深埋隧道圍巖壓力分布特點(diǎn)

崔達(dá)

（中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100089）

1 引言

隨著我國(guó)交通設(shè)施的不斷完善，越來越多的公路工程開始在山地丘陵區(qū)建設(shè)。為了保證線形平順，設(shè)置隧道工程是不可避免的。當(dāng)隧道埋深過大，圍巖容易產(chǎn)生大變形，造成施工困難、支護(hù)成本提高等。如果處治不當(dāng)，可能導(dǎo)致一定程度的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。鑒于此，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者借助數(shù)值模擬、理論推導(dǎo)、室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(zhǔn)則下，推導(dǎo)出一種深埋隧道圍巖壓力計(jì)算新方法，與規(guī)范法誤差較?。缓沃糩2]根據(jù)當(dāng)?shù)囟鄺l深埋隧道圍巖壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，擬合出了預(yù)測(cè)模型。因此，進(jìn)一步研究深埋隧道圍巖壓力分布特點(diǎn)具有十分重要的工程價(jià)值。

2 深埋隧道圍巖壓力類型及機(jī)理

無論隧道圍巖是否施加支護(hù)結(jié)構(gòu)，圍巖壓力都是客觀存在的。隧道在堅(jiān)硬巖體中開挖時(shí)，巖體自身強(qiáng)度一般大于二次應(yīng)力強(qiáng)度，理論上無須加支護(hù)措施；而在軟弱破碎、松散巖體中開挖隧道時(shí)，圍巖強(qiáng)度低，需施加支護(hù)結(jié)構(gòu)后才能保持穩(wěn)定狀態(tài)。

1）松動(dòng)壓力。巖體因隧道施工擾動(dòng)產(chǎn)生坍塌，并以重力形式作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力叫作松動(dòng)壓力。松動(dòng)壓力多產(chǎn)生在掌子面頂部或兩側(cè)，主要原因在于：一方面，圍巖巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，在自重作用下出現(xiàn)脆性破裂；另一方面，圍巖巖體雖然堅(jiān)硬、完整，但是在爆破擾動(dòng)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(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)共同變形。在此過程中，圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)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(yīng)力狀態(tài)相關(guān)，還受支護(hù)時(shí)間和支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度的影響。一般情況下，支護(hù)時(shí)間越早，支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度越大，變形壓力也越大。比如圖1 中的B 支護(hù)和C 支護(hù)的支護(hù)時(shí)間相同，但B 支護(hù)剛度＞C 支護(hù)，B 支護(hù)所受到的接觸壓力更大；再比如A 支護(hù)和C 支護(hù)的剛度相同，但A 支護(hù)施工時(shí)間早于C 支護(hù)，A 支護(hù)所受到接觸壓力更大。

圖1 變形壓力與支護(hù)關(guān)系（A、B、C、D 是不同的圍巖支護(hù)）

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(huì)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(yīng)力平衡狀態(tài)，變形能量在短時(shí)間內(nèi)突然釋放，形成沖擊壓力，產(chǎn)生大量的巖體碎片，對(duì)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(xiàn)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(dǎo)致含有親水性礦物的圍巖吸水后體積膨脹而產(chǎn)生膨脹壓力。當(dāng)膨脹壓力超過大于支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)力時(shí)，隧道圍巖被破壞。

3 深埋隧道圍巖壓力計(jì)算方法

3.1 規(guī)范法

3.1.1 深埋隧道判定

根據(jù)JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，可用“荷載等效高度值hq”來判斷某一隧道時(shí)淺埋還是深埋[3]。hq的計(jì)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?jí)毫?，kPa；r為圍巖重度，kN/m3。

當(dāng)隧道埋深H＞Hp時(shí)，該隧道屬于深埋隧道。

3.1.2 圍巖壓力計(jì)算

深埋隧道的垂直圍巖壓力Qv計(jì)算可按式（3）、式（4）：

式中，S為圍巖級(jí)別，隧道圍巖根據(jù)BQ 值可分為I～VI 級(jí)；w為寬度影響系數(shù)，無量綱；B為隧道寬度，m；i為圍巖壓力增減率，B＜5 m 時(shí)i取0.2，B＞5 m 時(shí)，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(jí)別，可查表1 計(jì)算[4]。

