浅埋双地层隧道围岩压力计算方法

浅埋双地层隧道围岩压力计算方法

摘要：隧道塌方灾害一直是困扰我国浅埋隧道设计与施工的重要难题。准确确定围岩压力成为浅埋隧道结构设计和防止围岩塌方的重要依据。通过对采用双侧壁导坑法施工时隧道变形特性的研究，提出了一种针对浅埋双地层隧道围岩压力的计算方法。利用结构力学理论，建立了围岩压力与初期支护收敛变形之间的关系，由变形监测数据计算出水平围岩压力并反算围岩力学参数，进而计算得到垂直围岩压力。以厦门市祥岭隧道为例，对该计算方法进行实例验证，结果表明，利用该计算方法得出的顶部围岩压力为47.35kPa，底部围岩压力为17.22kPa，垂直围岩压力为199.41 kPa，均在传统计算方法结果的范围之内，验证了该计算方法的合理性，为浅埋双地层隧道的设计和施工提供理论参考。

关键词：浅埋隧道；塌方灾害；双地层；围岩压力；力学模型

A Calculating Method of the Surrounding Rock Pressure

of Shallow Tunnel in Double Layer

LI Chao1

(1. Sichuan Road & Bridge (group) Co., Ltd Chengdu, Sichuan, 610066)

Abstract：Tunnel collapse disaster has been an important problem that puzzles the design and construction of shallow tunnel in our country. Accurate determination of surrounding rock pressure is an important basis for the design of shallow tunnel structures and the prevention of tunnel collapse. Surrounding rock pressure is an important basis for tunnel design and stability study on the base of tunnel deformation characteristics taken by the double side drift method construction. Structural mechanics theory is used to establish the relationship between the lining and the surrounding rock pressure of early convergence deformation. The deformation monitoring data is used to calculate the level of surrounding rock pressure and back-calculate rock mechanics parameters, calculate the vertical pressure of surrounding rock. Take Xiang Ling tunnel in Xiamen as an example , the calculation results show that the pressure at the top of rock using this method to get the 47.35kPa, pressure of surrounding rock bottom 17.22kPa, vertical surrounding rock pressure is 199.41kPa, are within the scope of the traditional calculation results, to prove the feasibility of the method. This study provides some reference for the design and construction of shallow tunnel in double layer.

Key words：Shallow tunnel; collapse disaster; double formation; surrounding rock pressure; mechanical model

1引言

围岩压力作用模式和计算方法是隧道工程支护结构设计中的关键问题。目前采用的浅埋隧道围岩压力计算方法主要有全土柱理论[1]、比尔鲍曼公式[2]、太沙基公式[3]、谢家杰公式以及国内相关设计规范推荐的方法等。这些公式和方法对进一步研究围岩压力起到了一定的推动作用，但是也存在一些问题。比如，全土柱计算理论[1]计算公式简便、物理意义明确，但却不能合理反映隧道围岩压力的产生机理，计算结果保守，一般只在埋深小于一倍自然平衡拱高度的超浅埋隧道采用。比尔鲍曼公式[2]计算得到的围岩压力随隧道埋深和围岩内摩擦角增大呈抛物线发展，当深度达到一定值时，围岩压力反而变小甚至出现负值，与实际情况不符。而太沙基公式[3]中侧压力系数为经验参数，其取值具有较大的主观性；当

隧道高跨比小于某一定值后，计算得到围岩压力为负值，与工程实际不符[8]。《铁路隧道设计规范》[5]中的基于1025个塌方资料，建议了按概率极限状态法下以松散体考虑的围岩压力计算公式。《公路隧道设计规范》[6]中提出Ⅳ～Ⅵ级围岩浅埋隧道荷载计算公式和深埋隧道的围岩压力为松散体时的计算公式。它们是在总结以往国内外分类方法的基础上，针对中国特色的工程实际而提出来的。但是我国规范是在统计的基础上建立的经验公式，而统计样本91.6%都在5～10米宽度的隧道内取得的，在指导当前三车道、四车道等大跨度隧道时，显得无能为力[9]。

随着近年来大量的铁路、公路、引水等隧道（隧洞）的修建，隧址的地质条件越来越复杂，隧道施工工法越来越多样化，对浅埋隧道围岩压力的计算研究也越来越重视。林乐彬[10]从应力分析的角度，通过有限元软件进行应力分析，得出围岩压力规律，进而分析隧道稳定性。杨峰[11]等利用极限分析理论，根据太沙基破坏模式，计算了浅埋隧道的围岩压力；程小虎[12,13]对浅埋隧道围岩压力计算方法和隧道埋深分界进行了研究，采用极限平衡法建立了浅埋隧道松动围岩压力公式，弥补了《公路隧道设计规范》[6]的一些不足，但公式无法反映施工工法及工序对浅埋隧道围岩压力的影响，有一定的局限性。刘春进行了隧道开挖过程的模拟实验，并利用数值计算模拟不同施工工法的隧道开挖，从而分析了隧道施工围岩应力分布和喷锚力学性态的变化规律。

同时，从工程实践中不难看出，不同的围岩压力计算方法均有其特定的使用条件，以上计算方法都以均匀地层构造为前提，当隧道处于两地层交界面时，则无法直接应用上述方法计算围岩压力。

以下以双地层双侧壁导坑法隧道施工为例，通过构建结构简化模型，利用收敛变形监测数据，计算水平围岩压力，并结合作者推导的结构力学公式，对围岩压力参数进行反算，进而计算垂直围岩压力，研究对浅埋双地层隧道的设计和施工提供参考。

进行了隧道开挖过程的模拟实验，并利用数值计算模拟不同施工工法的隧道开挖，从而分析了隧道施工围岩应力分布和喷锚力学性态的变化规律。

同时，从工程实践中不难看出，不同的围岩压力计算方法均有其特定的使用条件，以上计算方法都以均匀地层构造为前提，当隧道处于两地层交界面时，则无法直接应用上述方法计算围岩压力。

以下以双地层双侧壁导坑法隧道施工为例，通过构建结构简化模型，利用收敛变形监测数据，计算水平围岩压力，并结合作者推导的结构力学公式，对围岩压力参数进行反算，进而计算垂直围岩压力，研究对浅埋双地层隧道的设计和施工提供参考。

2结构力学模型与公式

浅埋隧道开挖时，由于隧道埋深较浅，隧道拱顶覆盖层较薄，受自然条件影响较大，难以形成自然平衡拱，容易使地表发生沉降，影响地面人员、车辆及周围建筑物安全，因此，在施工时多采用浅埋暗挖法，并使用多种辅助措施加固隧道围岩，如双侧壁导坑法等。

双侧壁导坑法属于新奥法的一个分支，其原理是将整个隧道断面划分成上下左右若干个小断面，按顺序对每一个小断面分开施工，并最终形成一个大的隧道断面。首先，对①部上导坑开挖并及时施做初期支护，使①部在短时间之内具有一定的自稳能力，后续施工步骤按图1中圆圈内数字顺序依次进行开挖和施作初期支护，最终拆除临时支护，施作二衬仰拱、隧底填充及二衬拱墙。双侧壁导