劉學增 ,羅仁立

(1.同濟大學建筑設計研究院, 上海200092;2.同濟大學 地下建筑與工程系, 上海200092)

圍巖壓力是巖體擾動產生應力重分配過程中圍巖變形由支護結構的阻擋而在支護與圍巖接觸面上產生的壓力.從根本上說圍巖壓力有兩種:松弛壓力和形變壓力.隧道圍巖壓力的確定大致分為3 種:第1 種是直接測量法;第2 種是工程類比法, 即根據大量實際資料分析統(tǒng)計和總結, 按不同圍巖類別提出圍巖壓力的經驗數值;第3 種方法是在實踐的基礎上從理論上研究圍巖壓力的估算方法.由于影響圍巖壓力的因素很多, 企圖建立一種完善和適合客觀實際情況的圍巖壓力理論及計算方法較為困難.

1907 年俄國學者普羅托奇雅闊諾夫提出圍巖分類,并給出了松散地層和破碎巖體的松弛壓力公式.1922 年Hewett 和Johannesson[1]基于土壓力理論來估算作用在襯砌結構上的壓力大小和分布情況.1946 年泰沙基(K Terzaghi)[2]基于應力傳遞法提出了松散巖體的圍巖壓力計算公式.別爾巴烏麥爾提出涉及淺部采掘空間的圍巖壓力計算.《鐵路隧道設計規(guī)范》(TB10003 —2001)[3]中的基于1025 個塌方資料, 建議了按概率極限狀態(tài)法下以松散體考慮的圍巖壓力計算公式.《 公路隧道設計規(guī)范》(JTGD70 —2004)[4]中提出Ⅳ～Ⅵ級圍巖淺埋隧道荷載計算公式和深埋隧道的圍巖壓力為松散體時的計算公式.它們是在總結以往國內外分類方法的基礎上,針對中國特色的工程實際而提出來的, 基本代表了我國當前圍巖壓力計算的最新水平.但是我國規(guī)范是在統(tǒng)計的基礎上建立的經驗公式, 而統(tǒng)計樣本91 .6 %都在5～10m 寬度的隧道內取得的,在指導當前三車道(15 m)、四車道(21 m)等大跨度隧道時,顯得有些無能為力[5-8].針對這一情況, 本文結合廣州龍頭山大跨度隧道分別采用深、淺埋隧道法(公路隧道設計規(guī)范采用方法)、普氏系數法和別爾巴烏麥爾法[9]計算不同埋深和圍巖級別的圍巖豎向壓力,并與實測值進行對比分析, 討論大跨度隧道豎向圍巖壓力分布規(guī)律.

1 廣州龍頭山圍巖壓力監(jiān)測

1.1 工程概況

龍頭山隧道按上下分離式布置, 左線長1 010 m ,右線長1 002 m ,單洞凈寬18 m ,凈高8 .95 m ,是上下行雙向分離式八車道大斷面公路隧道.隧道范圍內的主要地層為:坡殘積土, 全-強風化花崗巖,弱、微風化花崗巖,巖石風化裂隙發(fā)育一般.V 、IV 級圍巖約占隧道總體的30 %, Ⅲ、Ⅱ級圍巖約占70 %.設計參數見表1 :

表1 設計參數Tab.1 Design parameters

1.2 圍巖壓力監(jiān)測(共12 個斷面)

分別對龍頭山隧道不同圍巖級別的斷面埋設壓力盒.具體監(jiān)測斷面情況見表2,壓力盒測點布置如圖1[10]所示.

表2 監(jiān)測斷面Tab.2 Monitoring cross section

圖1 監(jiān)測斷面壓力盒布置Fig.1 Pressure cell distr ibution

隧道Ⅴ、Ⅳ級圍巖采用雙側壁導洞施工, 圍巖壓力按施工步分步釋放, 對拱頂豎向壓力的實測值根據圍巖內部位移監(jiān)測進行調整.在K 5 +870 斷面共埋設3 套多點位移計, 布置見圖2,該斷面圍巖主要為全-強風化花崗巖,IV 級圍巖,埋深45 m .

