高速公路隧道围岩压力的研究

　　Study on Wall Rock Pressure of Expressway Tunnel

中国论文网 http://www.xzbu.com/7/view-38308.htm

　　

　　 Chen Yu

　　（贵州桥梁建设集团有限责任公司，贵阳 550001）

　　（Guizhou Road and Bridge Group Co.，Ltd.，Guiyang 550001，China）

　　

　　摘要： 高速公路隧道施工过程中，隧道围岩压力对行车的安全性、隧道耐久性及投资者的经济效益和社会效益有着重要作用。本文通过对围岩概念以及形成机理的了解，分析了构造应力场、自重应力场，提出了围岩压力的确定方法。为高速公路隧道的设计提供理论指导。

　　Abstract: In highway tunnel construction process, the wall rock pressure have impact on driving safety, durability and economic and social benefits of tunnel investors. This paper presents the concept of wall rock and formation mechanism, analyzes the tectonic stress field, self-gravity stress field, and puts forward the determination method of pressure of wall roll. At last, the paper provides theoretical guidance for the design of the highway tunnel.

　　关键词： 高速公路 隧道 围岩 压力

　　Key words: expressway；tunnel；wall rock；pressure

　　中图分类号：U45文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）32-0095-02

　　0引言

　　基础设施建设进入了一个高速发展的时期，高速公路的建设是土木工程进步的标志之一。但是，隧道建设作为高速公路研究的重点和难点，始终是人们关注的问题之一。隧道工程所赋存的地质环境的内涵很广，包括地层特征、地下水状况、开挖隧道前就存在于地层中的原始地应力状态、地温梯度等。因此，隧道围岩的稳定性是反映地质环境的综合指标。也是我们修建隧道工程对围岩特征研究的重要内容之一。

　　1围岩压力的概念

　　人们对围岩压力的认识，是从开挖侗穴后围岩的出现初坍塌的现象开始的。随着隧道和地下工程的发展，人们从支撑和衬砌的变形、开裂和破坏现象，进一步认识到围岩压力的存在。

　　在稳定的地层中开挖坑道，由于围岩在爆破后发生松动以及暴露后受到风化，个别落石现象也不可避免。在完整而坚硬的岩层中开挖隧道，也会遇到小块岩石突然脱离岩体向隧道内弹出，人们称为“岩爆”，这些都是围岩压力的现象，为了保证隧道有足够的净空，就要修建支护结构，以阻止围岩的移动和崩塌，支护结构就是用来承受围岩压力。本节所阐述的围岩压力系指松动压力，至于所涉及的弹塑性理论在“新奥法”一节中介绍。

　　2围岩压力的产生

　　围岩压力的产生是隧道工程的一个重要的力学特征，隧道是在具有一定的应力历史和应力场的围岩中修建的。所以，围岩的初始应力场的状态极大地影响着在其中发生的一切力学现象，这是和地面工程极其不同的。因此，我们需要研究隧道开挖前后围岩的应力状态，这对指导我们隧道的设计与施工有着重要意义。

　　通常所指的初始应力场泛指隧道开挖前岩体的初始静应力场，它的形成与岩体构造、性质、埋藏条件以及构造运动的历史等有密切关系。在隧道开挖前是客观存在的，在这种应力场中修建隧道就必须了解它的状态及其影响。

　　岩体的初应力状态与施工引起的附加应力状态是不同的，它对坑道开挖后围岩的应力分布、变形和破坏有着极其重要的影响。可以说，不了解岩体初应力状态就无法对隧道开挖后一系列力学过程和现象做出正确的评价。岩体的初应力状态一般受到两类因素的影响：第一类因素有重力、温度、岩体的物理力学性质、岩体的构造、地形等经常性的因素；第二类因素有地壳运动、地下水活动、人类的长期活动等暂时性的或局部性的因素。因此，初应力场是由两种力系构成，即

　　σ＝σγ+στ（1）

　　式中：σγ―自重应力分量；στ ―构造应力分量。

　　在上述因素中，目前主要研究和使用的是由岩体的体力或重力形成的应力场，称为自重应力场。而其它因素只认为是改变了由重力造成的初应力状态。一般来说，重力应力场可以采用连续介质力学的方法。它的可靠性则决定于对岩石的物理力学性质及岩体的构造力学性质的研究，其误差通常是较大的。而其它因素造成的初应力场，主要是用实验方法完成的。

