地下工程中壓力拱研究

柳佳浩

摘要：在地下工程的建設中，由于壓力拱的存在，上部土壓力往往小于全覆土壓力。壓力拱對于我們土木工程來說無疑是一種非常有用的東西。它可以應用于很多地下結構建造中，是區(qū)分地下結構深淺埋的重要標志。壓力拱是圍巖自穩(wěn)的一種表現(xiàn)形式。壓力拱范圍的確定對地下工程中的土壓力計算起著至關重要的作用，是土木工程的重要研究對象。通過查閱相關文獻可知，在隧道工程中影響壓力拱的形成和范圍的有三大因素：地質條件、地下結構埋深、地下結構的跨度。

關鍵詞：自穩(wěn)；壓力拱；地質；埋深；跨度

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.01.096

1壓力拱的論述

我們都應坐過火車，很多的火車隧道是穿山隧道或者地下隧道，這些隧道建在海拔成百上千米的山嶺中或者地下幾十米的巖土中，可是在這么大壓力的山體和地面下，是如何設計支撐與開挖的呢？同樣的，西北的窯洞在非常簡單的支護情況下是如何保證不會坍塌的呢？這是因為圍巖有一種非常特殊的性質—圍巖自穩(wěn)。圍巖自穩(wěn)是指在不受外力支護的情況下能保持自身結構自我穩(wěn)定的一種力學現(xiàn)象。正是由于圍巖自穩(wěn)現(xiàn)象的存在使圍巖自身就能承受很大一部分力，從而使支護結構能夠保證地下結構的安全。

壓力拱就是一種圍巖自穩(wěn)現(xiàn)象，正是由于壓力拱的存在才使地下結構保持自穩(wěn)狀態(tài)。隧道開挖后，洞壁巖體失去原有巖體的支撐，在重力和初始應力場的作用下，原有的受力平衡狀態(tài)和荷載傳遞路徑會被破壞，隧道上部巖石或土體會坍塌掉落。若隧道的埋深使開挖作用局限在地表以下時，上覆地層的變形一松動一坍塌過程會在地表以下某個相對穩(wěn)定的范圍內終止，就好像在這個坍塌范圍的周邊出現(xiàn)一架能夠承受以上底層全部重量的壓力拱結構。這種現(xiàn)象被稱作地層的成拱作用，似拱結構被稱為壓力拱，如圖1，壓力拱不僅只在隧道上部形成，在隧道的底部和腰部也能形成，壓力拱有內外兩個邊界。壓力拱的形成改變了介質中原有的荷載傳遞狀態(tài)，它能夠把作用于拱后或拱上的壓力傳遞到拱腳及周圍穩(wěn)定介質中去，充分發(fā)揮了巖土材料良好的受壓性能。作為一種具有拱的力學特性的效應，壓力拱中的圍巖承擔著自身荷重和周邊圍巖的壓力，它的存在能夠確保隧道洞室的穩(wěn)定性，并減少襯砌的受力。壓力拱對地下結構的開挖是有很大的好處，首先壓力拱是可以自然形成，不需要人為加力，這個自然的“力學結構”可以比人工操作更為省力，壓力拱還可以應用于其他領域，如房屋建設的支梁等。

2壓力拱的研究方法及研究因素

壓力拱對隧道的開挖意義不言自明，但并不是所有隧道開挖都能形成壓力拱。壓力拱的形成受到很多因素的影響。圍巖成拱的條件有三種：地理環(huán)境與土質、拱形的埋深程度、拱的跨度。

地理環(huán)境與土質—不同土質對于成拱是一種較為重要條件，土質大致分為粘土，沙，石，這些土質的硬度和塑性都不同，往往沙土之間的性質比較松散，而巖石則比較緊密。壓力拱的形成本質上是把隧道上部土體的重量通過拱效應分散到周圍土體，所以需要周圍土體巖型較好。就像在松散的沙土里挖洞往往會形成塌陷，而在巖石里面很容易挖洞一樣。所以說土質對壓力拱的形成起重要作用。

埋深程度也會影響，當埋深程度較淺時，隧道開挖造成的作用效應超出了地表面，那么就形成不了壓力拱，圍巖上部的巖石就會完全作用在支護結構上，發(fā)生地表沉降，所以埋深程度很重要，當埋深程度達到一定時才可形成拱形結構。

隧道的跨度也同樣影響著拱的形成，因為跨度決定著上方的巖石質量，而壓力拱的形成是上方土壓力和側摩擦力保持平衡的一種狀態(tài)，隧道開挖跨度越大，上方土壓力就越大就越不容易形成壓力拱。

我們對壓力拱的研究有三種方法：理論研究、數(shù)值模擬、模型試驗法。理論研究方面，俄國學者提出普氏理論，但由于地下環(huán)境的復雜性，理論研究還存在非常多的局限。1946年，Terzarghi通過實驗證實拱效應在砂體中的存在，并對其進行了力學分析，但模型試驗成本太高不適合大范圍的研究。數(shù)值模擬就是把需要研究的對象通過有限元手段反映到計算機上面進行研究的一種方法。數(shù)值模擬在當前具有操作簡單、成本低且能有效的模擬隧道開挖的外部環(huán)境而受到當下研究者的喜愛。本論文研究方法為收集高校碩士論文里數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)進行分析總結。所得結果見表1。

壓力拱的外邊界越大則越不容易成拱，從以上數(shù)據(jù)可知隧道埋深對壓力拱的影響較大，埋深越大越容易形成壓力拱，當隧道埋深小于一定程度就形成不了壓力拱；跨度對壓力拱的形成也有很大影響，跨度越大越不容易形成壓力拱，并且跨度和外邊界曲線近似于比例函數(shù)曲線，由此關系可近似得知當埋深和巖土性質一樣的情況下，不同隧道跨度下的外邊界距離，這對隧道施工中上部土壓力的計算有積極的指導意義；巖土性質好的圍巖如巖石比巖土性質差的圍巖如沙土更容易形成壓力拱，巖性越好，圍巖內部的粘聚力就越大，上部壓力就容易分散到周圍，就越容易形成壓力拱。

3結語

本文主要研究了壓力拱的形成、定義以及影響因素，通過研究可以得出埋深越大、跨度越小、圍巖性質越好越容易形成壓力拱。壓力拱可以作為一種“探索儀器”通過研究壓力拱應力的轉移變化來尋找礦石開采；西北的窯洞也運用了壓力拱的特點，使房屋（窯洞）不易塌陷；當然在土木工程學中壓力拱最大作用就是對隧道開挖所帶來的意義和方便之處，壓力拱的形成是區(qū)別隧道埋深的一個標志，可以形成壓力拱的隧道稱之為深埋隧道，這對隧道施工計算上部土壓力具有積極地意義。

由于地下工程的復雜性，監(jiān)測數(shù)據(jù)的缺失，對壓力拱的研究尚不能形成比較明確的理論，本文的研究也具有一定的局限，希望不久的將來可以對壓力拱做更深入的研究！

參考文獻

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