黄土公路隧道围岩压力测试分析
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第 40 卷第 2 期 2003 年 4 月
文章编号: 1009- 6582( 2003) 02- 0058- 03
现代隧道技术 Modern T unnelling T echnolog y
Vol. 40 No. 2 Apr. 2003
黄土公路隧道围岩压力测试分析
赵占厂 谢永利 杨晓华 李又云
( 长安大学公路学院, 西安 710064)
deep tunnel according to dif ferent methods
方法 分界标准/ m
公路隧道 设计规范
65. 2
铁路隧道 设计规范
40. 0
太沙基公式 59. 5
3. 3 与已有计算方法的对比
根据边墙底部压力值、二次衬砌底部压力值和仰 拱压力值, 可近似计算出隧道衬砌所承受的垂直土压 力, 表 3 列出了两座隧道按不同方法的计算结果。新 庄岭隧道按谢氏公式和 公路隧道设计规范 的计算 结果远远超出了按实测值的推算结果, 公路隧道设 计规范 只是在谢氏公式的基础上对某些参数进一 步作了规定, 本质上是一样的。太沙基公式的计算 结果要小于实测值的推算结果, 从量测地表出现的 两纵向间距看, 隧道上方滑动楔体的宽度要大于按 太沙基公式的计算值, 致使确定的滑动土体的范围 较小, 加之太沙基公式假设侧压系数为 1, 以及微土 条单元的竖向力为均匀分布, 致使结果要偏离实际 的压力值。白虎山隧道由实测值推算的压力结果要 小于按 公路隧道设计规范 和普氏理论得出的计算 值。 公路隧道设计规范 的计算公式是借鉴铁路部 门对铁路隧道的施工坍方统计推算出来的, 认为坍 方区域内岩土体的重量即为隧道衬砌所受的垂直压 力, 其理论本质和普氏理论是一致的, 而与修正的卡
黄土公路隧道围岩压力测试分析
柯公式( 铁路工程设计技术手册) 相当接近。作者认 为, 在以上述的 21 字为施工指导原则的黄土隧道施 工中, 坍落体和承载拱是不会出现的, 隧道衬砌承受
的是由于周围土体挤压衬砌而产生的形变压力。综 上可以看出, 浅埋黄土隧道围岩压力为松动压力, 而 深埋隧道的围岩压力为形变压力。
中图分类号: U 452. 1+ 2
文献标识码: A
1引言
由于公路隧道建设的发展, 公路隧道的设计理 论与施工方法取得了重大的进步。目前岩石公路隧 道普遍采用 新奥法 进行设计施工, 隧道衬砌一般 采用锚喷混凝土支护加模筑混凝土二次衬砌。但是 对于黄土公路隧道, 由于黄土强度较低, 开挖扰动后 变形较大, 加之公路隧道大跨径、大断面和扁坦状以 及防水要求较高等特点, 仍较多地采用两层模筑混 凝土的衬砌形式, 这一带有中国特色的 矿山法 施 工方法又促使了工程技术人员对围岩压力问题的研 究与思考。按 荷载- 结构 模型设计计算地下洞室 衬砌时, 围岩压力是其中关键。 铁路工程设计技术
Abstract T he paper describes t he development and design idea, main specification, and merits of JXBK8 direct & alt ernate current and frequency cont rol accumulator locomot ive of narrow t rack applied to t he construction of single- t rack middle- long railway tunnel w it h steep grade. Key words Const ruct ion equipment; Accumut at or; locomot ive; Frequency control; Narrow t rack
