多線鐵路大跨度隧道圍巖壓力研究

卿偉宸，高 楊，仇文革，章慧健

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031；2.西南交通大學，成都 610031)

1 概述

我國鐵路建設事業(yè)經過一個多世紀的發(fā)展，單、雙線鐵路隧道設計與施工技術已非常成熟。近年來，我國鐵路建設特別是高鐵建設進入新時代。在西部山區(qū)，地形、地質條件復雜，而對高速鐵路，一方面由于環(huán)保要求高，另一方面由于曲線半徑大，導致西南山區(qū)鐵路橋隧比重大，高達70%以上，個別鐵路(如成都至九寨溝鐵路)橋隧比高達90%以上。部分鐵路(諸如大理至瑞麗鐵路、成都至九寨溝鐵路)沿線部分地段設站條件困難，導致車站伸入隧道內，由于之前國內外無修建四線車站隧道的成功先例，傳統車站設計一般采用Y字形“2+2”、分修式“2+2”、縱列式“3+3”等型式，以控制隧道跨度不超過三線，但上述方案惡化了車站功能，不利于運營管理。顯然，隨著高速鐵路在西部山區(qū)的高速發(fā)展，傳統的大跨度三線隧道已不能滿足山區(qū)選線及設站的需要，四線車站隧道將不可避免越來越多。

在目前鐵路隧道設計行業(yè)中，荷載—結構法仍然是隧道襯砌結構設計的主要計算方法[1-2]。因此，圍巖壓力的確定是進行隧道結構設計的關鍵[3]。鐵路淺埋隧道圍巖壓力計算公式于1964年提出[4]。鐵路深埋隧道圍巖壓力計算公式是通過大量施工坍方事件的統計基礎上建立起來的統計經驗公式[5]，在一定程度上能反映圍巖壓力的真實情況，對于傳統單、雙線鐵路隧道(跨度7～14 m)的結構設計起到了非常重要的作用。但對跨度超過20 m及以上的隧道是否適用存在一些問題[6]。

(1)《鐵路隧道設計規(guī)范》[10]關于隧道垂直壓力計算高度是基于單線鐵路隧道的施工坍方調查統計資料整理歸納得到。其統計樣本的隧道跨度大多在5～10 m[7-9]，顯然對指導大跨度隧道圍巖荷載計算就顯得有些不足了。

(2)調查統計的隧道樣本僅1 025個[8]，數量非常有限。

(3)調查統計的隧道樣本斷面多為單線鐵路隧道的馬蹄形斷面[7-9]，且形狀呈瘦高形；而近年來多數大跨度隧道襯砌開挖輪廓較為圓順，軌上凈空多為近圓形，其開挖后的圍巖應力場及塑性區(qū)演變均與傳統瘦高的馬蹄形斷面有較大差異。

(4)由于隧道修建技術的不斷發(fā)展，在如今的隧道施工中，一方面，由于支護結構材料等級及強度不斷提高；另一方面，在軟弱圍巖地段，多采用強支護，如型鋼鋼架聯合強鎖腳及臨時橫撐甚至臨時仰拱，一旦支護，能及時發(fā)揮支護的強度，同時能充分發(fā)揮圍巖的自承載能力。導致實際上坍落拱的形成可能比傳統鐵路隧道坍方高度要小得多。因此，按現行鐵路隧道設計規(guī)范[10]計算的圍巖垂直壓力顯得就過于保守了。

因此，對于越來越多的大跨度三線、特別是四線甚至更大跨度的鐵路隧道，荷載計算已經完全超出《鐵路隧道設計規(guī)范》(TB10003—2005)[10]圍巖荷載計算范疇。顯然，提出一種合理的適合于大跨度隧道的荷載及圍巖壓力計算方法已是亟待解決的課題。本文依托烏蒙山二號出口四線鐵路車站隧道，提出考慮圍巖變形全過程的“統一圍巖壓力曲線”，并基于此，提出了大跨度隧道圍巖壓力的一種研究思路。

2 統一圍巖壓力曲線的提出

新奧法強調圍巖自承力，且實際施工過程中不允許出現塌方，荷載就不應該采用塌方荷載。對于地下工程只要不發(fā)展到塌方，圍巖壓力會大大減小。也就是說，一方面在隧道施工中肯定不希望出現塌方；另一方面只要施工不發(fā)生塌方，支護就不需要承擔塌方荷載。

當然有人會提出，隧道為百年工程，雖然在隧道建成初期，支護確實可能不會承擔多大荷載，但不能保證將來有一天荷載增大到最不利的塌方荷載。而在工程設計中一般都是按最不利荷載考慮，以保證安全。對于這一點，根據圍巖特征曲線可知，圍巖壓力的發(fā)展必然伴隨位移變化，位移被限制住了，圍巖壓力的增加是有限的；退一步講，在二襯施作后，圍巖壓力長期發(fā)展，直至達到塌方荷載，而該過程中位移的發(fā)展必然引起二襯開裂破壞，這樣就可以通過后期監(jiān)測預知險情，及時加固。

根據理論分析，將傳統的圍巖特征曲線[11]進行延伸，如圖1所示，即將傳統圍巖特征曲線接續(xù)現行鐵路隧道設計規(guī)范的塌方荷載。從物理意義上來說，該曲線包括了形變應力到松弛應力的轉變；包括了連續(xù)介質力學和非連續(xù)介質力學的有機結合；包括了彈塑性支護理論、塌落拱理論。階段不同，支護對象不同，支護荷載差別很大。因此，本研究將此曲線暫定義為“統一圍巖壓力曲線”。

