摘 要：壓力拱是隧道工程開(kāi)挖后圍巖的自承載現(xiàn)象，對(duì)隧道穩(wěn)定有著重要意義。本文通過(guò)對(duì)壓力拱理論的分析，采用壓力拱理論中的應(yīng)力條件作為邊界條件，推導(dǎo)出塑性應(yīng)力狀態(tài)下松動(dòng)壓力和形變壓力的計(jì)算公式，并通過(guò)運(yùn)用公式計(jì)算，界定了各級(jí)圍巖下的最大形變壓力值。

關(guān)鍵詞：隧道；圍巖；壓力拱；圍巖壓力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.090

1 引言

圍巖壓力是指地下洞室開(kāi)挖后，作用于圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)接觸面之間的作用力。它主要包括由圍巖自身重力引起的松動(dòng)壓力和圍巖變形受阻而作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的形變壓力。因此，可以從廣義和狹義兩個(gè)方面來(lái)理解圍巖壓力。從廣義上來(lái)說(shuō)，既包括有支護(hù)的情況，即作用在支護(hù)上的松動(dòng)壓力和形變壓力；也包括無(wú)支護(hù)情況下的情況，即圍巖自身承載的壓力。從狹義來(lái)理解，圍巖壓力是指圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力。在工程中，一般只研究狹義圍巖壓力對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響。

2 壓力拱理論

巖體經(jīng)過(guò)開(kāi)挖，經(jīng)重新分布的應(yīng)力往往由于初始應(yīng)力的作用或者巖體強(qiáng)度的低下，使洞壁周邊的應(yīng)力超出巖體的屈服強(qiáng)度，從而進(jìn)入塑性狀態(tài)，形成一定范圍的塑性區(qū)，在經(jīng)過(guò)一定的擴(kuò)展之后，巖體會(huì)逐漸恢復(fù)到原先的初始應(yīng)力狀態(tài)，形成塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。此時(shí)壓力拱的內(nèi)邊界在塑性區(qū)與彈性區(qū)的交界面處，而壓力拱拱體即為塑性區(qū)和彈性區(qū)內(nèi)的圍巖應(yīng)力升高區(qū)，如圖1所示。

3 圍巖壓力計(jì)算

（1）塑性松動(dòng)壓力。在隧道的開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)周邊的圍巖會(huì)產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，使巖體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，若超過(guò)了巖體的彈性應(yīng)力極限，圍巖便會(huì)進(jìn)入塑性應(yīng)力狀態(tài)，如果產(chǎn)生進(jìn)一步的破壞，則二次應(yīng)力就會(huì)超過(guò)巖體的屈服極限，此時(shí)，圍巖將產(chǎn)生松動(dòng)、掉塊等破壞現(xiàn)象，從而在隧道周?chē)纬梢欢ǚ秶乃蓜?dòng)圈，此時(shí)需要進(jìn)行支護(hù)。而這些松動(dòng)、掉落的巖石作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力就被稱(chēng)作松動(dòng)圍巖壓力。

1）假設(shè)條件。在求解塑性松動(dòng)壓力的整個(gè)計(jì)算過(guò)程中作了如下的假設(shè)：a.當(dāng)洞室開(kāi)挖后，洞周?chē)鷰r的二次應(yīng)力呈彈塑性分布。塑性圈充分發(fā)展后，塑性圈內(nèi)的巖體自重為作用在支護(hù)上的圍巖壓力；b.在的情況下，取洞頂?shù)膯卧w為計(jì)算單元，分析其受力條件，并考慮洞室圍巖壓力的最不利狀態(tài)；c.塑性圈內(nèi)的巖體服從莫爾—庫(kù)倫強(qiáng)度理論。2）計(jì)算公式推導(dǎo)。洞室開(kāi)挖后，洞室周?chē)膸r體產(chǎn)生塑性區(qū)。在塑性區(qū)內(nèi)的洞頂部位取一單元體，單元體的受力情況如圖2所示。

（2）形變壓力。對(duì)于形變壓力，是由于洞室開(kāi)挖引起的二次應(yīng)力狀態(tài)而產(chǎn)生的。巖體開(kāi)挖之后，圍巖內(nèi)的巖體進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整，在此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生變形，進(jìn)行了支護(hù)作用之后，支護(hù)結(jié)構(gòu)將會(huì)限制這種變形而產(chǎn)生壓力，這種壓力即為形變壓力。

1）假設(shè)條件。根據(jù)計(jì)算原理，計(jì)算塑性形變壓力時(shí)作了如下的假定：滿(mǎn)足時(shí)，圓形洞室開(kāi)挖后周邊圍巖處于彈塑性應(yīng)力狀態(tài)；塑性區(qū)內(nèi)的巖體服從莫爾—庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則；計(jì)算簡(jiǎn)圖同如圖2。

4 計(jì)算結(jié)果分析

埋深較小時(shí)，隧道在Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖條件下開(kāi)挖，洞周處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，但隨著埋深的逐漸增加，二次應(yīng)力狀態(tài)逐漸發(fā)生了改變，當(dāng)Ⅲ級(jí)圍巖下埋深達(dá)到400m、Ⅳ級(jí)圍巖達(dá)到350m時(shí)，洞周出現(xiàn)了明顯的內(nèi)邊界，可用公式（5）進(jìn)行形變壓力的計(jì)算。Ⅰ級(jí)圍巖由于圍巖條件較好，開(kāi)挖后并未產(chǎn)生圍巖松動(dòng)區(qū)，即沒(méi)有明顯的內(nèi)邊界，因此并不適用公式（5）。

由于實(shí)際情況的限制，Ⅴ級(jí)圍巖的最大埋深只能取到450 m，因此，為了比較形變壓力值的大小，Ⅲ、Ⅳ的埋深也取為450m，進(jìn)行塑性形變壓力的計(jì)算，根據(jù)數(shù)值模擬得到的各圍巖下的內(nèi)邊界值，可計(jì)算出各級(jí)圍巖下的形變壓力值，見(jiàn)表1。

5 小結(jié)

本文通過(guò)對(duì)壓力拱理論的分析，采用壓力拱理論中的應(yīng)力條件作為邊界條件，推導(dǎo)出塑性應(yīng)力狀態(tài)下松動(dòng)壓力和形變壓力的計(jì)算公式，并通過(guò)運(yùn)用公式計(jì)算，界定了各級(jí)圍巖下的最大形變壓力值。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏志成，凡甘.卸荷拱承載力計(jì)算研究[J].西部探礦工程，2006，23（06）：55-58.

[2]蘇曉堃.隧道開(kāi)挖數(shù)值模擬的圍巖邊界取值范圍研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2012，3（06）：32-39.

[3]侯龍，劉東燕，徐磊等.引水隧洞應(yīng)力重分布及內(nèi)水壓力影響范圍探討[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，24（04）：419-422.

[4]曲世韡.深埋城市地鐵隧道對(duì)地層變形的影響及壓力拱形成規(guī)律研究[D].北京：北京交通大學(xué)研究生學(xué)院，2009.

[5]朱永全，宋玉香.隧道工程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2011.

[6]沈明榮，陳建峰.巖體力學(xué)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2006.

作者簡(jiǎn)介：馬云飛（1987—），男，河北承德人，助理工程師，研究方向：地下工程。