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        隧道臨界深度及圍巖壓力探討

        2017-05-18 01:09:25夏俊強(qiáng)王銀國
        四川建筑 2017年2期
        關(guān)鍵詞:分界粘聚力設(shè)計(jì)規(guī)范

        夏俊強(qiáng), 向 龍, 王銀國

        (1. 四川遠(yuǎn)途工程咨詢有限公司, 四川成都 610041;2. 四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院 ,四川成都 610041)

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        隧道臨界深度及圍巖壓力探討

        夏俊強(qiáng)1, 向 龍2, 王銀國1

        (1. 四川遠(yuǎn)途工程咨詢有限公司, 四川成都 610041;2. 四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院 ,四川成都 610041)

        根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算圍巖壓力存在跳躍性、不連續(xù)、不合理。文章考慮圍巖綜合粘聚力對(duì)隧道圍巖壓力影響,對(duì)隧道臨界深度、圍巖壓力進(jìn)行理解分析研究,提出了新的臨界深度計(jì)算公式及隧道圍巖壓力模式,對(duì)以后類似研究具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

        隧道; 綜合粘聚力; 臨界深度; 圍巖壓力

        JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中附錄E與第6.2.3條的相關(guān)公式對(duì)淺埋隧道分界深度及圍巖壓力給定了相關(guān)公式,其公式為鐵路系統(tǒng)根據(jù)200多個(gè)塌方資料[2],用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法加以整理,從而得出計(jì)算各類圍巖坍方高度的經(jīng)驗(yàn)公式,用以代替普氏公式。規(guī)范公式為經(jīng)驗(yàn)公式,圍巖壓力主要與隧道圍巖級(jí)別及跨度相關(guān),而普氏公式圍巖壓力主要與隧道跨度、高度、圍巖強(qiáng)度有關(guān)。存在一定不足:例如隧道按10 m跨度計(jì)算,Ⅳ級(jí)圍巖淺埋分界深度為13.5 m,而Ⅴ級(jí)圍巖淺埋分界深度為27.0 m,而對(duì)于BQ值都接近250的較好Ⅴ級(jí)圍巖或較差Ⅳ級(jí)圍巖其淺埋分界深度及圍巖壓力存在較大的不連續(xù)性,使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在一定不合理性,造成工程結(jié)構(gòu)不足或浪費(fèi)。本文對(duì)隧道臨界深度及圍巖壓力的理解進(jìn)行分析研究,總結(jié)出一套全新隧道圍巖壓力,對(duì)以后類似研究具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

        1 規(guī)范圍巖壓力不合理性

        1.1 淺埋隧道分界深度

        在TB 10003-2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》及JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄E與第6.2.3條的相關(guān)公式計(jì)算深淺埋隧道分界深度:

        (1)

        (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(jí)別;ω為隧道寬度影響系數(shù),按式(3)計(jì)算。

        (3)

        式中:B為隧道寬度(m);i為B每增減1m時(shí)的圍巖壓力增減率,B>5m時(shí)取i=0.1。

        IV、V級(jí)圍巖取Hp=2.5hq,小于此深淺埋隧道分界深度,應(yīng)按淺埋隧道計(jì)算荷載(表1)。

        1.2 規(guī)范中圍巖壓力

        《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中圍巖壓力按3種工況給予計(jì)算,垂直壓力計(jì)算方法分別為:

        (1)埋深小于hq工況時(shí):

        (4)

        表1 圍巖級(jí)別對(duì)應(yīng)荷載等效高度

        (2)埋深大于hq、小于2~2.5hq時(shí):

        (5)

        (3)當(dāng)埋深超過深淺埋隧道分界深度,垂直方向荷載:

        (6)

        式中:q為深埋隧道圍巖垂直均布?jí)毫?kN/m2);γ為圍巖重度(kN/m3);λ為側(cè)壓力系數(shù);θ為滑面摩擦角;H為隧道埋深;Bt為隧道寬度。

