卿偉宸，高 楊，仇文革，章慧健

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031；2.西南交通大學(xué)，成都 610031)

1 概述

我國鐵路建設(shè)事業(yè)經(jīng)過一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，單、雙線鐵路隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)已非常成熟。近年來，我國鐵路建設(shè)特別是高鐵建設(shè)進(jìn)入新時(shí)代。在西部山區(qū)，地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，而對(duì)高速鐵路，一方面由于環(huán)保要求高，另一方面由于曲線半徑大，導(dǎo)致西南山區(qū)鐵路橋隧比重大，高達(dá)70%以上，個(gè)別鐵路(如成都至九寨溝鐵路)橋隧比高達(dá)90%以上。部分鐵路(諸如大理至瑞麗鐵路、成都至九寨溝鐵路)沿線部分地段設(shè)站條件困難，導(dǎo)致車站伸入隧道內(nèi)，由于之前國內(nèi)外無修建四線車站隧道的成功先例，傳統(tǒng)車站設(shè)計(jì)一般采用Y字形“2+2”、分修式“2+2”、縱列式“3+3”等型式，以控制隧道跨度不超過三線，但上述方案惡化了車站功能，不利于運(yùn)營管理。顯然，隨著高速鐵路在西部山區(qū)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的大跨度三線隧道已不能滿足山區(qū)選線及設(shè)站的需要，四線車站隧道將不可避免越來越多。

在目前鐵路隧道設(shè)計(jì)行業(yè)中，荷載—結(jié)構(gòu)法仍然是隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要計(jì)算方法[1-2]。因此，圍巖壓力的確定是進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[3]。鐵路淺埋隧道圍巖壓力計(jì)算公式于1964年提出[4]。鐵路深埋隧道圍巖壓力計(jì)算公式是通過大量施工坍方事件的統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上建立起來的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式[5]，在一定程度上能反映圍巖壓力的真實(shí)情況，對(duì)于傳統(tǒng)單、雙線鐵路隧道(跨度7～14 m)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到了非常重要的作用。但對(duì)跨度超過20 m及以上的隧道是否適用存在一些問題[6]。

(1)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]關(guān)于隧道垂直壓力計(jì)算高度是基于單線鐵路隧道的施工坍方調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料整理歸納得到。其統(tǒng)計(jì)樣本的隧道跨度大多在5～10 m[7-9]，顯然對(duì)指導(dǎo)大跨度隧道圍巖荷載計(jì)算就顯得有些不足了。

(2)調(diào)查統(tǒng)計(jì)的隧道樣本僅1 025個(gè)[8]，數(shù)量非常有限。

(3)調(diào)查統(tǒng)計(jì)的隧道樣本斷面多為單線鐵路隧道的馬蹄形斷面[7-9]，且形狀呈瘦高形；而近年來多數(shù)大跨度隧道襯砌開挖輪廓較為圓順，軌上凈空多為近圓形，其開挖后的圍巖應(yīng)力場及塑性區(qū)演變均與傳統(tǒng)瘦高的馬蹄形斷面有較大差異。

(4)由于隧道修建技術(shù)的不斷發(fā)展，在如今的隧道施工中，一方面，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)材料等級(jí)及強(qiáng)度不斷提高；另一方面，在軟弱圍巖地段，多采用強(qiáng)支護(hù)，如型鋼鋼架聯(lián)合強(qiáng)鎖腳及臨時(shí)橫撐甚至臨時(shí)仰拱，一旦支護(hù)，能及時(shí)發(fā)揮支護(hù)的強(qiáng)度，同時(shí)能充分發(fā)揮圍巖的自承載能力。導(dǎo)致實(shí)際上坍落拱的形成可能比傳統(tǒng)鐵路隧道坍方高度要小得多。因此，按現(xiàn)行鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[10]計(jì)算的圍巖垂直壓力顯得就過于保守了。

