公路隧道洞口淺埋段圍巖壓力計算方法探討

韓文斌，薛 旋

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

公路山嶺隧道從生態(tài)、環(huán)保角度考慮，嚴(yán)格遵循“早進(jìn)洞、晚出洞”原則，甚至洞口出現(xiàn)“零”開挖現(xiàn)象。為此，隧道進(jìn)、出口需穿越較長淺埋段，該地段圍巖一般以Ⅳ～Ⅵ級為主，地質(zhì)條件較差，開挖過程中易出現(xiàn)圍巖掉塊、坍塌，支護(hù)結(jié)構(gòu)開裂、變形等現(xiàn)象。一直以來，公路隧道洞口被視為隧道實施的重難點、高風(fēng)險區(qū)域。為避免此類現(xiàn)象的發(fā)生，降低工程風(fēng)險，設(shè)計前期需根據(jù)地質(zhì)及周邊情況，選擇合理的計算方法，分析得到圍巖壓力，進(jìn)行支護(hù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保淺埋段洞口的安全、經(jīng)濟(jì)、可靠。常規(guī)淺埋段圍巖壓力按松散體考慮，且至地表，采用荷載-結(jié)構(gòu)法計算時，在一定圍巖厚度范圍內(nèi)圍巖壓力偏大，經(jīng)驗支護(hù)參數(shù)無法滿足設(shè)計要求。若采用地層-結(jié)構(gòu)法計算時，圍巖壓力明顯較小，支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)符合常規(guī)經(jīng)驗值。本文結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗與規(guī)范理論，對洞口淺埋段圍巖壓力計算方法進(jìn)行論述，提出較合理的計算方法，為公路隧道洞口淺埋段圍巖壓力計算提供思路。

1 規(guī)范計算方法及存在的問題

1.1 規(guī)范計算方法

根據(jù)JTG 3370.1-2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(第一冊 土建工程)[1]附錄D規(guī)定(以下簡稱規(guī)范)，淺埋段隧道圍巖壓力計算方法如下：

(1) 超淺埋段：埋深H小于或等于等效荷載高度hq時，垂直壓力視為均布：

q淺1=γ·H

(1)

式中：q淺1為垂直均布壓力，kN/m2;γ為隧道上覆圍巖重度，kN/m3;H為隧道埋深，指隧道至頂面的距離，m。

側(cè)向壓力e按均布荷載考慮時，其值為：

(2)

式中：e淺1為側(cè)向均布壓力，kN/m2;Ht為隧道高度，m;φc為圍巖計算摩擦角，°。

(2) 淺埋段：埋深H大于hq，小于Hp(Ⅳ～Ⅵ級圍巖取Hp=2.5hq)時，圍巖垂直壓力均布荷載:

(3)

式中：q淺2為垂直均布壓力，kN/m2Bt為隧道開挖寬度，m；θ為洞頂開挖寬度范圍下沉巖體與兩側(cè)沿面的摩擦角，°，Ⅳ級圍巖取0.7～0.9φc，Ⅴ級圍巖取0.5～0.7φc。

λ為側(cè)壓力系數(shù)。

(4)

(5)

式中：β為破裂面與水平面夾角，°。

側(cè)壓力視為均布壓力時：

(6)

1.2 存在的問題

從上述公式(1)～(6)看出，隧道洞口淺埋段圍巖壓力按塌落拱等效荷載高度hq為界，分2種情況考慮圍巖坍塌、滑移產(chǎn)生的松散壓力。當(dāng)洞頂埋深H小于或等于等效荷載高度hq時，洞頂至地面深度內(nèi)圍巖均考慮沿兩側(cè)破裂滑移斜面(破裂角為 )整體滑移、坍塌對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生圍巖壓力；當(dāng)埋深H大于hq，小于2.5hq時，洞頂至地面深度內(nèi)圍巖考慮在開挖寬度范圍內(nèi)松散圍巖先下沉，對兩側(cè)巖面產(chǎn)生較大下滑力，從而帶動兩側(cè)巖體沿一定的斜面滑移，最終對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生圍巖壓力，淺埋隧道荷載分布示意見圖1。