        規(guī)范中圍巖壓力計(jì)算值見表2,圍巖壓力與埋深關(guān)系見圖1。

        表2 規(guī)范圍巖壓力計(jì)算值 kN/m2

        圖1 圍巖壓力與埋深關(guān)系

        1.3 規(guī)范中圍巖壓力不合理性

        (1)例如隧道按10m跨度計(jì)算,Ⅳ級(jí)圍巖淺埋分界深度為13.5m,而Ⅴ級(jí)圍巖淺埋分界深度為27.0m,而對(duì)于BQ值都接近250的較好Ⅴ級(jí)圍巖或較差Ⅳ級(jí)圍巖其淺埋分界深度存在較大的不連續(xù)性。

        (2)以Ⅴ級(jí)圍巖為例,圍巖壓力主要不合理性為:Ⅴ級(jí)圍巖27m為淺埋分界深度,但是圍巖壓力分別為200kN/m2及330kN/m2,差別較大,圍巖壓力存在跳躍性。

        2 隧道圍巖壓力探討

        2.1 規(guī)范淺埋段圍巖壓力

        《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中附錄E淺埋荷載荷載計(jì)算方法中對(duì)埋深大于hq、小于Hq段落計(jì)算方法(圖2)。

        圖2 規(guī)范中淺埋隧道圍巖壓力

        由圖2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(dòng)巖體整個(gè)滑動(dòng)上體的阻力為F,當(dāng)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

        (7)

        進(jìn)而推導(dǎo)出:

        (8)

        2.2 本文理解隧道段受力模式

        隧道圍巖壓力模式分為兩部分:第一部分圍巖壓力為W、W1自重、滑移面摩阻力、粘聚力;第二部分圍巖壓力為塌落拱高度hp內(nèi)W2自重力(圖3)。

        圖3 本文理解隧道圍巖壓力模式

        2.2.1 根據(jù)規(guī)范推導(dǎo)臨界深度界限

        根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》淺埋土壓力為式(8),當(dāng)公式為0的時(shí)候,即為臨界深度,即:

        (9)

        可以推導(dǎo)出:

        (10)

        側(cè)壓力系數(shù)(也可取規(guī)范中側(cè)壓力計(jì)算公式E.0.2-7):

        (11)

        可以推導(dǎo):

        (12)

        式中:φ為上方巖體的加權(quán)內(nèi)摩擦角;θ為圍巖滑面摩擦角。以上推導(dǎo)出公式與《巖土工程手冊(cè)》[3]引入臨界開采深度基本一致。該方法考慮隧道上方巖體在重力G作用下而下沉,兩邊巖體則施以摩擦力F阻止該巖體的下沉。當(dāng)頂板上方巖體恰好能保持自然平衡而不塌陷時(shí)的上覆巖體高度稱之為臨界開采深度H0,此高度即為淺埋隧道分界深度。

        (13)

        結(jié)合以上推導(dǎo)公式(12),計(jì)算臨界深度見表3。

        表3 規(guī)范臨界深度計(jì)算

        根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可以看出,Ⅰ級(jí)圍巖為32.59倍隧道開挖寬度,Ⅴ級(jí)圍巖為11.44倍隧道開挖寬度,顯然不合理,因此規(guī)范存在錯(cuò)誤。

        2.2.2 本文理解臨界深度界限

        式(7)中未考慮隧道滑移面綜合粘聚力C的影響,對(duì)于Ⅰ、Ⅱ級(jí)等較好的圍巖,綜合粘聚力C的影響較大,式(7)修改為:

        Q=W-2Tsinθ-2Ch

        (14)

        式中:C為圍巖綜合粘聚力;h為隧道埋深。

        Q=W-γh2λtanθ-2Ch

        (15)

        當(dāng)Q等于零時(shí),即為臨界深度。

        W≈BtγH

        (16)

