超大跨度公路隧道V级洞口段围岩压力分布规律研究*

周国金，李九超，董永泽，张超超

(1.中交第三公路工程局有限公司，北京 101304； 2.中交第三公路工程局第四工程分公司，重庆 401120； 3.长安大学，陕西 西安 710054)

0 引言

本文以滨莱高速公路改扩建工程中的4车道公路隧道乐疃隧道为依托，通过进行现场实测、数值模拟和理论计算，对超大跨度隧道的围岩压力和荷载释放规律进行了相关研究，尤其是在分部开挖过程中支护结构和围岩共同承载，荷载逐步释放，为超大跨度公路隧道围岩压力的分析和类似工程的设计提供借鉴。

1 工程概况与监测方案

1.1 工程概况

乐疃隧道位于淄博市博山区樵岭前村东北侧800m处，隧道设计为分离式双洞8车道公路隧道，左线长2 010m，右线长1 995m，设计速度为100km/h，单洞最大开挖跨度为21.5m，最大开挖高度为14.3m，扁平率为0.665，属于超大跨度公路隧道。隧道围岩以中～强风化泥灰岩为主，围岩级别以Ⅳ，Ⅴ级居多，岩体较破碎，节理、裂隙发育。

乐疃隧道洞口概貌及V级围岩状况如图1所示。

图1 乐疃隧道

监测断面ZK105+947位于V级围岩洞口段，距离隧道出口33m，埋深18m，隧道采用复合式衬砌，衬砌类型为V级浅埋，初期支护采用φ25中空注浆锚杆长5m、环向间距1m，钢架为H200型钢、纵向间距0.6m，喷射混凝土采用0.3m厚C25，二次衬砌采用70cm厚模筑钢筋混凝土。该监测断面施工工法为上台阶CD法，如图2所示。

图2 上台阶CD法施工

上台阶CD法施工步骤为：①开挖先行导洞1部，每次开挖进尺2.25m，施作初期支护Ⅰ上部和临时支护Ⅱ；②待Ⅰ部超前Ⅱ部15～20m时，开挖后行导洞Ⅱ部，每次开挖进尺2.25m，施作初期支护III上部；③待Ⅱ部超前III部20～30m时，开挖左、右下导洞III部，左、右下导洞每次开挖进尺为3～4m，左、右下导洞错开开挖，并及时施作初期Ⅰ，III下部；④拆除临时支护Ⅱ，开挖IV部，施作初期支护仰拱IV和二次衬砌V下部，仰拱每次施作6～8m；⑤整体模筑二次衬砌V上部，二次衬砌每次施作9m。

1.2 围岩压力监测方案

在隧道的拱顶、两侧拱腰、两侧拱脚、两侧墙脚和仰拱等12个部位埋设钢弦式土压力盒，以了解围岩压力的量值及分布状态，判断围岩和支护结构稳定性。土压力盒测点布置和现场埋设如图3所示。

图3 围岩压力监测

2 围岩压力特征分析

2.1 基于现场实测的围岩压力释放规律分析

在监测断面ZK105+947埋设土压力盒对围岩压力进行监测，其围岩压力监测结果如图4所示。

图4 围岩压力监测结果

由图4a可知，该监测断面所受围岩压力分布不均，拱顶及仰拱所受围岩压力整体较大，围岩压力较大处位于拱顶(0号点)，最大压力值达0.196MPa。围岩压力稳定后，各点的压力值略有减小。由图4b可看出，围岩压力受施工工序的影响较大，隧道爆破开挖后对围岩有一定干扰使应力产生重分布，致使围岩压力出现急剧增长现象。其中，拱顶(0号点)处围岩压力在上台阶拆除临时支护后迅速增长。上台阶先导洞边墙开挖后，右墙脚(8号点)处围岩压力急剧增长，二次衬砌施作后，围岩压力趋于相对稳定。

隧道围岩压力整体经历了“释放-再次释放”的过程，取不同开挖时刻的围岩压力值与最终状态的稳定压力值进行对比，比值即为释放系数。统计监测断面ZK105+947围岩压力释放系数随时间的变化规律，如图5所示。

图5 围岩压力释放比

由图5可知，上台阶后导洞开挖后，拱部位置各点的围岩压力释放比达到0.3～0.6，边墙开挖后，墙脚处释放的围岩压力超过最终围岩压力值，说明边墙开挖后，围岩自承力减弱，支护结构作用显著。