圖1 淺埋隧道荷載分布示意圖

從已實施的山嶺隧道來看，上述理論計算公式與實際差別較大，主要存在以下問題：

(1) 一般洞口以Ⅳ～Ⅵ級圍巖為主，按照規(guī)范規(guī)定，洞口段淺、深埋分界深度為2.5hq。以雙車道開挖寬度9 m≤Bt<14 m為例，算得：hq=5～38.3 m，2.5hq=12.5～34.25 m，假定洞口天然地形坡比為1∶1，隧道淺埋段長度與埋深相當(dāng)，淺埋段整體較短，若按上述公式分段計算圍巖壓力，需對應(yīng)2種不同的支護(hù)與襯砌結(jié)構(gòu)，在兩斷面分界處存在擴挖的現(xiàn)象，且支護(hù)與襯砌縱向整體性差，不利于圍巖與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，施工繁瑣。

(2) 對于公式(3)～(6)算得的圍巖壓力較大，相對應(yīng)的支護(hù)與襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)值(支護(hù)與襯砌厚度等)遠(yuǎn)大于規(guī)范建議值與經(jīng)驗值，導(dǎo)致理論與實際不符。

2 計算方法探討

公路隧道淺埋段圍巖壓力計算方法來源于TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》，它以大量的鐵路坍方調(diào)查資料為依據(jù)，通過統(tǒng)計回歸分析，提出了圍巖壓力計算公式。李鵬飛[2]等人對7種圍巖壓力計算公式：普氏公式、太沙基公式、全土柱理論[3]、比爾鮑曼公式以及《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(第一冊 土建工程 JTG 3370.1-2018)、SL 279-2016《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》的建議公式，進(jìn)行了適用性分析與比較，明確了《公路隧道設(shè)計規(guī)范》中給出的建議公式概念明確，適用范圍較為廣泛，但由于隧道在深、淺埋段采用了不同圍巖壓力計算方法，導(dǎo)致深、淺埋交界處出現(xiàn)圍巖壓力突變現(xiàn)象，還需對理論解析進(jìn)一步修正與完善；顧鑫杰[4]等人對山嶺隧道塌方成因進(jìn)行了分析，認(rèn)為在淺埋松散段可采用普氏壓力公式計算圍巖壓力，而對于Ⅰ～Ⅳ級圍巖僅考慮形變壓力。以往研究的內(nèi)容未反應(yīng)規(guī)范中公式的不足或解決方法。

現(xiàn)針對規(guī)范計算方法存在的上述問題，通過舉例分析，提出較合理的計算方法。以雙車道開挖寬度9 m≤Bt<14 m為例，探討合理的圍巖壓力計算方法。參考規(guī)范建議值，Ⅳ級圍巖計算摩擦角取φc=50°～60°，θ=40°～48°，γ=21 kN/m3；Ⅴ級圍巖計算摩擦角取φc=40°～50°，θ=24°～30°,γ=18 kN/m3；Ⅵ級圍巖計算摩擦角取φc=30°～40°，θ=12°～16°，γ=16 kN/m3。

hq=0.45×2s-1ω

(7)

式中：s為圍巖級別；ω為隧道開挖寬度影響系數(shù)。

計算得深、淺埋分界深度分別為：Ⅳ級圍巖為12.5～17.1 m；Ⅴ級圍巖為25.2～34.2 m；Ⅵ級圍巖為50.5～95.75 m。采用上述公式分別對雙車道淺埋段Ⅳ～Ⅵ級圍巖壓力進(jìn)行了計算，取H=hq，得到q淺1、e淺1;H=2.5hq，得到q淺2、e淺2,結(jié)果見表1。不同跨度，各級圍巖壓力與埋深的關(guān)系見圖2～4。

