大跨度公路隧道圍巖豎向壓力分布特征探討

劉學(xué)增 ,羅仁立

(1.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院, 上海200092;2.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系, 上海200092)

圍巖壓力是巖體擾動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)力重分配過(guò)程中圍巖變形由支護(hù)結(jié)構(gòu)的阻擋而在支護(hù)與圍巖接觸面上產(chǎn)生的壓力.從根本上說(shuō)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(cè)量法;第2 種是工程類(lèi)比法, 即根據(jù)大量實(shí)際資料分析統(tǒng)計(jì)和總結(jié), 按不同圍巖類(lèi)別提出圍巖壓力的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值;第3 種方法是在實(shí)踐的基礎(chǔ)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(shí)際情況的圍巖壓力理論及計(jì)算方法較為困難.

1907 年俄國(guó)學(xué)者普羅托奇雅闊諾夫提出圍巖分類(lèi),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(lái)估算作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的壓力大小和分布情況.1946 年泰沙基(K Terzaghi)[2]基于應(yīng)力傳遞法提出了松散巖體的圍巖壓力計(jì)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(jì)算.《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003 —2001)[3]中的基于1025 個(gè)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(jì)算公式.《 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD70 —2004)[4]中提出Ⅳ～Ⅵ級(jí)圍巖淺埋隧道荷載計(jì)算公式和深埋隧道的圍巖壓力為松散體時(shí)的計(jì)算公式.它們是在總結(jié)以往國(guó)內(nèi)外分類(lèi)方法的基礎(chǔ)上,針對(duì)中國(guó)特色的工程實(shí)際而提出來(lái)的, 基本代表了我國(guó)當(dāng)前圍巖壓力計(jì)算的最新水平.但是我國(guó)規(guī)范是在統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上建立的經(jīng)驗(yàn)公式, 而統(tǒng)計(jì)樣本91 .6 %都在5～10m 寬度的隧道內(nèi)取得的,在指導(dǎo)當(dāng)前三車(chē)道(15 m)、四車(chē)道(21 m)等大跨度隧道時(shí),顯得有些無(wú)能為力[5-8].針對(duì)這一情況, 本文結(jié)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(shè)計(jì)規(guī)范采用方法)、普氏系數(shù)法和別爾巴烏麥爾法[9]計(jì)算不同埋深和圍巖級(jí)別的圍巖豎向壓力,并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)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(cè)

1.1 工程概況

龍頭山隧道按上下分離式布置, 左線長(zhǎng)1 010 m ,右線長(zhǎng)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(chē)道大斷面公路隧道.隧道范圍內(nèi)的主要地層為:坡殘積土, 全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,弱、微風(fēng)化花崗巖,巖石風(fēng)化裂隙發(fā)育一般.V 、IV 級(jí)圍巖約占隧道總體的30 %, Ⅲ、Ⅱ級(jí)圍巖約占70 %.設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1 :

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters

1.2 圍巖壓力監(jiān)測(cè)(共12 個(gè)斷面)

分別對(duì)龍頭山隧道不同圍巖級(jí)別的斷面埋設(shè)壓力盒.具體監(jiān)測(cè)斷面情況見(jiàn)表2,壓力盒測(cè)點(diǎn)布置如圖1[10]所示.

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

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

隧道Ⅴ、Ⅳ級(jí)圍巖采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞施工, 圍巖壓力按施工步分步釋放, 對(duì)拱頂豎向壓力的實(shí)測(cè)值根據(jù)圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)進(jìn)行調(diào)整.在K 5 +870 斷面共埋設(shè)3 套多點(diǎn)位移計(jì), 布置見(jiàn)圖2,該斷面圍巖主要為全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,IV 級(jí)圍巖,埋深45 m .