手册 规定, 对黄土地区浅埋隧道围岩压力采用谢家 杰公式进行计算, 而深埋隧道采用卡柯公式进行计 算, 这些对黄土地区隧道的认识基本体现了我国黄 土地区隧道的设计理论水平。由于公路隧道自身特 点以及由此引起的设计施工方法的特殊性, 铁路隧 道业已达成了广泛共识的优秀成果是否依然对公路 隧道十分适用, 笔者认为应该研究。本论文结合实 际工程, 对围岩压力现场实测结果和计算结果进行 了分析对比, 并对相关问题进行了论述, 以期提高对 黄土地区隧道的计算设计理论水平。
岩性从上至下分为两层, 即第四系上更新统新黄土(
Q e3ol) 和第四系中更新统老黄土(
Q
al2
pl )
,
地质剖面
力学参数如表 1。隧道的埋深位置均在第二层, 白
虎山隧道测试断面埋深 167. 5 m , 围岩级别划分为
级; 新庄岭隧道测试断面埋深 82 m , 围岩级别划
分为 级。
隧道名称 地层岩性
摘 要 隧道围岩压力是一个极其复杂的问题, 涉及 的因素较多。论文论述了利用现 场测试手 段对两座黄 土
隧道 进行的测试结果, 分析了围岩压力的大小和分布形式 , 并和已有的计算结果进 行了分析对 比, 对 浅埋和深埋 的
界定标准以及二次衬砌和仰拱问题也作了论述。
关键词 公路隧道 黄土地层 围岩压力 现场测试
卡柯公式
实测值 推算结果
/
424. 1
图 2 白虎山隧道压力分布( kPa) F ig. 2 Pressure distribution o f Baihushan tunnel
59
现代隧道技术
图 3 新庄岭隧道 二次衬砌压力分布( kPa) F ig. 3 Secondary lining pressur e distribution
表 3 采用不同方法计算出的隧道垂直土压力( kPa) Table 3 Vertical soil pressure calculated by different methods
方法 隧道
新庄岭 白虎山
太沙基公式
346. 5 /
普氏理论
/ 364. 9
谢家杰 公式
803. 5 /
公路隧道设计规范
733. 5 248. 5
10. 42 8. 98 11. 40 14. 90
液限 /( %)
26. 10 26. 72 27. 33 27. 14
塑限 /( %)
17. 37 19. 18 19. 62 18. 45
凝聚力 / kPa
24. 75 47. 21 28. 10 36. 06
内摩擦角
27 02 3uangling tunnel
图 4 白虎山隧道 二次衬砌压力分布( kPa) F ig. 4 Secondary lining pressur e distribution
of Baihushan tunnel
压力, 而另一侧表现较小的压力。15 号和 16 号压 力盒位于边墙底部, 表现出了较大的压力值, 这是由 于这两个位置承受了大部分隧道衬砌所受的垂直压 力所致, 设置这两个压力盒的目的是想综合二次衬 砌底部( 17 号和 18 号) 压力值和仰拱压力值近似计 算出隧道衬砌所受的垂直土压力, 也可近似算出二 次衬砌所承担垂直土压力的比例。19 号、20 号压力 值表现为较仰拱中部压力值大, 是由于边墙底部土 体受到了集中的竖向压力, 致使周围土体向上隆起 挤压仰拱所致, 也同时说明在大跨径公路隧道设计 中, 要充分注意对边墙底部土体的加固处理以及仰 拱与边墙底部的连接。白虎山隧道的压力从拱部、 边墙再到仰拱相对分布较均匀, 起伏变化不大, 仰拱 所受压力和新庄岭隧道相差不大, 其他相应位置的 压力值比新庄岭隧道的值小。一方面是由于白虎山 隧道周围土体强度较高; 另一方面也是由于白虎山 隧道埋深较大, 表现出了隧道衬砌所受压力为形变 压力的特点。 3. 2 浅埋和深埋的界定
