雙連拱隧道圍巖壓力分析
摘要：在雙連拱隧道施工過程中，由于圍巖應力重分布，圍巖的性質(zhì)較復雜且變化多、人為的因素對圍巖性質(zhì)影響大等因素，事先無法估計。因此，采取理論分析，經(jīng)驗判斷相結(jié)合方法，指導斑竹園雙連拱隧道的施工。
關鍵詞：隧道，雙連拱，圍巖，壓力
一、工程概況
斑竹園雙連拱隧道位于安徽省金寨縣斑竹園鎮(zhèn)，設計為高速公路雙連拱隧道，凈寬10.75m，凈高5.0m，隧道長度269.00m，進口位于六武高速公路K80+904，出口位于K81+173，隧址區(qū)屬低山地貌，海拔250~310m。隧址區(qū)巖性主要為花崗片麻等變質(zhì)巖，全風化層厚約2.0m，強風化層厚2.0m～4.1m，節(jié)理、裂隙較為發(fā)育，多為張開或微張開，有泥質(zhì)充填物，巖體呈碎塊狀松散結(jié)構(gòu)。主洞采用上下臺階開挖法開挖支護，開挖順序：中導洞（中隔墻）—右洞上、下臺階—左洞上、下臺階。
二、圍巖壓力分析
在設計隧道的結(jié)構(gòu)體系時，一般有兩種計算模型，一類是以支護結(jié)構(gòu)作為承載主體，圍巖對支護結(jié)構(gòu)的變形起約束作用，稱為荷載——結(jié)構(gòu)模型。另一類以圍巖為承載主體，支護結(jié)構(gòu)限制圍巖向隧道內(nèi)變形，它將支護結(jié)構(gòu)與圍巖視為一體，作為共同承載的隧道結(jié)構(gòu)體系，稱為地層——荷載模型。隧道開挖前，巖體處于初始應力狀態(tài)，開挖隧道后引起圍巖應力的重分布，以及圍巖的自然“成拱作用”形成天然拱。根據(jù)兩種模型可以這樣確定：斑竹園雙連拱隧道在淺埋段以荷載——結(jié)構(gòu)模型分析其受力。在深埋部分應以地層——荷載模型分析其受力。在雙連拱隧道開挖過程中應力如如下：
○1在中導洞開挖時，破壞了圍巖初始應力狀態(tài)，引起洞室及初期支護變形產(chǎn)生應力重分布，形成新的應力場—圍巖二次應力場。②右洞開挖時，洞頂圍巖應力亦重分布，形成圍巖三次應力狀態(tài)。③左洞開挖時，洞頂圍巖應力也要重新分布，形成圍巖四次應力狀態(tài)。④設置“二襯”后，由于前面的一些變形并未完全停止，因而仍會有一部分力，如圍巖的殘留變形，以及施工后圍巖物理力學性能的降低等，仍需“二襯”來承擔。這種“二襯”后圍巖的應力狀態(tài)，應稱為雙連拱隧道圍巖的五次應力狀態(tài)。
三、圍巖壓力計算分析
針對上面的幾種應力狀態(tài)，計算分析其圍巖受力情況：
�。ㄒ唬�、中導洞開挖最大開挖寬度B=6.34m，中導洞開挖可視為單洞開挖。
根據(jù)我國《隧規(guī)》中所推薦的計算圍巖豎向勻布松動壓力公式：q=0.45*2s-1*γw
式中：s——圍巖級別；
γ——圍巖容重，kN/m3；
ω——寬度影響系數(shù)，且ω=1+i（B-5）；
B——坑道的寬度，m；
i——以B=5m為基準，B每增減1m時的圍巖壓力增減率，當B<5m時，取i=0.2，B>5m時，取i=0.1
中導洞開挖高度H=6.15m，H/B=0.97<1.7
坍方平均高度hq=0.45*2s-1*w=0.45*16*1.134=8.2m
深、淺埋分界深度Hq=2.5*hq=20.5m
�、佟⑺栽陂_挖中導洞時K80+966～K81+129段按深埋計算其受力：
豎向勻布松動壓力（為簡化計算過程，統(tǒng)一按Ⅳ級圍巖考慮,圍巖天然容重γ=28kN/m3）：
q=0.45*2s-1*γw=0.45*8*28*1.134=114.3kPa
水平勻布松動壓力：e=(0.15～0.30)*114.3=17.1～34.3kPa