因此，對(duì)于越來越多的大跨度三線、特別是四線甚至更大跨度的鐵路隧道，荷載計(jì)算已經(jīng)完全超出《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003—2005)[10]圍巖荷載計(jì)算范疇。顯然，提出一種合理的適合于大跨度隧道的荷載及圍巖壓力計(jì)算方法已是亟待解決的課題。本文依托烏蒙山二號(hào)出口四線鐵路車站隧道，提出考慮圍巖變形全過程的“統(tǒng)一圍巖壓力曲線”，并基于此，提出了大跨度隧道圍巖壓力的一種研究思路。

2 統(tǒng)一圍巖壓力曲線的提出

新奧法強(qiáng)調(diào)圍巖自承力，且實(shí)際施工過程中不允許出現(xiàn)塌方，荷載就不應(yīng)該采用塌方荷載。對(duì)于地下工程只要不發(fā)展到塌方，圍巖壓力會(huì)大大減小。也就是說，一方面在隧道施工中肯定不希望出現(xiàn)塌方；另一方面只要施工不發(fā)生塌方，支護(hù)就不需要承擔(dān)塌方荷載。

當(dāng)然有人會(huì)提出，隧道為百年工程，雖然在隧道建成初期，支護(hù)確實(shí)可能不會(huì)承擔(dān)多大荷載，但不能保證將來有一天荷載增大到最不利的塌方荷載。而在工程設(shè)計(jì)中一般都是按最不利荷載考慮，以保證安全。對(duì)于這一點(diǎn)，根據(jù)圍巖特征曲線可知，圍巖壓力的發(fā)展必然伴隨位移變化，位移被限制住了，圍巖壓力的增加是有限的；退一步講，在二襯施作后，圍巖壓力長期發(fā)展，直至達(dá)到塌方荷載，而該過程中位移的發(fā)展必然引起二襯開裂破壞，這樣就可以通過后期監(jiān)測(cè)預(yù)知險(xiǎn)情，及時(shí)加固。

根據(jù)理論分析，將傳統(tǒng)的圍巖特征曲線[11]進(jìn)行延伸，如圖1所示，即將傳統(tǒng)圍巖特征曲線接續(xù)現(xiàn)行鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范的塌方荷載。從物理意義上來說，該曲線包括了形變應(yīng)力到松弛應(yīng)力的轉(zhuǎn)變；包括了連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的有機(jī)結(jié)合；包括了彈塑性支護(hù)理論、塌落拱理論。階段不同，支護(hù)對(duì)象不同，支護(hù)荷載差別很大。因此，本研究將此曲線暫定義為“統(tǒng)一圍巖壓力曲線”。

圖1 統(tǒng)一圍巖壓力曲線

從統(tǒng)一圍巖壓力曲線來看：對(duì)于淺埋隧道，塌方荷載與初始地應(yīng)力是相同的；對(duì)于深埋隧道，塌方荷載為塌落拱內(nèi)巖土體的自重，比初始地應(yīng)力小。從圍巖特征曲線和支護(hù)特性曲線關(guān)系可以看出(從橫坐標(biāo)變形參數(shù))，在隧道開挖后一定時(shí)間范圍內(nèi)支護(hù)并達(dá)到平衡，只要不發(fā)生塌方，襯砌結(jié)構(gòu)承載的圍巖荷載都小于塌方荷載。從大量以往監(jiān)測(cè)資料及本隧的圍巖壓力監(jiān)測(cè)情況來看，實(shí)測(cè)圍巖壓力也遠(yuǎn)小于根據(jù)現(xiàn)行鐵路隧道規(guī)范計(jì)算的塌方荷載。

由于不同工程的圍巖力學(xué)特性、巖層產(chǎn)狀和構(gòu)造不同，支護(hù)形式和材料的不同，以及施工工法工序引起的支護(hù)時(shí)機(jī)的不同，導(dǎo)致圍巖壓力有較大的差異；即使同一工程相同圍巖地段，由于支護(hù)時(shí)機(jī)的不同，圍巖壓力也有一定的差異性。

因此，根據(jù)上述分析，即使同一隧道的同一圍巖級(jí)別的圍巖壓力也并非一個(gè)定值能概括。因此，提出圍巖壓力的建議區(qū)間，如圖2所示。對(duì)于建議區(qū)間的上下限尚需大量工程的現(xiàn)場測(cè)試總結(jié)分析。