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

以第二套多點(diǎn)位移計(jì)的時(shí)間—位移曲線為例進(jìn)行分析,見(jiàn)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(nèi)不同開(kāi)挖工序的掌子面到達(dá)量測(cè)斷面時(shí), 由其引起的圍巖松動(dòng)位移.其中第Ⅰ段和第Ⅱ段均是由右導(dǎo)洞上臺(tái)階掌子面開(kāi)挖引起的位移突變.當(dāng)右導(dǎo)洞上臺(tái)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(kāi)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(dǎo)洞下臺(tái)階掌子面開(kāi)挖引起的位移突變.第Ⅳ段位移突變是由核心土掌子面開(kāi)挖引起的位移突變.

圖3 多點(diǎn)位移計(jì)的時(shí)間—位移曲線Fig.3 Time-displacement curve of displacement gauge

測(cè)點(diǎn)A累計(jì)位移17 .4 mm ,核心土開(kāi)挖后產(chǎn)生位移5 .92 mm,占累計(jì)位移34 %;測(cè)點(diǎn)B累計(jì)位移7 .9 mm,核心土開(kāi)挖產(chǎn)生位移3 .02 mm, 占累計(jì)位移38.2 %,測(cè)點(diǎn)A、B平均得36 .1 %.隧道開(kāi)挖后圍巖變形量與圍巖壓力的釋放成正比關(guān)系, 在核心土開(kāi)挖后,埋設(shè)壓力盒測(cè)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(cè)得的,即拱頂壓力盒測(cè)得的豎向圍巖壓力占拱頂總豎向圍巖壓力的36 .1 %.

調(diào)整后豎向壓力實(shí)測(cè)值為

式中:F為調(diào)整后豎向壓力實(shí)測(cè)值, kPa, 即為總的圍巖壓力值;f為壓力盒實(shí)測(cè)值, kPa.對(duì)于Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ級(jí)圍巖也參照Ⅳ級(jí)圍巖處理.

本文中討論的豎向圍巖壓力實(shí)測(cè)值均為式(1)調(diào)整后的圍巖壓力實(shí)測(cè)值.

2 圍巖壓力計(jì)算與實(shí)測(cè)的對(duì)比分析

2 .1 圍巖壓力的不同計(jì)算方法與對(duì)比

普氏理論考慮毛洞跨度、內(nèi)摩擦角和毛洞高度,廣泛應(yīng)用于歐美等國(guó)家的隧道設(shè)計(jì)中.根據(jù)公路、鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中,巖石堅(jiān)硬強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc的數(shù)值, 采用其推薦的計(jì)算公式f=0 .1Rc,求得對(duì)應(yīng)各級(jí)圍巖下的f值.普氏理論的計(jì)算公式為[2]:

式中:q為垂直均布?jí)毫?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(jiān)固系數(shù);φ為圍巖內(nèi)摩擦角.

別爾巴烏麥爾理論計(jì)算公式為[9]:

式中:h為埋深, m .

當(dāng)埋深大于25 m 時(shí)寫(xiě)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(shù)法和別爾巴烏麥爾法計(jì)算各監(jiān)測(cè)斷面豎向圍巖壓力, 并與豎向圍巖壓力實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較, 見(jiàn)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(guān)系

深埋和淺埋隧道分界,按荷載等效高度值, 并結(jié)合地質(zhì)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(jì)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(jí)圍巖hq=18 m ,Hp=45 m ;對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖hq=9 m ,Hp=22 .5 m .

由圖4 看出,淺埋段中,由于普氏系數(shù)法不考慮埋深, 認(rèn)為作用在洞頂圍巖壓力僅為壓力拱內(nèi)部巖體自重,故在埋深小于hq時(shí)計(jì)算值較實(shí)測(cè)值偏大,而在埋深大于hq而小于Hp時(shí)計(jì)算值偏小;別爾巴烏麥爾法和深、淺埋隧道法對(duì)隧道淺埋段普遍偏大,但基本符合實(shí)測(cè)值趨勢(shì),即埋深大于hq時(shí)隨埋深增加而增大, 埋深大于hq而小于Hp時(shí)隨埋深增加而減少.在深埋段中, 普氏系數(shù)法計(jì)算值偏小, 別爾巴烏麥爾法和深、淺埋隧道法計(jì)算值普遍大于實(shí)測(cè)值.