58
黄土公路隧道围岩压力测试分析
谗口至兰州高速公路是连云港至霍尔果斯国道 主干线的重要组成部分, 是兰州东出口的公路运输 大通道。本文将针对白虎山隧道和新庄岭隧道的测 试结果进行分析, 这两座隧道地处黄土山梁, 地表被 厚层黄土所覆盖, 地层岩性单一, 工程地质、水文地 质条件简单, 据勘探资料, 拟设隧道位置分布的地层
有关深埋和浅埋的分界问题, 一直是工程界和 学术界较为关注的问题, 分界标准对于判断隧道衬 砌所受围岩压力的性质至关重要。一种观点认为, 在施工中, 不能保证形成承载拱的深度, 就可定为深
60
埋和浅埋的分界, 这是从松弛荷载的角度进行确定 的方法。另一种观点认为, 隧道开挖所造成的围岩 松弛影响范围不能达到地表的深度, 可定义为深浅 埋的分界深度, 显然这是从连续介质力学角度出发 的分界标准。对白虎山隧道测试断面所处的位置, 无论按 公路隧道设计规范 、太沙基公式、铁路隧
2. 2 测试方案 现场测试内容包括: 一次衬砌和围岩的接触应
力; 二次衬砌和一次衬砌之间的接触应力; 拱部钢花 拱主筋的轴力; 二次衬砌拱部混凝土的应变。测试元 件全部采用振弦式元件, 以满足长期稳定性的要求。
3 观测结果分析
考虑到施工可能对引线及测试元件造 成的损 坏, 故测试元件布设较多。通过近两年的现场观测, 获得了大量宝贵数据, 除个别元件损坏外, 大部分基 本完好, 满足了分析的要求。文中只列出了涉及围 岩压力方面的部分观测结果, 图 1~ 图 4 分别是 2002 年 3 月 13 日观测的相应位置断面的压力分布图。
道。作者认为, 深浅埋的分界标准, 不仅与隧道周围 岩土的物性参数有关, 而且与隧道断面形状及大小, 特别是跨径以及施工方法有着十分密切的关系, 鉴 于涉及因素较多, 详尽的分析应结合数值仿真手段 进行。
表 2 不同方法计算的深浅埋分界标准 Table 2 criteria for dividing shallow and
饱和度 /( %)
34. 09 48. 46 41. 30 66. 84
隧道断面轮廓设计采用单心圆方法, 一次模筑 混凝土衬砌和二次模筑混凝土衬砌都采用 25 号混 凝土。一次衬砌拱顶厚 45 cm, 在起拱线处厚 65 cm; 二次衬砌厚为 35 cm; 仰拱采用厚 45 cm 的 20 号混 凝土; 仰拱与路面之间填 充层采用 15 号片石 混凝 土; 钢花拱纵向间距为 2. 0 m。施工方法采用微台 阶先拱后墙法, 严格按照 管( 杆) 超前、少扰动、短进 尺、强支护、留核心、勤量测、早封闭 的施工原则进 行施工。
道设计规范 哪种规定进行计算, 均属于深埋, 故在 此不作讨论, 文中只列出按三种方法计算的新庄岭隧 道的分界标准。新庄岭隧道测试断面埋深为 82 m, 大于按三种方法所计算的分界标准, 理应属深埋隧 道。但是, 在施工期间, 开挖通过测试断面时, 地表 出现了两条沿隧道走向的纵向裂缝, 无疑按照上述 深浅埋分界标 准的两种观点都不能划 分为深埋隧
白虎山 新庄岭
Qe3ol Qa2l- pl Qe3ol
Qa2l- pl
表 1 地质剖面力学参数
Table 1 Mechanical parameters of geological profile
天然容重 / ( kN/ m3)
16. 05 19. 41 16. 92 19. 22
天然含水量 /( %)
2 工程概况及测试方案
2. 1 工程概况
收稿日期: 2002- 12- 11 作者简介: 赵占厂, 男, 博士研究生.