　　2.1 自重应力场

　　我们研究具有水平成层。地面平坦的情况。如图1所示，设岩体是线性变形的，在xz平面内是均质的，沿y轴方向是非均质的，设E、μ分别为沿垂直方向的岩体弹性模量和泊松比，E1、μ1为沿水平方向的岩体弹性模量和泊松比。因岩体的变形性质沿深度而变，故可假定：E＝E（y）；μ=μ（y）；E1＝E1（y）；μ1=μ1（y）

　　单位体积重量也认为是沿深度而变，即γ＝γ（y）；这样，距地表面h深处一点的应力状态如图1所示，其计算式可表示如下：

　　σy=∫γ（y）dy

　　σx=σx（y）（2）

　　σz=σz（y）

　　τxy=τxz=τyz=0

　　上式满足了地面的边界条件，h＝0，σy＝0。

　　一般认为，处于静力平衡状态的岩体内，沿水平方向的变形等于零，故σx=σz＝（E/E1）μ1/（1-μ）σy（3）

　　当E＝E1=常数，μ＝μ1＝常数时，则得出大家熟知的公式

　　σx=σz＝μ/（1-μ）σy（4）

　　设λ=μ/（1-μ），称之谓侧压力系数，则上式可写成

　　σx=σz＝λσy（5）

　　显然当垂直应力已知时，水平应力的大小决定于围岩的泊松比。大多数围岩的泊松比变化在0.15～0.35之间，因此，在自重应力场。水平应力通常是小于垂直应力的。

　　深度对初始应力状态有着重大影响。随深度的增力，σy和σx（σz）都在增大，但围岩本身的强度是有限的，因此当σy和σx增加到一定值后，各向受力的围岩将处于隐塑性状态。在这种状态下，围岩物性值（E、μ）是变化的，λ值也是变化的，并随深度的增加，λ值趋于1，即与静水压力相似，此时围岩接近流动状态。

　　上述各式所表达的应力场是理论性的，实际情况中，由于地壳运动，岩层会产生各种变动，如形成向斜、背斜、断裂等，在这种情况下，围岩的初始应力场也有所变化。如以垂直成层为例，由于各层的物理力学性质不同，在同一水平面上的应力分布可能是不同的；在背斜情况下，由于岩层成拱状分布，使上层岩层重量向两侧传递，直接处于背斜下的岩层受到较小的应力（图2），在被断层分割的楔形岩块中（图3）也可观察到类似情况。在实际工作的应用中是不能忽视的。

　　2.2 构造应力场地层的应力场是由自重应力场和构造应力场构成的。地质学家认为：地层各处发生的一切构造变形与破裂都是地应力作用的结果，因而地质力学就把构造体系和构造形式在形成过程中的应力状态称为构造应力场。构造应力场是随时间变化的动态场。

　　由于构造应力场的不确定性，很难用函数形式表达。它在整个初始应力场中的作用只能通过某些量测数据来分析，在实际工程中应用较少。一般认为，构造应力场具有以下特性：

　　2.2.1 地质构造形态不仅改变了重力应力场，而且以各种构造形态获得释放，还以各种形式积蓄在岩体内，这种残余构造应力将对隧道工程产生重大影响。

　　2.2.2 构造应力场在较浅的地层中已普遍存在，而且最大构造应力场的方向，近似为水平，其值常大于重力应力场中的水平应力分量，甚至大于垂直应力分量，这与重力应力场有较大的差异。

　　2.2.3 构造应力场是不均匀的，它的参数在空间和时间上都有较大的变化，尤其是它的主应力轴的方向和绝对值的变化很大。

　　求解初始应力场，结果常常有极大的偏差。因此，在理论分析中，常把初始应力场按静水应力场来处理。在某些重要的工程中，多采用实地量测的方法，来判断主应力的大小及其方向的变化规律。

　　综上所述，隧道的开挖，破坏了围岩原有的平衡，产生了变形和应力重新分布。但是这种变化发展不是无限的，它总是为了达到新的平衡而处在一种新的应力状态中。

　　上述分析说明开挖隧道对围岩稳定的影响是较大的，影响的程度视地质条件、隧道形状、施工方法而异。公路隧道设计规范规定，隧道开挖破坏了的岩体的重量就是作用在支护结构上围岩压力的来源。当然，现代隧道施工技术是不会让这种现象自由发展，从爆破手段和初期支护上采取措施，阻止隧道周边岩体过大的变形和坍塌，使围岩成为主要的承载体。