表1 Ⅳ～Ⅵ級圍巖淺埋段圍巖壓力計算表

圖2 淺埋段Ⅳ級圍巖豎向荷載與埋深關(guān)系圖

圖3 淺埋段Ⅴ級圍巖豎向荷載與埋深關(guān)系圖

圖4 淺埋段Ⅵ級圍巖豎向荷載與埋深關(guān)系圖

從表1可以看出圍巖級別越高，淺埋段圍巖壓力比值越小;Ⅳ～Ⅴ級圍巖豎向壓力q淺2與q淺1比均值達(dá)1.88，側(cè)壓力e淺2與e淺1比均值達(dá)1.42，而Ⅵ級圍巖兩者豎向壓力比均值為1.22(最低1.1)，側(cè)壓力比均值為1.16。

從圖2～3可以看出：

(1) 對于Ⅳ～Ⅵ級圍巖，均在洞頂埋深hq、2.5hq處，即超淺埋與淺埋、淺埋與深埋交界面，圍巖壓力出現(xiàn)突變，深、淺埋交界面處突變最大。

(2) 同跨度情況下，洞頂埋深在hq

(3) 從圖3可以看出，Ⅵ級圍巖埋深hq以上部分圍巖壓力增長緩慢，逐步穩(wěn)定，且深、淺埋分界處圍巖壓力沒有較大突變，與工程實際較吻合。

產(chǎn)生上述偏差主要原因為規(guī)范中針對淺埋段圍巖壓力的計算公式假定條件不盡合理：

(1) 規(guī)范中在不同區(qū)段采用了不同的計算理論：超淺埋段采用全土柱理論，淺埋段采用了謝家烋[5]理論，深埋段采用了鐵路隧道經(jīng)驗公式，導(dǎo)致三區(qū)段交界面處出現(xiàn)突變。

(3) 淺埋段洞頂圍巖均按松散體考慮，提出了“全高度松散壓力”的理論公式，即洞頂以上均為連續(xù)塑性松動區(qū)，這也是從洞口安全角度考慮，將淺埋段以塌落拱矢高為界，至深、淺埋分界范圍內(nèi)的圍巖均視為松散塌落范圍。實際淺埋段在開挖前或過程中對圍巖采取了超前加固措施，且在開挖后及時施做了支護(hù)系統(tǒng)，很大程度約束了圍巖變形，并在洞頂以上一定厚度變形逐漸趨于穩(wěn)定?？梢岳斫鉃樗淼篱_挖后僅在塌落拱范圍內(nèi)形成塑性松動區(qū)，以外區(qū)域為逐漸趨于穩(wěn)定的彈性區(qū)，該區(qū)域?qū)a(chǎn)生形變壓力[6]。

為此，對于淺埋段Ⅰ～Ⅴ級圍巖埋深hq

(8)

式中：Pi為作用于隧道結(jié)構(gòu)上任意一點形變壓力， kN/m2;P0為隧道深處原始地應(yīng)力，kN/m2;c為圍巖的粘聚力，kN/m2;φ為圍巖內(nèi)摩擦角，°；a為隧道開挖半徑，m，當(dāng)隧道接近圓形斷面時，可以直接開挖跨徑或高度作為擬合斷面直徑；當(dāng)與圓形斷面差異大時，可以按采用開挖斷面的最小外接圓作為擬合斷面；R為隧道開挖后形成的塑性區(qū)半徑，m；取hq與a之和。

另外，從安全及便于實施角度考慮，洞口淺埋段應(yīng)以合理的圍巖壓力進(jìn)行支護(hù)與襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計，統(tǒng)一結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，即超淺埋與淺埋段間取大值。

3 結(jié) 論

通過上述對山嶺公路雙車道淺埋段圍巖壓力的規(guī)范計算方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與論證，得出以下結(jié)論。

(1) 當(dāng)埋深H小于或等于hq時，按規(guī)范計算的Ⅰ～Ⅵ級圍巖壓力基本與實際吻合，且與經(jīng)驗結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配；

(2) 當(dāng)hq

(3) 公路隧道洞口淺埋段深、淺埋分界合理，淺埋段取圍巖壓力相對大值，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計，以便實施。