圖2 多點位移計布置圖(單位:m)Fig .2 Disp lacement gauge distribution(unit:m)

以第二套多點位移計的時間—位移曲線為例進行分析,見圖3[10],存在4 處明顯突變段,如圖中第Ⅰ～Ⅳ段所示.這4 處突變清晰記錄了洞內不同開挖工序的掌子面到達量測斷面時, 由其引起的圍巖松動位移.其中第Ⅰ段和第Ⅱ段均是由右導洞上臺階掌子面開挖引起的位移突變.當右導洞上臺階掌子面至k5 +873 斷面附近(12 月23 日),施工停止,由此引起第Ⅰ段的位移突變;直到2006 年1 月18 日,該掌子面又開始施工,從而引起第Ⅱ段的位移突變.第Ⅲ段位移突變是由左導洞下臺階掌子面開挖引起的位移突變.第Ⅳ段位移突變是由核心土掌子面開挖引起的位移突變.

圖3 多點位移計的時間—位移曲線Fig.3 Time-displacement curve of displacement gauge

測點A累計位移17 .4 mm ,核心土開挖后產生位移5 .92 mm,占累計位移34 %;測點B累計位移7 .9 mm,核心土開挖產生位移3 .02 mm, 占累計位移38.2 %,測點A、B平均得36 .1 %.隧道開挖后圍巖變形量與圍巖壓力的釋放成正比關系, 在核心土開挖后,埋設壓力盒測得拱頂圍巖豎向壓力是在拱頂圍巖豎向總壓力釋放63 .9 %后測得的,即拱頂壓力盒測得的豎向圍巖壓力占拱頂總豎向圍巖壓力的36 .1 %.

調整后豎向壓力實測值為

式中:F為調整后豎向壓力實測值, kPa, 即為總的圍巖壓力值;f為壓力盒實測值, kPa.對于Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ級圍巖也參照Ⅳ級圍巖處理.

本文中討論的豎向圍巖壓力實測值均為式(1)調整后的圍巖壓力實測值.

2 圍巖壓力計算與實測的對比分析

2 .1 圍巖壓力的不同計算方法與對比

普氏理論考慮毛洞跨度、內摩擦角和毛洞高度,廣泛應用于歐美等國家的隧道設計中.根據公路、鐵路隧道設計規(guī)范中,巖石堅硬強度對應的巖石單軸飽和抗壓強度Rc的數值, 采用其推薦的計算公式f=0 .1Rc,求得對應各級圍巖下的f值.普氏理論的計算公式為[2]:

式中:q為垂直均布壓力,kN ·m-2;γ為圍巖重度,kN ·m-3;B為隧道寬度,m ;hs為隧洞高度,m ;f為堅固系數;φ為圍巖內摩擦角.

別爾巴烏麥爾理論計算公式為[9]:

式中:h為埋深, m .

當埋深大于25 m 時寫成以下形式:

分別采用公路隧道規(guī)范中采用方法即深、淺埋隧道法、普氏系數法和別爾巴烏麥爾法計算各監(jiān)測斷面豎向圍巖壓力, 并與豎向圍巖壓力實測值進行比較, 見表3 .

表3 圍巖豎向壓力值比較Tab.3 Comparison of surrounding rocks pressure calculated by different computing methods

2.2 豎向圍巖壓力與埋深的關系

深埋和淺埋隧道分界,按荷載等效高度值, 并結合地質條件、施工方法等因素綜合判定.荷載等效高度的判定公式為[4]:

式中:Hp為淺埋隧道分界深度,m ;hq為荷載等效高度,m ,計算如下:

式中:q為由礦山法算出的圍巖垂向壓力kN ·m-2,γ為圍巖重度,kN ·m-3.

在龍頭山隧道工程中, Ⅴ級圍巖hq=18 m ,Hp=45 m ;對于Ⅳ級圍巖hq=9 m ,Hp=22 .5 m .