　　2.3 围岩压力的确定方法围岩压力的确定目前常用有下列三种方法：

　　①直接量测法：是一种切合实际的方法，对隧道工程而言，也是研究发展的方向；但由于受量测设备和技术水平的制约，目前还不能普遍常用。

　　②经验法或工程类比法：是根据大量以前工程的实际资料的统计和总结，按不同围岩分级提出围岩压力的经验数值，作为后建隧道工程确定围岩压力的依据的方法。是目前使用较多的方法。

　　③理论估算法：是在实践的基础上从理论上研究围岩压力的方法。由于地质条件的不确定性，影响围岩压力的因素又非常多，这些因素本身及它们之间的组合也带有一定的偶然性，企图建立一种完善的和适合各种实际情况的通用围岩压力理论及计算方法是困难的，因此，现有的围岩压力理论都不十分切合实际情况。

　　在理论计算方法中，考虑几个主要因素，使其结果相对地接近实际围岩压力的情况，是目前隧道工程设计中采用较多的方法。一般来讲，都是以某种简化的假设为前提，或以实际工程的统计分析资料为基础。

　　①深埋隧道围岩压力的确定。

　　目前我国公路隧道和铁路隧道所采用的计算围岩竖向匀布压力的计算式，是以工程类比为基础，统计分析了我国数百座隧道坍方调查资料而拟定的。

　　围岩竖向分布压力q按下式计算：

　　q=0.45×26-s×γω（kN/m2）（6）

　　式中 S― 围岩级别，如属II级，则S＝2；

　　γ―围岩容重，（kN/m2）；

　　ω＝1+i（B-5）―宽度影响系数；

　　B―隧道宽度，（m）；

　　I―以B＝5m为基准，B每增减1m时的围岩压力增减率。

　　当B 5m，取i ＝0.1。

　　公式（6）的适用条件为：

　　1）H/B　　2）深埋隧道；

　　3）不产生显著偏压力及膨胀力的一般隧道；

　　4）采用钻爆法施工的隧道。

　　围岩的水平匀布压力e，按表1中的经验公式计算。

　　在确定了围岩压力的数值后，一个重要的问题是考虑压力分布特征。根据我国隧道围岩压力的一些量测结果表明：作用在支护结构上的荷载是不均匀的，这是因为在V及IV级围岩中，局部塌方是主要的，而其它级别的围岩中，岩体破坏范围的形状和大小受岩体结构、施工方法等因素的控制，也是极不规则的。

　　②浅埋隧道围岩压力的计算。

　　浅埋隧道一般出现在山岭隧道的洞口附近，埋置深度较浅，深埋和浅埋隧道的分界，按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判定，接荷载等效高度的判定式为：

　　Hp＝（2～2．5）hq（7）

　　式中Hp―深浅埋隧道分界深度；

　　hq―荷载等效高度，按下式计算；

　　hq＝q/γ（8）

　　q―深埋隧道竖向均布压力（kN／m2）；

　　γ―围岩客重（kN／m2）。

　　在矿山法施工的条件下，I一III级围岩取

　　Hp＝2．5hq（9）

　　IV～VI类围岩取

　　Hp＝2hq（10）

　　浅埋隧道围岩压力分下述两种情况分别计算：

　　埋深（H）小于或等于等效荷载高度hq时，荷载视为均布竖向压力q =γH（11）

　　式中：q―匀布布竖向压力；

　　γ―深度上覆围岩容重；

　　H―隧道埋深，抬隧道顶至地面的距离。

　　侧向压力e，按匀布考虑时，其值为：

　　e=γ（H+1/2Hi）tg2（45°-Φ/2）（12）

　　式中：e―侧向匀布压力；

　　γ―围岩容重；

　　H―隧道埋深；

　　Hi―隧道高度；

　　Φ―围岩计算摩擦角，其值可查有关规范。

　　3总结

　　3.1 高速公路隧道的设计是一个复杂的系统工程，通过分析构造应力场、自重应力场，提出了围岩压力的确定方法。

　　3.2 本文通过对高速公路隧道围岩压力的研究，对工程研究具有一定的理论参考价值。

　　参考文献：

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　　[2]杜时贵.岩体结构面粗糙度系数JRC的定向统计研究[J].工程地质学报，1994，2，（3）：62-71.

　　[3]童宏纲，刘佑荣，杜时贵.高速公路隧道围岩质量评价系统初步统计[J].地质科技情报，2000，19，（3）：81-86.

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　　作者简介：陈瑜（1975-），男，贵州晴隆人，大专，工程师，研究方向为路桥。