圖2 設(shè)計(jì)荷載建議區(qū)間

3 工程概況及現(xiàn)場測(cè)試

3.1 工程概況

六(盤水)沾(益)鐵路，設(shè)計(jì)時(shí)速160 km，通行雙層集裝箱。烏蒙山2號(hào)隧道，位于貴州省境內(nèi)，單洞雙線，為該線最長隧道，全長12 260 m，最大埋深400余m。受地形條件限制，且根據(jù)運(yùn)能需求，扒挪塊車站伸入該隧道出口端形成長610 m的四線車站隧道。最大開挖寬度達(dá)28.42 m，最大開挖面積為354.30 m2，是目前世界最大跨度的單跨交通隧道。

烏蒙山2號(hào)隧道出口四線車站隧道主要通過泥巖、頁巖、頁巖夾砂巖、泥灰?guī)r夾灰?guī)r、灰?guī)r等地層。其中：DK287+740～+870段穿越灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾泥灰?guī)r地層；DK287+870～+925段穿越泥灰?guī)r夾灰?guī)r、頁巖地層；DK287+925～DK288+350段穿越泥巖、頁巖夾砂巖地層，巖質(zhì)軟硬不均，巖體較破碎。

3.2 圍巖壓力現(xiàn)場監(jiān)測(cè)分析

監(jiān)控量測(cè)是鐵路隧道工程設(shè)計(jì)、施工過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是反映隧道結(jié)構(gòu)安全性的最直接方式[12]，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)施工的基礎(chǔ)[13]。隧道監(jiān)控量測(cè)對(duì)象主要是圍巖、襯砌、錨桿及鋼架等[14]，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[15]對(duì)該隧道開展了監(jiān)控量測(cè)。為研究本隧圍巖壓力，施工期間，分別選取DK288+220及DK287+900兩個(gè)斷面(開挖跨度約25 m)對(duì)圍巖與初期支護(hù)間壓力開展監(jiān)控量測(cè)。各監(jiān)測(cè)斷面中，圍巖壓力測(cè)點(diǎn)布設(shè)以隧道中線對(duì)稱布置，如圖3所示，其中 “Y1～Y10”表示10個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)。DK288+220及DK287+900斷面各測(cè)點(diǎn)圍巖與初支間壓力時(shí)程曲線如圖4。最終穩(wěn)定后圍巖與初支間壓力分布整理如圖5所示。

圖3 圍巖與初期支護(hù)間壓力測(cè)點(diǎn)布置

圖4 圍巖與初支間壓力時(shí)程曲線

圖5 圍巖與初期支護(hù)間壓力分布(單位：kPa)

從圖4及圖5中可以看出：

(1)DK288+220斷面的圍巖與初期支護(hù)間接觸壓力最大值為245.8 kPa， DK287+900斷面的圍巖與初期支護(hù)間接觸壓力最大值為237 kPa，均出現(xiàn)在拱頂；

(2)圍巖與初期支護(hù)間接觸壓力沿洞周分布不均勻，拱頂最大，從上往下呈減小趨勢(shì)，在邊墻部位又有所增加；

(3)由于圍巖變形的時(shí)空影響，圍巖與初期支護(hù)間接觸壓力始終呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，二襯封閉后趨于穩(wěn)定。

4 圍巖壓力確定及荷載模式建立

對(duì)于本工程，作為一個(gè)工程案例，通過現(xiàn)場圍巖與初期支護(hù)間壓力監(jiān)測(cè)，總結(jié)圍巖壓力和荷載模式如圖6所示。這里假定圍巖壓力模式(包絡(luò)圖)為現(xiàn)行鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范采用的深埋隧道荷載模式：豎向均布，水平荷載簡化為矩形分布。荷載包絡(luò)圖取豎向圍巖壓力q=250 kPa，水平圍巖壓力e=160 kPa。

圖6 實(shí)測(cè)圍巖壓力包絡(luò)圖(單位：kPa)

