多线铁路大跨度隧道围岩压力研究

卿伟宸，高 杨，仇文革，章慧健

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031；2.西南交通大学，成都 610031)

1 概述

我国铁路建设事业经过一个多世纪的发展，单、双线铁路隧道设计与施工技术已非常成熟。近年来，我国铁路建设特别是高铁建设进入新时代。在西部山区，地形、地质条件复杂，而对高速铁路，一方面由于环保要求高，另一方面由于曲线半径大，导致西南山区铁路桥隧比重大，高达70%以上，个别铁路(如成都至九寨沟铁路)桥隧比高达90%以上。部分铁路(诸如大理至瑞丽铁路、成都至九寨沟铁路)沿线部分地段设站条件困难，导致车站伸入隧道内，由于之前国内外无修建四线车站隧道的成功先例，传统车站设计一般采用Y字形“2+2”、分修式“2+2”、纵列式“3+3”等型式，以控制隧道跨度不超过三线，但上述方案恶化了车站功能，不利于运营管理。显然，随着高速铁路在西部山区的高速发展，传统的大跨度三线隧道已不能满足山区选线及设站的需要，四线车站隧道将不可避免越来越多。

在目前铁路隧道设计行业中，荷载—结构法仍然是隧道衬砌结构设计的主要计算方法[1-2]。因此，围岩压力的确定是进行隧道结构设计的关键[3]。铁路浅埋隧道围岩压力计算公式于1964年提出[4]。铁路深埋隧道围岩压力计算公式是通过大量施工坍方事件的统计基础上建立起来的统计经验公式[5]，在一定程度上能反映围岩压力的真实情况，对于传统单、双线铁路隧道(跨度7～14 m)的结构设计起到了非常重要的作用。但对跨度超过20 m及以上的隧道是否适用存在一些问题[6]。

(1)《铁路隧道设计规范》[10]关于隧道垂直压力计算高度是基于单线铁路隧道的施工坍方调查统计资料整理归纳得到。其统计样本的隧道跨度大多在5～10 m[7-9]，显然对指导大跨度隧道围岩荷载计算就显得有些不足了。

(2)调查统计的隧道样本仅1 025个[8]，数量非常有限。

(3)调查统计的隧道样本断面多为单线铁路隧道的马蹄形断面[7-9]，且形状呈瘦高形；而近年来多数大跨度隧道衬砌开挖轮廓较为圆顺，轨上净空多为近圆形，其开挖后的围岩应力场及塑性区演变均与传统瘦高的马蹄形断面有较大差异。

(4)由于隧道修建技术的不断发展，在如今的隧道施工中，一方面，由于支护结构材料等级及强度不断提高；另一方面，在软弱围岩地段，多采用强支护，如型钢钢架联合强锁脚及临时横撑甚至临时仰拱，一旦支护，能及时发挥支护的强度，同时能充分发挥围岩的自承载能力。导致实际上坍落拱的形成可能比传统铁路隧道坍方高度要小得多。因此，按现行铁路隧道设计规范[10]计算的围岩垂直压力显得就过于保守了。

因此，对于越来越多的大跨度三线、特别是四线甚至更大跨度的铁路隧道，荷载计算已经完全超出《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)[10]围岩荷载计算范畴。显然，提出一种合理的适合于大跨度隧道的荷载及围岩压力计算方法已是亟待解决的课题。本文依托乌蒙山二号出口四线铁路车站隧道，提出考虑围岩变形全过程的“统一围岩压力曲线”，并基于此，提出了大跨度隧道围岩压力的一种研究思路。

2 统一围岩压力曲线的提出

新奥法强调围岩自承力，且实际施工过程中不允许出现塌方，荷载就不应该采用塌方荷载。对于地下工程只要不发展到塌方，围岩压力会大大减小。也就是说，一方面在隧道施工中肯定不希望出现塌方；另一方面只要施工不发生塌方，支护就不需要承担塌方荷载。

当然有人会提出，隧道为百年工程，虽然在隧道建成初期，支护确实可能不会承担多大荷载，但不能保证将来有一天荷载增大到最不利的塌方荷载。而在工程设计中一般都是按最不利荷载考虑，以保证安全。对于这一点，根据围岩特征曲线可知，围岩压力的发展必然伴随位移变化，位移被限制住了，围岩压力的增加是有限的；退一步讲，在二衬施作后，围岩压力长期发展，直至达到塌方荷载，而该过程中位移的发展必然引起二衬开裂破坏，这样就可以通过后期监测预知险情，及时加固。

根据理论分析，将传统的围岩特征曲线[11]进行延伸，如图1所示，即将传统围岩特征曲线接续现行铁路隧道设计规范的塌方荷载。从物理意义上来说，该曲线包括了形变应力到松弛应力的转变；包括了连续介质力学和非连续介质力学的有机结合；包括了弹塑性支护理论、塌落拱理论。阶段不同，支护对象不同，支护荷载差别很大。因此，本研究将此曲线暂定义为“统一围岩压力曲线”。

图1 统一围岩压力曲线

从统一围岩压力曲线来看：对于浅埋隧道，塌方荷载与初始地应力是相同的；对于深埋隧道，塌方荷载为塌落拱内岩土体的自重，比初始地应力小。从围岩特征曲线和支护特性曲线关系可以看出(从横坐标变形参数)，在隧道开挖后一定时间范围内支护并达到平衡，只要不发生塌方，衬砌结构承载的围岩荷载都小于塌方荷载。从大量以往监测资料及本隧的围岩压力监测情况来看，实测围岩压力也远小于根据现行铁路隧道规范计算的塌方荷载。