2.2 超大跨度公路隧道围岩压力统计

统计现阶段超大跨度公路隧道围岩压力，如表1所示。

表1 超大跨度公路隧道围岩压力

由表1可知，超大跨度公路隧道最大开挖跨度多数>20m，竖向最大围岩压力为590kPa，平均竖向围岩压力为211.4kPa，水平最大围岩压力为610kPa，平均水平围岩压力为159.2kPa。

2.3 基于数值模拟的围岩压力计算

根据工程勘察报告和隧道设计资料，以乐疃隧道监测断面ZK105+947为对象，运用FLAC3D数值模拟软件建立三维计算模型，施工方法为上台阶CD法。根据圣维南原理，三维计算模型左、右边界取80m，下边界取80m，上边界参考监测断面的埋深取18m，模型纵向长度取40m。为了分析施工过程中的围岩压力，消除模型计算中边界效应的影响，数值模拟分析的目标面设置在模型的中间位置。

模型对工程实际进行简化：①将围岩视为连续、均匀、各向同性的介质，屈服采用Mohr-Coulomb准则；②不考虑构造应力，仅考虑灰岩、泥灰岩等自重；③拱部超前小导管注浆加固及系统锚杆采取提高黏聚力、内摩擦力形成围岩加固区来模拟；④锁脚锚管采用梁单元进行模拟，围岩、初期支护、临时支护、仰拱二次衬砌和仰拱回填均用实体单元模拟，其中初期支护钢架采用等效折算的方法折算到喷射混凝土中，与喷射混凝土共同承载。模型如图6所示，计算物理参数取值如表2所示。

图6 模型

表2 物理力学参数

监测断面在开挖过程中围岩应力变化规律应力云图如图7所示。

图7 监测断面开挖过程中围岩竖向应力云图

由图7可知，上台阶后导洞开挖完成后，由于掌子面临空，围岩应力释放，从隧道拱顶到拱腰处竖向应力都有不同程度的降低，拱脚部位有应力集中现象。在隧道仰拱开挖完成、初期支护闭合成环之后，在隧道边墙存在应力集中现象。

在开挖过程中围岩压力及释放比随施工步的变化规律分别如图8，9所示。

图8 围岩压力时态曲线

由图8可知，隧道竖向围岩压力随时间变化较明显，在断面开挖之前围岩压力随时间变化较小。上台阶后导洞开挖之后拱顶处围岩压力便迅速释放，随时间不断增大，最后趋于稳定值。水平围岩压力要小于竖向围岩压力，下台阶开挖之后，边墙处围岩压力快速释放，最后随着时间逐渐趋于稳定。分析其原因为上台阶开挖后立即施作初期支护，隧道上部土体围岩压力向下传递，使得边墙处围岩压力逐渐增加，下台阶开挖后迅速释放。

由图9可知，上台阶后导洞开挖后，竖向围岩压力释放比达到0.4～0.7，边墙开挖后，墙脚处释放的围岩压力达到0.8，并超过最终围岩压力值，说明边墙开挖后，围岩自承力减弱，支护结构作用显著。

图9 围岩压力释放比

3 不同围岩压力计算方法分析

3.1 围岩压力计算方法

现阶段公路隧道围岩压力常用的计算方法有JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》中公式、太沙基公式、普氏公式和比尔鲍曼公式等。

《公路隧道设计规范》中围岩压力计算方法是根据隧道埋深不同分别计算浅埋和深埋条件下的围岩压力，其物理概念相对明确，适用范围较广，具体公式为：

q=γ·hq

(1)

hq=0.45·2S-1ω

(2)

ω=1+i(B-5)

(3)

式中：γ为围岩重度；hq为荷载等效高度；S为围岩级别；ω为宽度影响系数；i为围岩压力增减率；B为隧道跨度。

太沙基公式综合考虑了隧道埋深H、隧道跨度B、隧道高度Ht、围岩内摩擦角φ和围岩黏聚力c等多种因素的影响，比较全面地反映了围岩物理力学参数和工程因素对围岩压力计算产生的影响。

太沙基理论计算公式为：

(4)

a1=a+Httan(45°-φ/2)

(5)

ei=(q+γl)tan2(45°-φ/2)

(6)

式中：K为水平和垂直应力的比值，一般取1.0；n为相对埋深系数，n=H/a1；a1为洞顶塌落宽度的一半；Ht为隧道开挖高度；a为断面半宽；ei为水平侧压力。

普氏理论计算公式为：

P=γh1

(7)