結(jié)合提出的統(tǒng)一圍巖壓力曲線，根據(jù)現(xiàn)行鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，計(jì)算得到塌方荷載γha=25×21.6=540 kPa，結(jié)合DK287+900及DK288+220兩個(gè)斷面的圍巖壓力監(jiān)測(cè)，拱部最大圍巖壓力分別237 kPa及245.8 kPa，均不大于250 kPa，約為塌方荷載的46%，如圖7所示。因此，為簡化分析，這里將圍巖壓力計(jì)算公式建議為:q=Kγha

式中，K為折減系數(shù)，本工程K約0.46，可取0.5；γha為塌方荷載。

圖7 實(shí)測(cè)圍巖壓力與塌方荷載的關(guān)系

5 結(jié)論

本文提出考慮圍巖變形全過程的“統(tǒng)一圍巖壓力曲線”，并結(jié)合烏蒙山2號(hào)四線車站隧道實(shí)際工程，根據(jù)現(xiàn)場圍巖壓力測(cè)試，提出了大跨度隧道圍巖壓力確定方法及研究思路。

(1)為體現(xiàn)過程相關(guān)性，提出考慮圍巖變形全過程的“統(tǒng)一圍巖壓力曲線”，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一種方法。該曲線包括了形變應(yīng)力到松弛應(yīng)力的轉(zhuǎn)變，包括了彈塑性支護(hù)理論和塌落拱理論。階段不同，支護(hù)對(duì)象不同，支護(hù)荷載差別很大。根據(jù)以往監(jiān)測(cè)圍巖壓力小于計(jì)算的塌方荷載，即使同一個(gè)工程，圍巖壓力也有較大差異性的特點(diǎn)，提出圍巖壓力并非一個(gè)定值所能概括，應(yīng)按圖2的設(shè)計(jì)荷載區(qū)間取值。

(2)結(jié)合統(tǒng)一圍巖壓力曲線，為簡化分析，豎向圍巖壓力計(jì)算公式建議為：q=Kγha。本工程中，K約為0.5。

(3)本工程僅提供一個(gè)案例參考，重在提出今后圍巖壓力的一種研究思路，此思路的完善尚需今后大量工程的測(cè)試數(shù)據(jù)，得到不同跨度不同圍巖級(jí)別的K值范圍。對(duì)大型工程、重要工程必須通過現(xiàn)場圍巖壓力量測(cè)及信息化設(shè)計(jì)、施工，簡單的照抄照搬當(dāng)前的荷載及圍巖壓力計(jì)算方法，只會(huì)加大隧道的設(shè)計(jì)難度，使得隧道的合理化設(shè)計(jì)難于實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)形式不合理，最終導(dǎo)致工程造價(jià)的提高或者經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。

[1] 孫鈞，侯學(xué)淵.地下結(jié)構(gòu)[M].北京：科學(xué)出版社，1987.

[2] 李志業(yè).地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與方法[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2003.

[3] 趙占廠.黃土公路隧道結(jié)構(gòu)工程形狀研究[D].西安：長安大學(xué)道路與鐵道工程系，2004：3-4.

[4] 謝錦昌，王兵.淺埋隧道荷載的試驗(yàn)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，1995(11)：27-30.

[5] 鐵道部第二勘測(cè)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，1995.

[6] 卿偉宸，章慧健，朱勇.基于壓力拱理論的大跨度隧道深淺埋劃分研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，26(S2)：227-230.

[7] 劉杰.防治高水壓下掌子面塌方的隧道施工方案的研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2014：10-11.

[8] 曲海鋒，楊重存，朱合華，等.公路隧道圍巖壓力研究與發(fā)展[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2007，3(3)：536-543.

[9] 梁國卿.隧道塌方機(jī)理分析及其預(yù)警系統(tǒng)的研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2009：2-3.

[10] 中華人民共和國鐵道部.TB10003—2005 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[11] 關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[12] 黃成光.公路隧道施工[M].北京：人民交通出版社，2002.

[13] 關(guān)寶樹.隧道工程施工要點(diǎn)集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[14] 夏才初，潘國榮.土木工程監(jiān)測(cè)技術(shù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[15] 中華人民共和國鐵道部.TB10121—2007 鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2007.