由于不同工程的围岩力学特性、岩层产状和构造不同，支护形式和材料的不同，以及施工工法工序引起的支护时机的不同，导致围岩压力有较大的差异；即使同一工程相同围岩地段，由于支护时机的不同，围岩压力也有一定的差异性。

因此，根据上述分析，即使同一隧道的同一围岩级别的围岩压力也并非一个定值能概括。因此，提出围岩压力的建议区间，如图2所示。对于建议区间的上下限尚需大量工程的现场测试总结分析。

图2 设计荷载建议区间

3 工程概况及现场测试

3.1 工程概况

六(盘水)沾(益)铁路，设计时速160 km，通行双层集装箱。乌蒙山2号隧道，位于贵州省境内，单洞双线，为该线最长隧道，全长12 260 m，最大埋深400余m。受地形条件限制，且根据运能需求，扒挪块车站伸入该隧道出口端形成长610 m的四线车站隧道。最大开挖宽度达28.42 m，最大开挖面积为354.30 m2，是目前世界最大跨度的单跨交通隧道。

乌蒙山2号隧道出口四线车站隧道主要通过泥岩、页岩、页岩夹砂岩、泥灰岩夹灰岩、灰岩等地层。其中：DK287+740～+870段穿越灰岩、泥质灰岩夹泥灰岩地层；DK287+870～+925段穿越泥灰岩夹灰岩、页岩地层；DK287+925～DK288+350段穿越泥岩、页岩夹砂岩地层，岩质软硬不均，岩体较破碎。

3.2 围岩压力现场监测分析

监控量测是铁路隧道工程设计、施工过程中的一个重要环节，是反映隧道结构安全性的最直接方式[12]，是实现动态施工的基础[13]。隧道监控量测对象主要是围岩、衬砌、锚杆及钢架等[14]，根据相关规范[15]对该隧道开展了监控量测。为研究本隧围岩压力，施工期间，分别选取DK288+220及DK287+900两个断面(开挖跨度约25 m)对围岩与初期支护间压力开展监控量测。各监测断面中，围岩压力测点布设以隧道中线对称布置，如图3所示，其中 “Y1～Y10”表示10个压力测点。DK288+220及DK287+900断面各测点围岩与初支间压力时程曲线如图4。最终稳定后围岩与初支间压力分布整理如图5所示。

图3 围岩与初期支护间压力测点布置

图4 围岩与初支间压力时程曲线

图5 围岩与初期支护间压力分布(单位：kPa)

从图4及图5中可以看出：

(1)DK288+220断面的围岩与初期支护间接触压力最大值为245.8 kPa， DK287+900断面的围岩与初期支护间接触压力最大值为237 kPa，均出现在拱顶；

(2)围岩与初期支护间接触压力沿洞周分布不均匀，拱顶最大，从上往下呈减小趋势，在边墙部位又有所增加；

(3)由于围岩变形的时空影响，围岩与初期支护间接触压力始终呈现增加趋势，二衬封闭后趋于稳定。

4 围岩压力确定及荷载模式建立

对于本工程，作为一个工程案例，通过现场围岩与初期支护间压力监测，总结围岩压力和荷载模式如图6所示。这里假定围岩压力模式(包络图)为现行铁路隧道设计规范采用的深埋隧道荷载模式：竖向均布，水平荷载简化为矩形分布。荷载包络图取竖向围岩压力q=250 kPa，水平围岩压力e=160 kPa。

图6 实测围岩压力包络图(单位：kPa)

结合提出的统一围岩压力曲线，根据现行铁路隧道设计规范，计算得到塌方荷载γha=25×21.6=540 kPa，结合DK287+900及DK288+220两个断面的围岩压力监测，拱部最大围岩压力分别237 kPa及245.8 kPa，均不大于250 kPa，约为塌方荷载的46%，如图7所示。因此，为简化分析，这里将围岩压力计算公式建议为:q=Kγha

式中，K为折减系数，本工程K约0.46，可取0.5；γha为塌方荷载。

图7 实测围岩压力与塌方荷载的关系

5 结论

本文提出考虑围岩变形全过程的“统一围岩压力曲线”，并结合乌蒙山2号四线车站隧道实际工程，根据现场围岩压力测试，提出了大跨度隧道围岩压力确定方法及研究思路。

(1)为体现过程相关性，提出考虑围岩变形全过程的“统一围岩压力曲线”，为结构设计提供一种方法。该曲线包括了形变应力到松弛应力的转变，包括了弹塑性支护理论和塌落拱理论。阶段不同，支护对象不同，支护荷载差别很大。根据以往监测围岩压力小于计算的塌方荷载，即使同一个工程，围岩压力也有较大差异性的特点，提出围岩压力并非一个定值所能概括，应按图2的设计荷载区间取值。

(2)结合统一围岩压力曲线，为简化分析，竖向围岩压力计算公式建议为：q=Kγha。本工程中，K约为0.5。

(3)本工程仅提供一个案例参考，重在提出今后围岩压力的一种研究思路，此思路的完善尚需今后大量工程的测试数据，得到不同跨度不同围岩级别的K值范围。对大型工程、重要工程必须通过现场围岩压力量测及信息化设计、施工，简单的照抄照搬当前的荷载及围岩压力计算方法，只会加大隧道的设计难度，使得隧道的合理化设计难于实现，结构形式不合理，最终导致工程造价的提高或者经济上的浪费。

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