黄土隧道围岩压力计算方法

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黄土隧道围岩压力变形特征及围
岩变形规律
3.1 3.1.1 隧道变形规律及控制措施[2] 隧道开挖围岩应力动态过程
-2D （位移率0%） 先行位移 掌子面通过 支护施工 量测开始 掌子面通过后位移 量测位移 （位移率100%） 支护后位移 全位移 -1D 掌 子 面 开挖进行方向
掌子面
1D
2D
3D
隧道结构体系=围岩+支护结构。它的形成过程 大体上如图 1 所示：
图4 隧道开挖后的围岩变形
隧道变形控制措施 根据国内外的施工经验，控制围岩松弛、坍塌
的主要对策是稳定掌子面、及时闭合和加固地层。 主要方法见表 1。 掌子面位移 掌子面后方位移 调整钢架间距和型号 超前支护 （管棚、 超前小导管、 超前锚杆、 正面喷射混凝土 正面锚杆 预留核心土 缩短开挖进尺 改变施工方法 锁脚锚杆（管） 径向注浆 扩大拱脚 仰拱及时闭合 设临时仰拱 底部横撑 加固墙角 2
土， 一般具有较弱的湿陷性， 当含粘土颗粒较多时， 湿陷性较小或无湿陷性，如陕西关中、河南、河北 等黄土冲积洪积平原。
（1）隧道开挖所引起的围岩应力状态变化， 其直观表现就是位移状态的变化。 （2）隧道开挖后的变形包括掌子面前方的先 行位移、掌子面位移和掌子面后方位移三部分。隧 道开挖后的位移动态如图 3 和图 4 所示：
（1）黄土是第四系堆积的陆相沉积物，是半 干旱气候条件下形成的并有针状孔隙、垂直节理的 特殊土。 （2）按形成时代和结合工程建设的特点，常 将黄土分为老黄土和新黄土；非湿陷性黄土和湿陷 性黄土等。 （3）湿陷性黄土：黄土在一定压力作用下， 受水浸湿后，土的结构受到破坏而发生显著下沉现 象的， 称其为湿陷性黄土。 开始出现湿陷时的压力， 称为湿陷起始压力，湿陷起始压力一般有随深度而 渐增的趋势。 自重湿陷性黄土：黄土受水浸湿后在自重压力 下发生湿陷的，称自重湿陷性黄土； 非自重湿陷性黄土：在自重压力下浸湿不发生
位移类型
控制措施
双排小导管、钢插板、预衬砌） 注浆加固 地表加固
向底部地层注浆 改变施工方法 3.2 3.2.1 黄土隧道围岩压力特征及变形规律 黄土隧道围岩压力特征 第Ⅱ阶段（持续增长阶段） ：这部分变形量约 占总体变形量的 30%左右，变形主要是由于未及 时施作仰拱造成的，持续时间为 10~15 天。在该 阶段二次衬砌仰拱和边墙基础要紧跟，并及时进 行仰拱回填和施作路面基层，增加结构的整体稳 定性。值得提出的是，该阶段变形在持续增长， 尤其当变形过大时，应及时加强初期支护或采取 辅助加强措施，二次衬砌拱墙切不可盲目紧跟， （3）黄土隧道土体破裂角，破裂面起点调查 揭示在拱脚，为折线，可能有多条，但主要的只 有一条，角度 58°～63°； （ 4） 大跨度黄土隧道的土体破坏一般不能形 成所谓的普氏压力拱，岩石隧道设计采用的普氏 理论与黄土隧道的实际压力分布不符。 3.2.2 黄土隧道围岩变形规律 否则过大的变形压力会对尚未完全硬化达到最终 强度的混凝土造成损伤，发展到最后可能会使混 凝土产生裂缝，导致二次衬砌的寿命降低，甚至 塌方。在以往的工程实践中，当变形过大时，通 常采用 “二衬紧跟” ， 以至诱发二次衬砌早期开裂， 处理起来非常棘手。 第Ⅲ阶段（缓慢增长阶段） ：开挖后 25 天左 右，此时仰拱已施作，变形主要由黄土的蠕变引 起，虽然仍在缓慢地变形，但变形速率显著减小。 在初期支护的作用下，围岩基本稳定，此时宜施 作二次衬砌，以防止诱发更大的变形。
[1]
2 黄土的特征和性质
2.1 黄土的定义及分类
（5）抗水性极差，易于崩解、潜蚀、冲刷。 （6）新黄土多具有湿陷性。 2.3 黄土地貌 黄土地貌一般可分为“塬、梁、峁”三大类型 以及河谷阶地、冲积和洪积平原等。 （1）黄土塬：面积较大的平坦高地，有陡峻 边缘，通常由黄土所构成，在黄土塬顶部表层广泛 分布着黄土质土。 （2）黄土梁：地形呈长条状的垄岗，两旁夹 以深谷，垄岗高度大体保持一致。 （3）黄土峁：指个体独立或连续的黄土丘陵， 由于地形严重切割，沟谷斜坡地带往往分布着新近 堆积的湿陷性强的黄土质土。 （4）河谷阶地：包括现代河流的河漫滩、超 漫滩，低级阶地、高级阶地、河谷范围内的各种斜 坡地带以及河谷两侧的一些沟谷等地貌。 （5）冲积洪积平原：分布着全新统的黄土质 1
1 C g h sec 2 T h 2 C g H tan tan tan tan g 2 cos
3
（2）竖直梯形压力（图 6b）
q q q e q
1
q q
3 2
(a) (b) (c) e
4
q b
q
4
0
30° 30°
4 黄土隧道围岩压力计算方法
目前，在计算围岩压力时，根据隧道埋深， 分别采用不同的计算方法。根据调查统计资料， 深埋和浅埋黄土隧道的分界深度，单线铁路隧道 为 15 ～ 25m ，双线铁路隧道和公路隧道为 20 ～ 50m，具体如何划分浅埋深埋，还需视工程条件 等灵活确定。 4.1 4.1.1 浅埋黄土隧道 具有明显偏压的浅埋黄土隧道（图 5）
2
湿陷，但在附加压力下发生湿陷的，称非自重湿陷 性黄土。 2.2 黄土的一般地质特征 （1）黄土的基本色调为黄褐、浅黄、棕黄等 颜色。 （2）组成物质以粉粒 （0.05～0.005mm） 为主， 约占 60%， 粘土粒 （＜0.005mm） 含量次之， 占 20% 左右，大于 0.25mm 的颗粒少见。 （3）结构疏松、无层理，具有肉眼可见的大 孔隙、垂直节理发育。 （4）含易溶盐类，主要矿物组成有石英、长 石、云母、碳酸盐类胶结物及粘土矿物。