表1 深埋隧道水平圍巖壓力

3.2 數(shù)值分析法

對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜的深埋隧道圍巖，可采用數(shù)值分析法計(jì)算其圍巖壓力分布，從而對(duì)隧道支護(hù)參數(shù)或支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。目前，公路深埋隧道圍巖壓力計(jì)算時(shí)常用的數(shù)值分析法包括有限元法、離散元法、有限差分法。各種數(shù)值模擬軟件計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，能分析深埋隧道圍巖體內(nèi)部任一點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，并能夠在較短的時(shí)間內(nèi)得到不同工況下的圍巖壓力分布特點(diǎn)，大幅提升了隧道圍巖壓力計(jì)算效率，并避免了理論計(jì)算法中一些不合理的假設(shè)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(jì)算模型，分析了其在不同工況下的圍巖壓力變化規(guī)律。該深埋隧道采用雙向分離式設(shè)計(jì)，左線隧道長(zhǎng)1 856 m，右線長(zhǎng)1 862 m，均屬于長(zhǎng)隧道。由地勘成果和設(shè)計(jì)文件可知，隧道巖性為三疊系泥頁(yè)巖、泥灰?guī)r，呈中風(fēng)化狀態(tài)，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，完整性較差，遇水易軟化崩解，屬V 級(jí)圍巖，圍巖支護(hù)方案為Vb 型復(fù)合式襯砌。隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)如表2 所示。

表2 隧道計(jì)算參數(shù)

4.2 有限元計(jì)算模型建立

4.2.1 假設(shè)條件

為了兼顧深埋隧道圍巖壓力計(jì)算的效率和精確度，作出了以下假設(shè)：（1）圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)都視為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的彈塑性材料，且屈服準(zhǔn)則選擇摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型；（2）不考慮隧道開挖支護(hù)的時(shí)間間歇；（3）初始圍巖地應(yīng)力時(shí)只考慮其自重應(yīng)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(shí)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?jiǎn)卧M，水泥砂漿錨桿采用cable 單元模擬。

4.2.3 邊界條件和網(wǎng)格劃分

考慮到邊界效應(yīng)對(duì)圍巖壓力的影響，該隧道計(jì)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(shè)置位移約束，頂部邊界無約束（可自由變形）。對(duì)于靠近隧道的巖體，網(wǎng)格數(shù)量適當(dāng)加密，網(wǎng)格尺寸取0.5 m；對(duì)于遠(yuǎn)離隧道的巖體，網(wǎng)格數(shù)量適當(dāng)加密，網(wǎng)格尺寸取1 m。最終，隧道計(jì)算模型共劃分了2 899 個(gè)單元、3 658 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

4.3 隧道埋深對(duì)圍巖壓力的影響

利用Midas/GTS 計(jì)算了圍巖埋深為200 m、250 m、300 m、350 m、400 m 時(shí)，深埋隧道的圍巖垂直壓力變化規(guī)律，計(jì)算結(jié)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(guān)關(guān)系。當(dāng)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(shí)，利用線性函數(shù)擬合了圍巖壓力y和隧道埋深x的關(guān)系，擬合公式為y=0.021 2－3.06x，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.998，精確度滿足工程需求。利用上式，可預(yù)測(cè)不同隧道埋深下，其圍巖壓力值。

4.4 圍巖彈性模型對(duì)圍巖壓力的影響

利用有Midas/GTS 計(jì)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(shí)，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(dāng)圍巖彈性模量＜0.3 GPa，圍巖壓增加速率較快；當(dāng)圍巖彈性模量＞0.3 GPa，圍巖壓增加速率變化。當(dāng)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(jié)語(yǔ)

本文研究了深埋隧道的圍巖壓力類型、圍巖壓力計(jì)算方法，并依托某高速公路軟巖隧道，并利用Midas/GTS 計(jì)算了不同工況下隧道的圍巖壓力，主要得到以下結(jié)論：（1）深埋隧道圍巖壓力可根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理不同劃分為松動(dòng)壓力、變形壓力、沖擊壓力、膨脹壓力；（2）深埋隧道圍巖壓力計(jì)算可采用規(guī)范法或數(shù)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。