圖4 圍巖壓力與埋深的關(guān)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(shí)(30 m 以下),豎向圍巖壓力隨埋深增加而增長(zhǎng);當(dāng)埋深較深時(shí)(40～60 m),豎向圍巖壓力波動(dòng)較大, 與圍巖等級(jí)在Ⅳ級(jí)與Ⅲ級(jí)間變動(dòng)有關(guān), 當(dāng)埋深很深時(shí)(6 0 m以上),圍巖壓力趨于平緩.說(shuō)明豎向圍巖壓力實(shí)測(cè)值與埋深并沒(méi)有明顯的關(guān)系.

圖5 豎向圍巖壓力實(shí)測(cè)值與埋深關(guān)系Fig .5 Measured va lue-depth relationship

2 .3 豎向圍巖壓力與圍巖級(jí)別的關(guān)系

豎向圍巖壓力與圍巖級(jí)別的關(guān)系見(jiàn)圖6 .

圖6 豎向圍巖壓力與圍巖級(jí)別關(guān)系Fig .6 Pressure-rock level relationship

對(duì)各方法的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值與圍巖級(jí)別關(guān)系進(jìn)行指數(shù)擬合.

豎向圍巖壓力實(shí)測(cè)值與圍巖級(jí)別的關(guān)系如下:

式中:y為豎向壓力值,KPa,x為圍巖級(jí)別.

深、淺埋隧道法(規(guī)范法)計(jì)算圍巖壓力值與圍巖級(jí)別的關(guān)系如下:

普氏系數(shù)法計(jì)算圍巖壓力值與圍巖級(jí)別的關(guān)系:

別爾巴烏麥爾法計(jì)算圍巖壓力值與圍巖級(jí)別的關(guān)系如下:

從以上的統(tǒng)計(jì)分析可以看出豎向圍巖壓力實(shí)測(cè)值, 隨圍巖級(jí)別提高而平緩增大.對(duì)于高級(jí)別圍巖Ⅳ、Ⅴ,普氏系數(shù)法計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)值較為吻合, 而深、淺埋隧道法和別爾巴烏麥爾法計(jì)算結(jié)果比較一致,但是均大于實(shí)測(cè)值;對(duì)于Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖, 深、淺埋隧道法與實(shí)測(cè)值較為吻合, 普氏系數(shù)法要小于實(shí)測(cè)值,而別爾巴烏麥爾法則大于實(shí)測(cè)值.普氏系數(shù)法計(jì)算值在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖中相對(duì)實(shí)測(cè)值偏小,在V 級(jí)圍巖中較實(shí)測(cè)值大,總體來(lái)說(shuō)偏不安全.深、淺埋隧道法和別爾巴烏麥爾法在大多數(shù)情況下均大于實(shí)測(cè)值,該兩種方法偏保守.

本文結(jié)合廣州龍頭山大跨度隧道圍巖壓力實(shí)測(cè)值, 考慮了大跨度隧道雙側(cè)壁導(dǎo)洞工法對(duì)豎向圍巖壓力的釋放, 對(duì)豎向圍巖壓力采用了不同計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算比較, 得出以下結(jié)論:

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

(2)在高級(jí)別圍巖Ⅳ、Ⅴ上,普氏系數(shù)法計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)值較為吻合,而深、淺埋隧道法和別爾巴烏麥爾法計(jì)算結(jié)果比較一致, 但是均大于實(shí)測(cè)值;在Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖級(jí)別上, 深、淺埋隧道法與實(shí)測(cè)值較為吻合,普氏系數(shù)法要小于實(shí)測(cè)值, 而別爾巴烏麥爾法則大于實(shí)測(cè)值.

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

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