白垩系全风化红砂岩深埋隧道初期支护受力特性与荷载模式

夏 勇

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300251）

蒙华铁路是目前国内一次建成的最长重载货运铁路，阳城隧道作为蒙华铁路控制性工程之一，地质条件复杂，穿越大量红砂岩地层，其遇水易崩解软化、水稳性极差，因此支护、降水措施稍不到位，极易出现诸如衬砌开裂、初期支护大变形等问题。

围岩压力与初期支护受力特性已有部分学者研究。文献［1-3］总结归纳了现行主流围岩压力计算方法，并给出了相应的适用范围；文献［4-7］针对不同地质情况，通过现场监测得到隧道围岩压力与初期支护的力学特性；文献［8-10］通过监控量测、数值模拟等手段对不同地质情况下隧道围岩与支护结构相互作用机制进行了研究。但以往文献针对隧道穿越局部富水红砂岩地层的研究较少，因此本文以蒙华铁路阳城隧道现场试验段为研究对象，基于现场监测数据，将实测值与目前主流的3种不同围岩压力计算公式所得计算值进行对比，探讨适用于红砂岩深埋隧道围岩压力的计算公式与分布模式。

1 工程概况

阳城隧道位于陕西省榆林市靖边县龙洲乡双城村附近，隧道全长7 108.25 m，最大埋深207 m。隧址区地形复杂，V 字形冲沟发育，呈树枝状分布，沟壑纵横，沿线主要穿越白垩系全风化红砂岩和第四系砂土互层。选取DK245+301—DK245+331 段为现场试验段。试验段总长30 m，局部富水。埋深约120 m，洞身净跨度11.6 m，净高11.5 m。

2 现场试验结果分析

考虑到全风化红砂岩在不同含水率下性质差异较大，试验段共布设6个监测断面，每个监测断面设12个测点，每个测点布设压力盒、钢筋计等。各监测断面围岩压力分布见图1。

图1 各监测断面围岩压力分布（单位：kPa）

由图1 可知：①红砂岩的含水率对围岩压力影响较大，富水区域围岩压力大。监测断面DK245+301 与DK245+313 由于全风化红砂岩地层上部富水，岩性较差，围岩无自稳能力，因此拱顶处围岩压力较大；监测断面DK245+319—DK245+331 段由于隧道右侧富水，导致两侧围岩压力不对称，左拱肩、左拱腰以及右拱脚处围岩压力较大，出现明显偏压现象。②各监测断面拱腰（70°～90°）处围岩压力相对较小。可能是采用超前深孔真空降水时中台阶处出现明显溜砂现象，导致中台阶处围岩不密实或部分脱空。

3 围岩压力计算方法

3.1 计算参数的确定

为全面研究围岩的工程特性，在阳城隧道试验段6 个监测断面分别取土进行了颗粒密度试验、固结试验和直剪试验。所得物理力学参数见表1。

表1 全风化红砂岩物理力学参数

3.2 计算方法的确定

深埋隧道围岩压力计算主要依据普氏理论、太沙基理论、TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》中推荐方法以及卡柯公式。由于采用卡柯公式计算时要用到塑性松动压力，而塑性圈半径难以测得，不确定性较大，因而不予考虑。

将表1 中数据以及断面设计参数代入3 种理论围岩压力计算公式，得到理论计算值。先将实测围岩压力最大值分解为竖向围岩压力和水平围岩压力，然后将其与理论计算值进行对比，见表2。可知：采用TB 10003—2016 推荐的计算方法所得的竖向围岩压力与实测最大值偏差太大；普氏理论、太沙基理论的计算值与实测最大值偏差幅度接近，但综合竖向与水平围岩压力来看，太沙基理论更为接近。因此，依据太沙基理论计算全风化红砂岩深埋隧道围岩压力。

表2 围岩压力理论值与实测最大值对比

4 围岩压力分布规律

4.1 竖向围岩压力分布

取6个监测断面各测点实测竖向围岩压力的平均值，并以拱顶处竖向围岩压力平均值作为基准值，计算得出竖向围岩压力在不同测点的分布比例（某点位竖向围岩压力平均值/拱顶竖向围岩压力平均值），见表3。