Development and application of JKBK8 accumulator locomotive with frequency control
W ang Gui X ia ( M achinery Co. Ltd of N o. 5 Engineer ing Bur eau, Guiyang 550003)
3. 1 围岩压力 从拱部、墙部及仰拱的压力分布规律上看, 新庄
岭隧道表现为很不均匀, 拱顶的压力值很小, 几乎接 近于零, 说明想 象中的 脱离 区 是存在 的, 7 号、8 号、9 号、10 号压力值较小, 4 号、5 号压力值较大, 分 布 形状如 猫耳 朵 。边墙一侧表现 出较大的侧 向
图 1 新庄岭隧道压力分布( kPa) Fig . 1 Pressure distr ibut ion of Xinzhuangling tunnel
文章编号: 1009- 6582( 2003) 02- 0058- 03
现代隧道技术 Modern T unnelling T echnolog y
Vol. 40 No. 2 Apr. 2003
黄土公路隧道围岩压力测试分析
赵占厂 谢永利 杨晓华 李又云
( 长安大学公路学院, 西安 710064)
deep tunnel according to dif ferent methods
方法 分界标准/ m
公路隧道 设计规范
65. 2
铁路隧道 设计规范
40. 0
太沙基公式 59. 5
3. 3 与已有计算方法的对比
根据边墙底部压力值、二次衬砌底部压力值和仰 拱压力值, 可近似计算出隧道衬砌所承受的垂直土压 力, 表 3 列出了两座隧道按不同方法的计算结果。新 庄岭隧道按谢氏公式和 公路隧道设计规范 的计算 结果远远超出了按实测值的推算结果, 公路隧道设 计规范 只是在谢氏公式的基础上对某些参数进一 步作了规定, 本质上是一样的。太沙基公式的计算 结果要小于实测值的推算结果, 从量测地表出现的 两纵向间距看, 隧道上方滑动楔体的宽度要大于按 太沙基公式的计算值, 致使确定的滑动土体的范围 较小, 加之太沙基公式假设侧压系数为 1, 以及微土 条单元的竖向力为均匀分布, 致使结果要偏离实际 的压力值。白虎山隧道由实测值推算的压力结果要 小于按 公路隧道设计规范 和普氏理论得出的计算 值。 公路隧道设计规范 的计算公式是借鉴铁路部 门对铁路隧道的施工坍方统计推算出来的, 认为坍 方区域内岩土体的重量即为隧道衬砌所受的垂直压 力, 其理论本质和普氏理论是一致的, 而与修正的卡
黄土公路隧道围岩压力测试分析
柯公式( 铁路工程设计技术手册) 相当接近。作者认 为, 在以上述的 21 字为施工指导原则的黄土隧道施 工中, 坍落体和承载拱是不会出现的, 隧道衬砌承受
的是由于周围土体挤压衬砌而产生的形变压力。综 上可以看出, 浅埋黄土隧道围岩压力为松动压力, 而 深埋隧道的围岩压力为形变压力。
中图分类号: U 452. 1+ 2
文献标识码: A
1引言
由于公路隧道建设的发展, 公路隧道的设计理 论与施工方法取得了重大的进步。目前岩石公路隧 道普遍采用 新奥法 进行设计施工, 隧道衬砌一般 采用锚喷混凝土支护加模筑混凝土二次衬砌。但是 对于黄土公路隧道, 由于黄土强度较低, 开挖扰动后 变形较大, 加之公路隧道大跨径、大断面和扁坦状以 及防水要求较高等特点, 仍较多地采用两层模筑混 凝土的衬砌形式, 这一带有中国特色的 矿山法 施 工方法又促使了工程技术人员对围岩压力问题的研 究与思考。按 荷载- 结构 模型设计计算地下洞室 衬砌时, 围岩压力是其中关键。 铁路工程设计技术
Abstract T he paper describes t he development and design idea, main specification, and merits of JXBK8 direct & alt ernate current and frequency cont rol accumulator locomot ive of narrow t rack applied to t he construction of single- t rack middle- long railway tunnel w it h steep grade. Key words Const ruct ion equipment; Accumut at or; locomot ive; Frequency control; Narrow t rack