(8)

ei=r(h1+l)tan2(45°-φ/2)

(9)

式中：a为断面半宽；h为断面高度；h1为自然拱高度；l为隧道侧壁任意点至隧道拱顶的垂直距离；f为岩石坚固性系数。

比尔鲍曼公式为：

(10)

ei=(P+γl)tan2(45°-φ/2)

(11)

k1=tanφtan2(45°-φ/2)

(12)

k2=tanφtan(45°-φ/2)

(13)

式中：H为隧道埋深；a1为拱脚至塌落体外缘宽度。

3.2 围岩压力计算方法适用性

为进一步研究不同理论计算公式对超大跨度公路隧道围岩压力计算的适用性，对常用的隧道围岩压力理论计算方法影响因素进行统计，具体如表3所示。

表3 围岩压力计算方法特征比较

由表3可知，《公路隧道设计规范》是根据理论解析和经验公式按隧道埋深不同分别计算浅埋和深埋条件下的围岩压力，其物理概念相对明确，适用范围较广；太沙基公式和比尔鲍曼公式综合考虑了隧道埋深H、隧道跨度B、隧道高度L、围岩内摩擦角φ和围岩黏聚力c等多种因素的影响，较全面地反映了围岩物理力学参数和工程因素对围岩压力计算产生的影响；普氏公式要求围岩开挖后在拱顶能形成一个自然平衡拱，因此适用于有一定自承力的深埋隧道。

3.3 埋深对围岩压力的影响

采用上述4种理论公式分析超大跨度公路隧道中埋深、跨度对围岩压力的影响，参考依托工程Ⅴ级围岩的计算参数，具体为：重度γ为19.0kN/m3，黏聚力c为130kPa，内摩擦角φ为24°，隧道跨度B为21m，隧道高度L为14.3m，荷载等效高度hq为18.7m，隧道深浅埋分界值Hp为46.8m。围岩压力与埋深关系曲线如图10所示。

图10 围岩压力与隧道埋深关系曲线

由图10可知，采用比尔鲍曼公式计算得到的围岩压力值最大；对于《公路隧道设计规范》中的公式而言，其整个曲线存在一个临界值，当埋深小于此临界值时，用的是全土柱公式；当埋深大于此临界值时，用的是谢家烋公式对围岩压力进行计算；当埋深达到一定程度，围岩压力值发生突变并逐渐趋于稳定，这证明围岩本身具有一定的承载力；太沙基公式计算得到的围岩压力值随着埋深的增大而增大，呈抛物线趋势且与实测值最为接近；普氏公式由于未考虑隧道埋深对围岩压力值的影响，所以得到的计算压力值不随埋深的变化而变化。

3.4 跨度对围岩压力的影响

采用上述4种理论公式分析隧道跨度对围岩压力的影响，如图11所示。

图11 围岩压力与隧道跨度关系曲线

由图11可知，当隧道跨度为21.5m时，实测值比理论公式值偏低，且与普氏公式较接近，原因是普氏公式未考虑隧道埋深对围岩应力的影响，而考虑了自然拱高度及岩石坚固系数；比尔鲍曼公式计算得到的围岩压力值要远大于其他公式计算得到的围岩压力值，4种理论公式计算得到的围岩压力值随跨度增大都呈现线性增大趋势。

4 结语

本文依托滨莱高速公路改扩建工程乐疃隧道进行了现场围岩压力实测，并与模拟值和理论计算值进行对比分析，主要得到以下结论。

1)《公路隧道设计规范》中的公式物理概念相对明确，适用范围较广；太沙基公式和比尔鲍曼公式综合考虑隧道埋深、隧道跨度等多种因素的影响，但物理参数较多，不利于现场测定和推广；普氏公式认为围岩开挖后在拱顶能形成一个自然平衡拱，适用于具有一定自承力的深埋隧道。

2)监测断面各测点围岩压力不均，拱顶和仰拱处的围岩压力较大；随着隧道开挖，围岩压力经历2次释放，在上台阶后导洞开挖后，围岩压力释放比>0.4，下台阶边墙开挖完毕后，围岩压力释放比>0.8。

3)4种围岩压力计算方法得到的围岩压力随埋深变化较大，由于《公路隧道设计规范》采用2种方法将围岩压力分为浅埋和深埋，因此存在一个临界压力；围岩压力值随着开挖跨度的增大呈线性增大趋势。