隧道洞口大管棚設計長度探討

王 屹, 向 龍

(1. 四川興蜀公路建設發(fā)展有限責任公司, 四川成都 610041； 2. 四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設計研究院, 四川成都 610041)

近年來，隨著高速公路的建設及高速鐵路的飛速發(fā)展和工程設計技術的進步，道路裁彎取直，使得隧道工程在道路工程中的比例越來越大。隧道洞口一般均為覆蓋層加淺埋段，建設中極易出現(xiàn)塌方和冒頂?shù)仁鹿省Ｄ壳爸饕O計原則為早進晚出以及大管棚進洞施工技術確保隧道洞口施工安全。本文結(jié)合隧道洞口受力分析和淺埋段劃分，研討大管棚設計長度，具有一定借鑒意義。

1 隧道淺埋段劃分

在TB 10003-2005《鐵路隧道設計規(guī)范》及JTG D70-2004《公路隧道設計隧規(guī)》[1-2]附錄E與6.2.3條的相關公式計算深淺埋隧道分界深度：

Hp=(2～2.5)hq

(1)

hq=0.45×2S-1×ω

(2)

式中：Hp為深淺埋隧道分界深度(m)；

hq為荷載等效高度(m)；

S為圍巖級別；

ω為隧道寬度影響系數(shù)，按下式計算；

ω=1+i(B-5)

(3)

B為隧道寬度(m)；

i為B每增減1 m時的圍巖壓力增減率，B>5m時取i=0.1。

IV、V級圍巖取Hp=2.5hq，小于此深淺埋隧道分界深度，應按淺埋隧道計算荷載(表1)。

表1 圍巖級別對應荷載等效高度

2 隧道淺埋段圍巖壓力

JTG D70-2004《公路隧道設計規(guī)范》中附錄E淺埋荷載荷載計算方法中對埋深大于hq，小于Hq段落計算方法(圖1)。

圖1 規(guī)范中淺埋隧道圍巖壓力

由圖1可見隧道上覆巖體EFHG的重力為W，兩側(cè)三棱巖體FDB或ECA的重力為Wl，未擾動巖體整個滑動上體的阻力為F，當EFHG下沉，兩側(cè)受到阻力T或T’，作用于HG面上的垂直壓力總值Q為：

Q=W-2T′=W-2Tsinθ

(4)

進而推導出：

(5)

3 大管棚設計長度

管棚主要作用機理為[3]:

(1)梁拱效應：先行施設的管棚，以開挖面和后方支撐為支點，形成一個梁式結(jié)構(gòu)，二者構(gòu)成環(huán)繞隧洞輪廓的殼狀結(jié)構(gòu)，可有效抑制圍巖松動和垮塌；

(2)加固效應：注漿液經(jīng)管壁孔壓入圍巖裂隙中，使松散巖體膠結(jié)固結(jié)，從而改善了軟弱圍巖的物理力學性質(zhì)，增強了圍巖的自承能力，達到加固鋼管周邊軟弱圍巖的目的；

(3)環(huán)槽效應：開挖面爆破產(chǎn)生的爆炸沖擊波傳播和爆炸氣體擴展遇管棚密集環(huán)形孔槽后，或被反射、吸收、繞射，大大降低了反向拉伸波所造成的圍巖破壞程度及擾動范圍；

(4)確保施工安全：管棚支護剛度較大，施工時如發(fā)生塌方，塌碴也是落在管棚上部巖坡上，起到緩沖作用，即使管棚失穩(wěn)，其破壞也較緩慢。

筆者認為大管棚在洞口淺埋段主要作用為對上覆土壓力進行承擔(梁拱效應)，因此大管棚的長度主要取決于隧道淺埋段的長度，而淺埋段的劃分與圍巖級別和隧道開挖寬度等直接相關(圖2)。

圖2 大管棚加固范圍示意區(qū)

因此大管棚洞口段長度推導公式如下：

L=Hp/tan(β)+5

(6)

L=(2～2.5)0.45×2S-1×ω/tan(β)+5

(7)

式中：L為大管棚設計長度(m)，5為富余量；

β為為洞口地形邊坡角度；

其余公式同上。

根據(jù)圍巖級別及常規(guī)公路隧道開挖寬度，淺埋段及大管棚設計長度見表2[4]。

從表2中可見以上淺埋段深度劃分和大管棚設計長度基本一致，例如在公路雙車道隧道Ⅴ級圍巖洞口段淺埋段為30～35 m，設計中淺埋段大管棚設計長度一般為30 m，地質(zhì)較差地段取40 m(按洞口坡度45°計)，符合工程實際情況。

表2 典型單洞公路隧道的大管棚(深淺埋)長度建議值 m

注：洞口坡度按45°計。

4 結(jié)論

(1)大管棚主要作用是防止洞口淺埋段發(fā)生塌方和冒頂?shù)仁鹿?，梁拱效應，注漿主要是對周邊地層有加固作用，因此大管棚設計長度應在洞口淺埋段影響范圍外。

(2)從以上筆者推導公式可見：大管棚長度與隧道洞口開挖寬度成正比，圍巖級別(地質(zhì))越差大管棚長度越長，地形越平緩大管棚長度越長。

(3)同時大管棚在開挖進尺較小，二襯緊跟時，大管棚考慮開挖三維效應，可適當減短大管棚長度，式(7)中系數(shù)可取小值。

(4)一般隧道洞口段大管棚的長度可近似按隧道淺埋深度保持一致(表2)。

(5)以上大管棚長度基本符合設計實際，對以后類似研究具有一定的指導和借鑒意義。