手册 规定, 对黄土地区浅埋隧道围岩压力采用谢家 杰公式进行计算, 而深埋隧道采用卡柯公式进行计 算, 这些对黄土地区隧道的认识基本体现了我国黄 土地区隧道的设计理论水平。由于公路隧道自身特 点以及由此引起的设计施工方法的特殊性, 铁路隧 道业已达成了广泛共识的优秀成果是否依然对公路 隧道十分适用, 笔者认为应该研究。本论文结合实 际工程, 对围岩压力现场实测结果和计算结果进行 了分析对比, 并对相关问题进行了论述, 以期提高对 黄土地区隧道的计算设计理论水平。
岩性从上至下分为两层, 即第四系上更新统新黄土(
Q e3ol) 和第四系中更新统老黄土(
Q
al2
pl )
,
地质剖面
力学参数如表 1。隧道的埋深位置均在第二层, 白
虎山隧道测试断面埋深 167. 5 m , 围岩级别划分为
级; 新庄岭隧道测试断面埋深 82 m , 围岩级别划
分为 级。
隧道名称 地层岩性
摘 要 隧道围岩压力是一个极其复杂的问题, 涉及 的因素较多。论文论述了利用现 场测试手 段对两座黄 土
隧道 进行的测试结果, 分析了围岩压力的大小和分布形式 , 并和已有的计算结果进 行了分析对 比, 对 浅埋和深埋 的
界定标准以及二次衬砌和仰拱问题也作了论述。
关键词 公路隧道 黄土地层 围岩压力 现场测试
卡柯公式
实测值 推算结果
/
424. 1
图 2 白虎山隧道压力分布( kPa) F ig. 2 Pressure distribution o f Baihushan tunnel
59
现代隧道技术
图 3 新庄岭隧道 二次衬砌压力分布( kPa) F ig. 3 Secondary lining pressur e distribution
表 3 采用不同方法计算出的隧道垂直土压力( kPa) Table 3 Vertical soil pressure calculated by different methods
方法 隧道
新庄岭 白虎山
太沙基公式
346. 5 /
普氏理论
/ 364. 9
谢家杰 公式
803. 5 /
公路隧道设计规范
733. 5 248. 5
10. 42 8. 98 11. 40 14. 90
液限 /( %)
26. 10 26. 72 27. 33 27. 14
塑限 /( %)
17. 37 19. 18 19. 62 18. 45
凝聚力 / kPa
24. 75 47. 21 28. 10 36. 06
内摩擦角
27 02 3uangling tunnel
图 4 白虎山隧道 二次衬砌压力分布( kPa) F ig. 4 Secondary lining pressur e distribution
of Baihushan tunnel
压力, 而另一侧表现较小的压力。15 号和 16 号压 力盒位于边墙底部, 表现出了较大的压力值, 这是由 于这两个位置承受了大部分隧道衬砌所受的垂直压 力所致, 设置这两个压力盒的目的是想综合二次衬 砌底部( 17 号和 18 号) 压力值和仰拱压力值近似计 算出隧道衬砌所受的垂直土压力, 也可近似算出二 次衬砌所承担垂直土压力的比例。19 号、20 号压力 值表现为较仰拱中部压力值大, 是由于边墙底部土 体受到了集中的竖向压力, 致使周围土体向上隆起 挤压仰拱所致, 也同时说明在大跨径公路隧道设计 中, 要充分注意对边墙底部土体的加固处理以及仰 拱与边墙底部的连接。白虎山隧道的压力从拱部、 边墙再到仰拱相对分布较均匀, 起伏变化不大, 仰拱 所受压力和新庄岭隧道相差不大, 其他相应位置的 压力值比新庄岭隧道的值小。一方面是由于白虎山 隧道周围土体强度较高; 另一方面也是由于白虎山 隧道埋深较大, 表现出了隧道衬砌所受压力为形变 压力的特点。 3. 2 浅埋和深埋的界定
58
黄土公路隧道围岩压力测试分析