�、�、K80+928～K80+966、K81+129～K81+170按淺埋計算:圍巖豎向勻布松動壓力：q=γ*h；h為埋置深度，20m時q=560kPa;水平勻布松動壓力按朗金公式計算：e=(q+1/2γH)*tan2(45o-Ф/2)
式中：H—隧道洞身高度；
Ф—圍巖計算摩擦角；取50o
e=(560+86.1)*0.132=85.3kPa
�、�、當埋置深度大于hq、小于Hq時，由于兩側(cè)巖體對拱頂巖體施加了“挾持”力，所以圍巖豎向勻布松動壓力、水平勻布松動壓力要比②式中計算的要小，但從安全角度考慮，增加安全系數(shù)后仍可按②式計算。
（二）、在開挖右洞時，由于中隔墻施工不能保證與圍巖“緊頂”，從而開挖寬度實際上應該為：右洞開挖寬度+0.6+中導洞寬度/2=16.12m。計算方法仍按（一）中公式計算，只是對于中隔墻,則其應力變化很大,承受著很大的來自圍巖體變形產(chǎn)生的壓應力,其應力值在100～500MPa之間，因此中隔墻砼的質(zhì)量是控制的重點。接下來的右主洞下臺階開挖與上臺階相比,則應力分布幾乎沒有改變。只在原來右邊拱腳應力集中位置下移到新的拱腳位置。通過計算：H/B=9.3/16.12=0.6<1.7;只需要計算Ⅵ級圍巖的坍方平均高度就可以了：hq=0.45*2s-1*w=0.45*8*2.112=7.6m,；Hq=2.5*hq=19m,按20m考慮。考慮到K81+120～K81+140段坡度較陡，所以仍按K80+966～K81+129段按淺埋分析其受力，K80+928～K80+966、K81+129～K81+170段按深埋分析其受力。
�。ㄈ�、左主洞上臺階的開挖進一步改變了巖體應力的分布,整個分析區(qū)域的應力分布呈現(xiàn)出關于中隔墻中心線對稱的分布形態(tài),最大壓應力值也比上一工序大。上下臺階法開挖施工法中,對圍巖體應力場的變化起到較大作用的是右主洞和左主洞上臺階的開挖,下臺階的開挖不會造成應力場大的變化。相似的應力變化也存在于左洞靠近中隔墻的拱腰處。對其它點,則應力的變化比較平緩,沒有出現(xiàn)應力急劇增加的情況。這說明對雙連拱隧道,中隔墻墻頂?shù)膮^(qū)域內(nèi)是受力最不利的地方,在設計和施工時應該重點考慮。由于在開挖左洞時，右洞的初期支護已經(jīng)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，所以其開挖寬度要小于右洞，再進一步可推知其圍巖豎向勻布松動壓力、水平勻布松動壓力要比右洞開挖時要小。
四）、從單洞受力的角度講，支護結(jié)構(gòu)是不必要的，它只是用來防止圍巖風化、減少通風阻力，以及作為安全儲備以抵抗圍巖狀態(tài)惡化和特殊災害所造成的意外荷載。但從斑竹園雙連拱隧道整體講，圍巖不能保持穩(wěn)定，況且形成自然拱的巖體重量也大，因此，就必須設置支護結(jié)構(gòu)，從隧道內(nèi)部對圍巖施加約束，控制圍巖變形，改善圍巖的應力狀態(tài)。此時的支護結(jié)構(gòu)就是主要的承載單元。
四、結(jié)束語
綜上所述，由于雙連拱隧道施工過程中的五次圍巖應力重分布，圍巖的性質(zhì)較復雜，而且變化很多、人為的因素如開挖和支護方法，對圍巖性質(zhì)影響很大，事先無法估計。所以應以理論分析，經(jīng)驗判斷相結(jié)合，指導斑竹園雙連拱隧道的施工。作者水平有限，時間倉促,文中難免存在這樣或那樣的缺陷與不足,希望大家多多諒解。
參考文獻
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[4]科學出版社，《公路隧道圍巖穩(wěn)定與支護技術(shù)》，2007.