        可以推導(dǎo):

        (17)

        2.2.3 本文理解隧道圍巖壓力模式

        本文認(rèn)為隧道圍巖壓力分為以下三個(gè)階段:

        (1)當(dāng)隧道埋深H小于塌落拱高度hp時(shí),隧道承受兩部分力,一是上覆土層W、W1自重土壓力與摩阻力、粘聚力之差,二是部分塌落拱W2自重力。

        (2)當(dāng)隧道埋深H大于塌落拱高度hp時(shí),隧道承受兩部分力,一是上覆土層W、W1自重土壓力與摩阻力、粘聚力之差,二是塌落拱W2自重力。

        (3)當(dāng)隧道埋深H大于臨界深度H0時(shí),此時(shí)隧道上覆土層W、W1自重土壓力小于摩阻力與粘聚力之和,隧道結(jié)構(gòu)只承受塌落拱W2自重力。

        (4)對(duì)于圍巖較好、埋深較深時(shí),圍巖壓力還應(yīng)考慮綜合粘聚力C的影響。當(dāng)綜合粘聚力C值影響大于塌落拱自重時(shí),隧道處于自穩(wěn)階段,圍巖壓力可忽略不計(jì)。

        按以上三階段受力進(jìn)行分析,可見圍巖壓力隨著埋深的增加,圍巖壓力不存在跳躍性,圍巖壓力將隨著隧道埋深增加連續(xù),同時(shí)在未達(dá)到臨界深度以前,圍巖壓力將出現(xiàn)一個(gè)峰值。

        3 結(jié)論

        (1)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中公式E.0.2-3未考慮土層或巖層綜合粘聚力C值影響,存在錯(cuò)誤。

        (2)本文認(rèn)為隧道主要承受兩部分力:埋深較淺時(shí)主要承受(部分)塌落拱自重及上覆土層自重、摩阻力、粘聚力合力;埋深大于臨界深度時(shí),結(jié)構(gòu)計(jì)算僅考慮塌落拱高度范圍自重即可。

        (3)根據(jù)規(guī)范計(jì)算圍巖壓力存在跳躍性,不合理,主要是由于對(duì)隧道受力三階段以及臨界深度未考慮綜合粘聚力C值有關(guān),臨界深度應(yīng)為式(17)。

        (4)由于隧道開挖拱部一般為圓形開挖,塌落拱段部分土被開挖,塌落拱自重減少,隧道深埋段實(shí)際土壓力一般小于規(guī)范計(jì)算值,規(guī)范計(jì)算圍巖壓力相對(duì)偏于保守;特別是對(duì)于圍巖較好、埋深較深時(shí),圍巖壓力還應(yīng)考慮綜合粘聚力C的影響。當(dāng)綜合粘聚力C值影響大于塌落拱自重時(shí),隧道處于自穩(wěn)階段,圍巖壓力可忽略不計(jì)。

        (5)根據(jù)以上計(jì)算圍巖壓力將隨著隧道埋深增加連續(xù),同時(shí)在未達(dá)到臨界深度以前,圍巖壓力將出現(xiàn)一個(gè)峰值,此峰值根據(jù)地質(zhì)條件綜合粘聚力C值、θ等相關(guān),因此隧道淺埋段受邊坡坡率及以上等影響,淺埋段結(jié)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)。

        (6)以上公式及受力模式有待進(jìn)一步研究和驗(yàn)證,對(duì)以后類似研究具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

        [1] JTG D70-2004 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

        [2] 鐵道第二勘測設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)·隧道[M].北京:中國鐵道出版社,1999:141-191.

        [3] 《巖土工程手冊(cè)》編寫委員會(huì).巖土工程手冊(cè)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版,1994.

        夏俊強(qiáng)(1983~) ,男,本科,助理工程師,主要從事公路隧道設(shè)計(jì)工作。

        U451+.2

        A

        [定稿日期]2016-11-03

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