性模量每增加0.1 GPa，圍巖壓力平均增加0.45 MPa。

5 結語

本文研究了深埋隧道的圍巖壓力類型、圍巖壓力計算方法，并依托某高速公路軟巖隧道，并利用Midas/GTS 計算了不同工況下隧道的圍巖壓力，主要得到以下結論：（1）深埋隧道圍巖壓力可根據產生機理不同劃分為松動壓力、變形壓力、沖擊壓力、膨脹壓力；（2）深埋隧道圍巖壓力計算可采用規范法或數值分析法；（3）隨著隧道埋深和圍巖彈性模型的增加，深埋隧道的圍巖壓力不斷增加；（4）深埋隧道埋深每增加50 m，圍巖彈性模量每增加0.1 GPa，圍巖壓力分別增加1.075 MPa、0.45 MPa。