圍巖壓力在公路隧道工程施工方法探討

王朝國(guó)

(貴州省公路工程集團(tuán)有限責(zé)任公司)

1 圍巖壓力分類

1.1 松動(dòng)壓力

當(dāng)公路隧道工程施工時(shí)，開挖是必要的施工步驟。但是工程在開挖時(shí)，會(huì)致使周圍巖體出現(xiàn)松動(dòng)或者坍塌，這些巖體最終會(huì)以重力形式作用在公路的支護(hù)結(jié)構(gòu)上。這種作用在公路支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力就被稱為松動(dòng)壓力。造成這種壓力的直接原因有三種:(1)由整體穩(wěn)定巖體中個(gè)別松動(dòng)巖石產(chǎn)生;(2)在一些巖體較為松散軟弱的結(jié)構(gòu)中，會(huì)出現(xiàn)冒落的巖石給坑道的頂部以及兩側(cè)造成壓力;(3)一些裂隙巖體中，巖體會(huì)由于各種原因產(chǎn)生部分塌落，從而給隧道帶來松動(dòng)壓力。從眾多的工程實(shí)例對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)松動(dòng)壓力受到多種因素的影響，主要有工程的實(shí)際開挖方法、圍巖巖體情況、支護(hù)、洞形形式等。

1.2 形變壓力

在公路隧道中，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互接觸極為密切，相互間作用也較為明顯。因此，當(dāng)圍巖發(fā)生變形時(shí)，會(huì)受到支護(hù)的結(jié)構(gòu)抑制，從而將變形力作用到支護(hù)之上，造成了共同變形的現(xiàn)象。于是，就將圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力成為形變壓力。

1.3 膨脹壓力

巖體在一定條件下會(huì)具備吸水膨脹導(dǎo)致崩解的特點(diǎn)，所以當(dāng)圍巖發(fā)揮這一特質(zhì)的時(shí)候，所引起的壓力通常被稱之為膨脹壓力。形變壓力與膨脹壓力最根本的不同時(shí)，膨脹壓力所形成的主要原因是膨脹。

1.4 沖擊壓力

圍巖中有著大量的彈性變形，當(dāng)這些變形積聚到一定的能量的時(shí)候就形成了沖擊壓力，而在進(jìn)行開挖隧道的時(shí)候，由于圍巖的壓力束縛被解除了，所以會(huì)釋放出很多壓力。

2 圍巖松動(dòng)壓力的形成和確定方法

2.1 圍巖松動(dòng)壓力的形成

深埋坑道開挖后圍巖由變形到坍塌成拱的整個(gè)變形過程，稱為圍巖的成拱作用。在成拱過程中形成的相對(duì)穩(wěn)定的拱形坍腔結(jié)構(gòu)，成為自然拱或坍落拱。而坍腔內(nèi)坍落的巖土形成松動(dòng)壓力的荷載來源。

除了自然拱與圍巖的接觸狀態(tài)、支護(hù)結(jié)構(gòu)架設(shè)時(shí)間、剛度以及圍巖地質(zhì)條件等因素的影響，自然拱的范圍大小還受到其他因素的影響，比如施工因素、隧道的埋深以及隧道的尺寸和形狀。

2.2 圍巖松動(dòng)壓力的形成

隧道開挖后，在圍巖應(yīng)力重分布過程中，頂板開始沉陷，并出現(xiàn)拉斷裂紋，可視為變形階段;頂板的裂紋繼續(xù)發(fā)展并且張開，由于結(jié)構(gòu)面切割等原因，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗蓜?dòng)，可視為松動(dòng)階段;頂板巖體視其強(qiáng)度的不同而逐步坍塌，可視為坍塌階段。

2.3 深埋隧道圍巖壓力的確定(工程類比法)

圍巖豎向勻布?jí)毫按下式計(jì)算

式中:S為圍巖級(jí)別，S=4～6;γ為圍巖容重，(kN/m3)。

式中:ω為寬度影響系數(shù);B為隧道寬度，m;i為以B=5m為基準(zhǔn)，B每增減1m時(shí)的圍巖壓力增減率。

當(dāng)B＜5m，取i=0.2;當(dāng)B＞5m，取i=0.1。

適用條件:H/B＜1.7

式中:H為隧道高度;深埋隧道，IV—VI級(jí)圍巖。

2.4 形變圍巖壓力的確定

地下洞室開挖后，圍巖在沒有松動(dòng)塌落之前的變形階段，是受到支護(hù)結(jié)構(gòu)的限制的，這樣也確保了圍巖的穩(wěn)定性能。在這一階段，圍巖也將一定的壓力傳遞給了支護(hù)結(jié)構(gòu)。這種壓力就是“形變壓力”。

破碎、軟弱圍巖的流變性和塑形比較強(qiáng)，開挖之后，洞室圍巖會(huì)在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)存在形變。所以，支護(hù)與圍巖間的形變壓力隨著時(shí)間的推移而不斷地發(fā)展變化，這種現(xiàn)象也就是“時(shí)間效應(yīng)”。

就目前而言，業(yè)內(nèi)還沒有成熟的形變壓力的計(jì)算方法。形變壓力的計(jì)算指導(dǎo)思想是支護(hù)和圍巖的共同作用機(jī)理，具體的計(jì)算公式為塔羅勃、芬納等人創(chuàng)設(shè)的彈塑性平衡理論公式。如果形變壓力的變化由洞壁的位移ur控制，則計(jì)算公式如下:

構(gòu)成全球定位系統(tǒng)的衛(wèi)星原本用在軍事領(lǐng)域。當(dāng)它們環(huán)繞地球飛行時(shí)，會(huì)發(fā)送它們的時(shí)間和位置，蘭德在報(bào)告中稱它們?yōu)椤疤諘r(shí)鐘”。GPS設(shè)備的信號(hào)至少來自4顆衛(wèi)星，因此在地球的任何地方都可以精確地定位設(shè)備所在的位置。

式中:σ0為巖體中天然應(yīng)力;φ為巖石的內(nèi)摩擦角;C為巖石的內(nèi)聚力;R0為圓形洞室半徑;UR0為洞壁的徑向位移;G為巖石的剪切模量。

3 圍巖壓力的實(shí)測(cè)方法

3.1 直接量測(cè)法

簡(jiǎn)單來講，直接量測(cè)法就是通過壓力盒來獲得圍巖與支護(hù)或襯砌結(jié)構(gòu)之間壓力的方法。該方法的操作中點(diǎn)是，必須要使圍巖與支護(hù)或襯砌結(jié)構(gòu)之間能夠緊密接觸，這樣就能夠確保圍巖壓力能夠完全傳遞到壓力盒上，從而保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性。目前廣泛使用的壓力盒種類有很多，主要包括電容式壓力盒、電阻式壓力盒、振弦式壓力盒以及電壓式壓力盒等。

最普通最常用的壓力盒是振弦式壓力盒。該壓力盒的工作原理是，當(dāng)有力作用在壓力盒上時(shí)，機(jī)械作用下鋼弦會(huì)被拉緊，且鋼弦的振動(dòng)頻率與鋼弦拉緊程度呈正相關(guān)。壓力盒感應(yīng)線圈獲得由接受器輸入的脈沖電流，從而使得線圈產(chǎn)生磁通，使得鐵芯對(duì)鋼弦產(chǎn)生瞬時(shí)吸力。而在電流斷開的時(shí)候，吸力隨之消失，彈起鋼弦，使得鋼弦出現(xiàn)振動(dòng)。由于作用壓力不斷地變化，鋼弦振動(dòng)頻率也在不停地變化，感應(yīng)線圈中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻率與鋼弦自振頻率一致的時(shí)候，導(dǎo)線就能夠?qū)⒏袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率輸送到接受器，這樣一來，鋼弦振動(dòng)頻率就能夠被量測(cè)出來。最后，通過壓力盒上標(biāo)定額曲線就能夠查出壓力盒上所受的圍巖壓力。

3.2 間接量測(cè)法

間接量測(cè)法指的是借助對(duì)支護(hù)、襯砌或者是圍巖應(yīng)變或應(yīng)力的量測(cè)來獲得圍巖壓力的方法。最常見的間接量測(cè)的方法就是量測(cè)圍巖變形法，該方法不僅能夠準(zhǔn)確反映圍巖壓力，而且能夠確定圍巖松弛的范圍以及對(duì)圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.2.1 襯砌(支護(hù))和圍巖的應(yīng)力或應(yīng)變量測(cè)

(1)應(yīng)力解除法。該法是將應(yīng)變計(jì)、應(yīng)變片等貼在已經(jīng)承載的支護(hù)或襯砌結(jié)構(gòu)表面，然后將支護(hù)或襯砌上的應(yīng)力解除，測(cè)量獲得解除前后的支護(hù)或襯砌結(jié)構(gòu)上的應(yīng)變值，按照應(yīng)變應(yīng)力的本構(gòu)關(guān)系推算出支護(hù)或襯砌上受到的壓力。該方法建立在彈性理論的反演分析之上，需要較高的操作技術(shù)，需要在較高的工藝技術(shù)條件下進(jìn)行。

(2)襯砌層內(nèi)埋設(shè)應(yīng)變計(jì)法。該方法就是在施工前把應(yīng)變計(jì)埋設(shè)在圍巖與支護(hù)或襯砌結(jié)構(gòu)之間，通過對(duì)支護(hù)或襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面的應(yīng)變變化進(jìn)行測(cè)量，獲得相應(yīng)的結(jié)果，在此基礎(chǔ)上推算出圍巖壓力。處理應(yīng)變計(jì)外，在隧道施工中經(jīng)常用到的量測(cè)元件還有遙測(cè)應(yīng)變計(jì)、鋼弦應(yīng)變計(jì)以及混凝土應(yīng)變磚等。

(3)電測(cè)錨桿法。電測(cè)錨桿是一種特制的空心錨桿，在其內(nèi)壁貼有應(yīng)變?cè)?。在隧道施工中將其錨固在圍巖中，這樣電測(cè)錨桿就會(huì)隨著圍巖的變形而變形，這種變形通過應(yīng)變?cè)y(cè)出，以此來推求圍巖壓力。

3.2.2 位移量測(cè)

通過檢測(cè)開挖面的位移來判斷圍巖的穩(wěn)定性在隧道施工中經(jīng)常被用到，這也是一種非常普遍的量測(cè)方法。鋼弦式收斂計(jì)是該方法中經(jīng)常用到的量測(cè)儀器。在位移量測(cè)中，除了監(jiān)測(cè)開挖斷面位移變化外，還有洞頂下沉位移量測(cè)、鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)等方法。其中，4～12m圍巖深度范圍的位移都可以通過鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)來量測(cè)，根據(jù)量測(cè)的結(jié)果來判斷圍巖的穩(wěn)定性，可以為噴錨支護(hù)提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)交通事業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)公路隧道建設(shè)工程的要求也逐步提高，關(guān)于隧道圍巖壓力的研究需要與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)結(jié)合，更需要在不斷的施工過程中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，從而促進(jìn)我國(guó)交通事業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展。

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