外侧： 用α′、h′、H′分别代替α、h、H，并代 入以上各式，求得相应的 T′、ε′、tanβ。 将 T、Tˊ同时代入竖直压力计算公式，求出 总竖直压力 P。 竖直压力，分别按均布、梯形、马鞍形三种 分布图式考虑（图 6） ，三种分布图式的竖直压力 总和相等。 （1）竖直均布压力（图 6a）
λ——侧压力系数，取λ=0.5～1.0。 侧向水平压力亦可按下式计算： 内侧：
式中 q1、q2——竖直梯形压力，kPa； i—— 地面横坡坡率，当地面横 坡平缓时（即不具明显偏压） ，i 为偏载率，一般 取 i≥5。 （3）竖直马鞍形压力（图 6c）
tan
A
B B 2 AD A
1 mh 2 C g hn m tan sec 2 g C g H 2 1 B mh 2 tan g C g hm n tan sec 2 g C g H tan 2 1 D h 2 n tan g sec 2 g tan C g hn m tan sec 2 g C g H tan 2 2
黄土隧道
摘要：黄土，古称“黄壤” ，本源于土地之色，相对于 一般岩石 而言，黄 土强度低， 遇水软化 或湿陷， 所以在黄 土地 层中修建隧道极易发生洞内坍塌和地表沉陷等问题。本文介绍了黄土的特征和性质，阐述了隧道变形一般规律及 控制措施、黄土隧道围岩压力特征及围岩变形规律、黄土隧道围岩压力计算方法，并对黄土隧道初期支护是否应 该取消拱部系统锚杆进行了讨论，最后总结了黄土隧道施工方法。 关键词 ：黄土隧道；系统锚杆；围岩变形；围岩压力；施工方法
1 前言
黄土是一种第四纪沉积物，在我国分布广泛， 自西向东主要分布在新疆、青海、甘肃，宁夏、陕 西、山西、河南、河北、山东、内蒙古、辽宁，吉 林等地，总面积达 631000km ，占国土面积的 6.6% 左右。随着我国高速公路网和高速铁路网的不断发 展和完善，不可避免地需要修建大量的黄土隧道。 由 于 湿陷性黄土对工程建设的影响，黄 土 隧 道 在 施工过程中极易发生洞内坍塌和地表沉陷等问 题。所以，有关黄土隧道这一特殊隧道工程问 题及其所面临的技术难题值得我们关注和研 究。
隧道开挖过中围岩的变形是由两方面因素
先行位移在掌子面前方 1.5D 处开始
引起的：一是由于开挖所形成的应力释放空间不断 向前延伸、扩展，致使在横断面上的围岩变形不断 增大，被称之为“空间效应” ；二是由于岩体的流 变特性导致围岩变形随时间而增长，被称之为“时 间效应” 。 3.1.3 隧道开挖位移动态过程 掌子面前方的先行位移 3.1.4
b
图 6 竖直压力分布形式
图 16-1-2

tan tan n m tan
m tan g tan n 1 tan g tan
tan tan g
b q1 q 2i q q b 2 2i
图 5 浅埋黄土隧道压力计算模型
1．竖直压力
' 2 H 2 ' H P ( H H )( C g ) sin T T h' 2 h '
q
b
P b
式中
q——竖直均布压力，kPa； P——总竖直压力，kN； b——隧道开挖宽度，m。
e
外侧：
H 2T cos H 0 2 h 2
1 mh 2 C g nh H sec2 g 2 1 B mh 2 tan g C g mh 2 1 D nh 2 tan g C g nh 2 A
式中： P——作用衬砌上的总竖直压力，kN； γ——黄土天然重度，kN/m ； b——隧道开挖宽度，m； cg—— 黄 土 计 算 凝 聚 力 ， kPa ， 一 般 取 cg= （0.6～0.7）c，c 为洞顶土柱凝聚力的平均值； θ—— 洞顶土柱与两侧三棱土体之间的摩擦 角，θ=（0.2～0.3）φg，度； φg——土体计算内摩擦角，度； T、Tˊ——洞顶土柱内、外侧摩阻力，kN， 按下式计算； 内侧：
图3
隧道开挖后的位移动态
图1
隧道开挖过程简图
与之相应的力学过程如图 2 所示：