隧道洞口大管棚设计长度探讨

王 屹, 向 龙

(1. 四川兴蜀公路建设发展有限责任公司, 四川成都 610041； 2. 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院, 四川成都 610041)

近年来，随着高速公路的建设及高速铁路的飞速发展和工程设计技术的进步，道路裁弯取直，使得隧道工程在道路工程中的比例越来越大。隧道洞口一般均为覆盖层加浅埋段，建设中极易出现塌方和冒顶等事故。目前主要设计原则为早进晚出以及大管棚进洞施工技术确保隧道洞口施工安全。本文结合隧道洞口受力分析和浅埋段划分，研讨大管棚设计长度，具有一定借鉴意义。

1 隧道浅埋段划分

在TB 10003-2005《铁路隧道设计规范》及JTG D70-2004《公路隧道设计隧规》[1-2]附录E与6.2.3条的相关公式计算深浅埋隧道分界深度：

Hp=(2～2.5)hq

(1)

hq=0.45×2S-1×ω

(2)

式中：Hp为深浅埋隧道分界深度(m)；

hq为荷载等效高度(m)；

S为围岩级别；

ω为隧道宽度影响系数，按下式计算；

ω=1+i(B-5)

(3)

B为隧道宽度(m)；

i为B每增减1 m时的围岩压力增减率，B>5m时取i=0.1。

IV、V级围岩取Hp=2.5hq，小于此深浅埋隧道分界深度，应按浅埋隧道计算荷载(表1)。

表1 围岩级别对应荷载等效高度

2 隧道浅埋段围岩压力

JTG D70-2004《公路隧道设计规范》中附录E浅埋荷载荷载计算方法中对埋深大于hq，小于Hq段落计算方法(图1)。

图1 规范中浅埋隧道围岩压力

由图1可见隧道上覆岩体EFHG的重力为W，两侧三棱岩体FDB或ECA的重力为Wl，未扰动岩体整个滑动上体的阻力为F，当EFHG下沉，两侧受到阻力T或T’，作用于HG面上的垂直压力总值Q为：

Q=W-2T′=W-2Tsinθ

(4)

进而推导出：

(5)

3 大管棚设计长度

管棚主要作用机理为[3]:

(1)梁拱效应：先行施设的管棚，以开挖面和后方支撑为支点，形成一个梁式结构，二者构成环绕隧洞轮廓的壳状结构，可有效抑制围岩松动和垮塌；

(2)加固效应：注浆液经管壁孔压入围岩裂隙中，使松散岩体胶结固结，从而改善了软弱围岩的物理力学性质，增强了围岩的自承能力，达到加固钢管周边软弱围岩的目的；

(3)环槽效应：开挖面爆破产生的爆炸冲击波传播和爆炸气体扩展遇管棚密集环形孔槽后，或被反射、吸收、绕射，大大降低了反向拉伸波所造成的围岩破坏程度及扰动范围；

(4)确保施工安全：管棚支护刚度较大，施工时如发生塌方，塌碴也是落在管棚上部岩坡上，起到缓冲作用，即使管棚失稳，其破坏也较缓慢。

笔者认为大管棚在洞口浅埋段主要作用为对上覆土压力进行承担(梁拱效应)，因此大管棚的长度主要取决于隧道浅埋段的长度，而浅埋段的划分与围岩级别和隧道开挖宽度等直接相关(图2)。

图2 大管棚加固范围示意区

因此大管棚洞口段长度推导公式如下：

L=Hp/tan(β)+5

(6)

L=(2～2.5)0.45×2S-1×ω/tan(β)+5

(7)

式中：L为大管棚设计长度(m)，5为富余量；

β为为洞口地形边坡角度；

其余公式同上。

根据围岩级别及常规公路隧道开挖宽度，浅埋段及大管棚设计长度见表2[4]。

从表2中可见以上浅埋段深度划分和大管棚设计长度基本一致，例如在公路双车道隧道Ⅴ级围岩洞口段浅埋段为30～35 m，设计中浅埋段大管棚设计长度一般为30 m，地质较差地段取40 m(按洞口坡度45°计)，符合工程实际情况。

表2 典型单洞公路隧道的大管棚(深浅埋)长度建议值 m

注：洞口坡度按45°计。

4 结论

(1)大管棚主要作用是防止洞口浅埋段发生塌方和冒顶等事故，梁拱效应，注浆主要是对周边地层有加固作用，因此大管棚设计长度应在洞口浅埋段影响范围外。

(2)从以上笔者推导公式可见：大管棚长度与隧道洞口开挖宽度成正比，围岩级别(地质)越差大管棚长度越长，地形越平缓大管棚长度越长。

(3)同时大管棚在开挖进尺较小，二衬紧跟时，大管棚考虑开挖三维效应，可适当减短大管棚长度，式(7)中系数可取小值。

(4)一般隧道洞口段大管棚的长度可近似按隧道浅埋深度保持一致(表2)。

(5)以上大管棚长度基本符合设计实际，对以后类似研究具有一定的指导和借鉴意义。