表3 各测点竖向围岩压力平均值及分布比例

由表3可知：隧道拱顶至左右30°范围内竖向围岩压力平均值较大，到拱肩时竖向围岩压力达到最大值，此后逐渐减小，左右80°处竖向围岩压力平均值较小，分布比例趋近于0。

依据表3中分布比例，考虑安全余量，得到深埋全风化红砂岩隧道竖向围岩压力分布见图2。该图式对称于隧道中心线，拱顶处竖向围岩压力为依据太沙基理论计算得到的竖向围岩压力q，左右30°处取1.2q ～1.4q，左右60°～ 90°取0.4q ～0.6q，呈山峰状。

图2 深埋全风化红砂岩隧道竖向围岩压力分布

4.2 水平围岩压力分布

取6个监测断面各测点实测水平围岩压力的平均值，并以左右30°处水平围岩压力平均值作为基准值，计算得出水平围岩压力在不同测点的分布比例（某点位水平围岩压力平均值/左右30°处水平围岩压力平均值），见表4。

表4 各测点水平围岩压力均值及分布比例

由表4可知：隧道水平围岩压力呈上小下大趋势，隧道左右30° ～110°水平围岩压力分布较为均匀，从左右110°～135°水平围岩压力逐渐增大。

依据表4中分布比例，考虑安全余量，得到深埋全风化红砂岩隧道水平围岩压力分布见图3。以依据太沙基理论计算得到的水平围岩压力e为基准，拱顶至左右 110°水平围岩压力取 1.0e～1.2e，左右 110°～135°呈线性递增，左右135°至仰拱水平围岩压力取1.5e～1.8e。

图3 深埋全风化红砂岩隧道水平围岩压力分布

5 初期支护结构内力验算

现行铁路隧道初期支护结构强度计算一般采用TB 10003—2016 中推荐的计算方法。通过ANSYS 软件，建立荷载-结构模型，围岩压力分别采用本文给出的深埋全风化红砂岩隧道计算方法与规范推荐的方法进行计算。

初期支护设计参数：弹性模量31.55 GPa，泊松比0.2，重度25 kN/m3。

初期支护内力计算结果见图4。可知：2种计算方法所得到的初期支护内力分布基本一致，但本文给出的计算方法所得内力较规范推荐方法所得内力大，弯矩最大值出现在左右60°、左右135°，是初期支护的薄弱点。这与现场实际情况相吻合。

图4 初期支护内力计算结果

2 种计算方法所得的隧道初期支护安全系数对比见表5。可知：2种方法所得的安全系数最大值均出现在左右两侧30°（拱肩），而拱顶、拱腰（左右60°）、拱脚（左右135°）、仰拱的安全系数都较小；本文给出的计算方法所得安全系数较规范推荐计算方法小。此时安全系数若能满足要求，则规范推荐计算方法必定也能满足要求。考虑到红砂岩地层物理性质较差，属于Ⅵ级围岩。因此，从偏保守考虑，建议初期支护采用本文推荐的计算方法进行设计。

表5 安全系数对比

6 结论

1）含水率对深埋全风化红砂岩隧道围岩压力影响显著。在局部富水或真空降水不完全区域围岩压力较大，使得围岩压力分布不均匀，最大值出现位置不确定。

2）深埋全风化红砂岩隧道围岩压力计算推荐采用太沙基理论计算公式。依据实测数据给出了深埋全风化红砂岩隧道围岩压力分布计算方法。竖向围岩压力呈中间小、两头大分布，两头峰值压力1.2q～1.4q。水平围岩压力呈上部小、下部大分布，左右110°以上部位取1.0e～1.2e，左右135°至仰拱取1.5e～1.8e。

3）本文给出的深埋全风化红砂岩隧道围岩压力计算方法相比规范推荐的计算方法所得的初期支护安全系数更小。考虑到红砂岩地层的物理性质较差，建议采用本文给出的计算方法设计。