谗口至兰州高速公路是连云港至霍尔果斯国道 主干线的重要组成部分, 是兰州东出口的公路运输 大通道。本文将针对白虎山隧道和新庄岭隧道的测 试结果进行分析, 这两座隧道地处黄土山梁, 地表被 厚层黄土所覆盖, 地层岩性单一, 工程地质、水文地 质条件简单, 据勘探资料, 拟设隧道位置分布的地层
有关深埋和浅埋的分界问题, 一直是工程界和 学术界较为关注的问题, 分界标准对于判断隧道衬 砌所受围岩压力的性质至关重要。一种观点认为, 在施工中, 不能保证形成承载拱的深度, 就可定为深
60
埋和浅埋的分界, 这是从松弛荷载的角度进行确定 的方法。另一种观点认为, 隧道开挖所造成的围岩 松弛影响范围不能达到地表的深度, 可定义为深浅 埋的分界深度, 显然这是从连续介质力学角度出发 的分界标准。对白虎山隧道测试断面所处的位置, 无论按 公路隧道设计规范 、太沙基公式、铁路隧
2. 2 测试方案 现场测试内容包括: 一次衬砌和围岩的接触应
力; 二次衬砌和一次衬砌之间的接触应力; 拱部钢花 拱主筋的轴力; 二次衬砌拱部混凝土的应变。测试元 件全部采用振弦式元件, 以满足长期稳定性的要求。
3 观测结果分析
考虑到施工可能对引线及测试元件造 成的损 坏, 故测试元件布设较多。通过近两年的现场观测, 获得了大量宝贵数据, 除个别元件损坏外, 大部分基 本完好, 满足了分析的要求。文中只列出了涉及围 岩压力方面的部分观测结果, 图 1~ 图 4 分别是 2002 年 3 月 13 日观测的相应位置断面的压力分布图。
道。作者认为, 深浅埋的分界标准, 不仅与隧道周围 岩土的物性参数有关, 而且与隧道断面形状及大小, 特别是跨径以及施工方法有着十分密切的关系, 鉴 于涉及因素较多, 详尽的分析应结合数值仿真手段 进行。
表 2 不同方法计算的深浅埋分界标准 Table 2 criteria for dividing shallow and
饱和度 /( %)
34. 09 48. 46 41. 30 66. 84
隧道断面轮廓设计采用单心圆方法, 一次模筑 混凝土衬砌和二次模筑混凝土衬砌都采用 25 号混 凝土。一次衬砌拱顶厚 45 cm, 在起拱线处厚 65 cm; 二次衬砌厚为 35 cm; 仰拱采用厚 45 cm 的 20 号混 凝土; 仰拱与路面之间填 充层采用 15 号片石 混凝 土; 钢花拱纵向间距为 2. 0 m。施工方法采用微台 阶先拱后墙法, 严格按照 管( 杆) 超前、少扰动、短进 尺、强支护、留核心、勤量测、早封闭 的施工原则进 行施工。
道设计规范 哪种规定进行计算, 均属于深埋, 故在 此不作讨论, 文中只列出按三种方法计算的新庄岭隧 道的分界标准。新庄岭隧道测试断面埋深为 82 m, 大于按三种方法所计算的分界标准, 理应属深埋隧 道。但是, 在施工期间, 开挖通过测试断面时, 地表 出现了两条沿隧道走向的纵向裂缝, 无疑按照上述 深浅埋分界标 准的两种观点都不能划 分为深埋隧
白虎山 新庄岭
Qe3ol Qa2l- pl Qe3ol
Qa2l- pl
表 1 地质剖面力学参数
Table 1 Mechanical parameters of geological profile
天然容重 / ( kN/ m3)
16. 05 19. 41 16. 92 19. 22
天然含水量 /( %)
2 工程概况及测试方案
2. 1 工程概况
收稿日期: 2002- 12- 11 作者简介: 赵占厂, 男, 博士研究生.
Development and application of JKBK8 accumulator locomotive with frequency control
W ang Gui X ia ( M achinery Co. Ltd of N o. 5 Engineer ing Bur eau, Guiyang 550003)
3. 1 围岩压力 从拱部、墙部及仰拱的压力分布规律上看, 新庄
岭隧道表现为很不均匀, 拱顶的压力值很小, 几乎接 近于零, 说明想 象中的 脱离 区 是存在 的, 7 号、8 号、9 号、10 号压力值较小, 4 号、5 号压力值较大, 分 布 形状如 猫耳 朵 。边墙一侧表现 出较大的侧 向
图 1 新庄岭隧道压力分布( kPa) Fig . 1 Pressure distr ibut ion of Xinzhuangling tunnel