由圖4 看出,淺埋段中,由于普氏系數法不考慮埋深, 認為作用在洞頂圍巖壓力僅為壓力拱內部巖體自重,故在埋深小于hq時計算值較實測值偏大,而在埋深大于hq而小于Hp時計算值偏小;別爾巴烏麥爾法和深、淺埋隧道法對隧道淺埋段普遍偏大,但基本符合實測值趨勢,即埋深大于hq時隨埋深增加而增大, 埋深大于hq而小于Hp時隨埋深增加而減少.在深埋段中, 普氏系數法計算值偏小, 別爾巴烏麥爾法和深、淺埋隧道法計算值普遍大于實測值.

圖4 圍巖壓力與埋深的關系Fig .4 Su rrounding rocks pressure buried dep th relationship

由圖5 可以看出, 在隧道埋深較淺時(30 m 以下),豎向圍巖壓力隨埋深增加而增長;當埋深較深時(40～60 m),豎向圍巖壓力波動較大, 與圍巖等級在Ⅳ級與Ⅲ級間變動有關, 當埋深很深時(6 0 m以上),圍巖壓力趨于平緩.說明豎向圍巖壓力實測值與埋深并沒有明顯的關系.

圖5 豎向圍巖壓力實測值與埋深關系Fig .5 Measured va lue-depth relationship

2 .3 豎向圍巖壓力與圍巖級別的關系

豎向圍巖壓力與圍巖級別的關系見圖6 .

圖6 豎向圍巖壓力與圍巖級別關系Fig .6 Pressure-rock level relationship

對各方法的計算值和實測值與圍巖級別關系進行指數擬合.

豎向圍巖壓力實測值與圍巖級別的關系如下:

式中:y為豎向壓力值,KPa,x為圍巖級別.

深、淺埋隧道法(規(guī)范法)計算圍巖壓力值與圍巖級別的關系如下:

普氏系數法計算圍巖壓力值與圍巖級別的關系:

別爾巴烏麥爾法計算圍巖壓力值與圍巖級別的關系如下:

從以上的統(tǒng)計分析可以看出豎向圍巖壓力實測值, 隨圍巖級別提高而平緩增大.對于高級別圍巖Ⅳ、Ⅴ,普氏系數法計算結果和實測值較為吻合, 而深、淺埋隧道法和別爾巴烏麥爾法計算結果比較一致,但是均大于實測值;對于Ⅱ、Ⅲ級圍巖, 深、淺埋隧道法與實測值較為吻合, 普氏系數法要小于實測值,而別爾巴烏麥爾法則大于實測值.普氏系數法計算值在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級圍巖中相對實測值偏小,在V 級圍巖中較實測值大,總體來說偏不安全.深、淺埋隧道法和別爾巴烏麥爾法在大多數情況下均大于實測值,該兩種方法偏保守.

本文結合廣州龍頭山大跨度隧道圍巖壓力實測值, 考慮了大跨度隧道雙側壁導洞工法對豎向圍巖壓力的釋放, 對豎向圍巖壓力采用了不同計算方法進行計算比較, 得出以下結論:

(1)在圍巖壓力與埋深的關系上,深、淺埋隧道法、別爾巴烏麥爾法與實測值的變化趨勢基本一致,但比實測值偏大, 普氏系數法則比較接近于實測壓力的平均值.

(2)在高級別圍巖Ⅳ、Ⅴ上,普氏系數法計算結果和實測值較為吻合,而深、淺埋隧道法和別爾巴烏麥爾法計算結果比較一致, 但是均大于實測值;在Ⅱ、Ⅲ級圍巖級別上, 深、淺埋隧道法與實測值較為吻合,普氏系數法要小于實測值, 而別爾巴烏麥爾法則大于實測值.

(3)普氏系數法偏不安全,別爾巴烏麥爾法相對深、淺埋隧道法、普氏系數法計算結果較為合理,深、淺埋隧道法結果偏大,偏安全.

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