圖1 統一圍巖壓力曲線

從統一圍巖壓力曲線來看：對于淺埋隧道，塌方荷載與初始地應力是相同的；對于深埋隧道，塌方荷載為塌落拱內巖土體的自重，比初始地應力小。從圍巖特征曲線和支護特性曲線關系可以看出(從橫坐標變形參數)，在隧道開挖后一定時間范圍內支護并達到平衡，只要不發(fā)生塌方，襯砌結構承載的圍巖荷載都小于塌方荷載。從大量以往監(jiān)測資料及本隧的圍巖壓力監(jiān)測情況來看，實測圍巖壓力也遠小于根據現行鐵路隧道規(guī)范計算的塌方荷載。

由于不同工程的圍巖力學特性、巖層產狀和構造不同，支護形式和材料的不同，以及施工工法工序引起的支護時機的不同，導致圍巖壓力有較大的差異；即使同一工程相同圍巖地段，由于支護時機的不同，圍巖壓力也有一定的差異性。

因此，根據上述分析，即使同一隧道的同一圍巖級別的圍巖壓力也并非一個定值能概括。因此，提出圍巖壓力的建議區(qū)間，如圖2所示。對于建議區(qū)間的上下限尚需大量工程的現場測試總結分析。

圖2 設計荷載建議區(qū)間

3 工程概況及現場測試

3.1 工程概況

六(盤水)沾(益)鐵路，設計時速160 km，通行雙層集裝箱。烏蒙山2號隧道，位于貴州省境內，單洞雙線，為該線最長隧道，全長12 260 m，最大埋深400余m。受地形條件限制，且根據運能需求，扒挪塊車站伸入該隧道出口端形成長610 m的四線車站隧道。最大開挖寬度達28.42 m，最大開挖面積為354.30 m2，是目前世界最大跨度的單跨交通隧道。

烏蒙山2號隧道出口四線車站隧道主要通過泥巖、頁巖、頁巖夾砂巖、泥灰?guī)r夾灰?guī)r、灰?guī)r等地層。其中：DK287+740～+870段穿越灰?guī)r、泥質灰?guī)r夾泥灰?guī)r地層；DK287+870～+925段穿越泥灰?guī)r夾灰?guī)r、頁巖地層；DK287+925～DK288+350段穿越泥巖、頁巖夾砂巖地層，巖質軟硬不均，巖體較破碎。

3.2 圍巖壓力現場監(jiān)測分析

監(jiān)控量測是鐵路隧道工程設計、施工過程中的一個重要環(huán)節(jié)，是反映隧道結構安全性的最直接方式[12]，是實現動態(tài)施工的基礎[13]。隧道監(jiān)控量測對象主要是圍巖、襯砌、錨桿及鋼架等[14]，根據相關規(guī)范[15]對該隧道開展了監(jiān)控量測。為研究本隧圍巖壓力，施工期間，分別選取DK288+220及DK287+900兩個斷面(開挖跨度約25 m)對圍巖與初期支護間壓力開展監(jiān)控量測。各監(jiān)測斷面中，圍巖壓力測點布設以隧道中線對稱布置，如圖3所示，其中 “Y1～Y10”表示10個壓力測點。DK288+220及DK287+900斷面各測點圍巖與初支間壓力時程曲線如圖4。最終穩(wěn)定后圍巖與初支間壓力分布整理如圖5所示。

圖3 圍巖與初期支護間壓力測點布置

圖4 圍巖與初支間壓力時程曲線

圖5 圍巖與初期支護間壓力分布(單位：kPa)

從圖4及圖5中可以看出：

(1)DK288+220斷面的圍巖與初期支護間接觸壓力最大值為245.8 kPa， DK287+900斷面的圍巖與初期支護間接觸壓力最大值為237 kPa，均出現在拱頂；

(2)圍巖與初期支護間接觸壓力沿洞周分布不均勻，拱頂最大，從上往下呈減小趨勢，在邊墻部位又有所增加；

(3)由于圍巖變形的時空影響，圍巖與初期支護間接觸壓力始終呈現增加趨勢，二襯封閉后趨于穩(wěn)定。

4 圍巖壓力確定及荷載模式建立

對于本工程，作為一個工程案例，通過現場圍巖與初期支護間壓力監(jiān)測，總結圍巖壓力和荷載模式如圖6所示。這里假定圍巖壓力模式(包絡圖)為現行鐵路隧道設計規(guī)范采用的深埋隧道荷載模式：豎向均布，水平荷載簡化為矩形分布。荷載包絡圖取豎向圍巖壓力q=250 kPa，水平圍巖壓力e=160 kPa。

圖6 實測圍巖壓力包絡圖(單位：kPa)

結合提出的統一圍巖壓力曲線，根據現行鐵路隧道設計規(guī)范，計算得到塌方荷載γha=25×21.6=540 kPa，結合DK287+900及DK288+220兩個斷面的圍巖壓力監(jiān)測，拱部最大圍巖壓力分別237 kPa及245.8 kPa，均不大于250 kPa，約為塌方荷載的46%，如圖7所示。因此，為簡化分析，這里將圍巖壓力計算公式建議為:q=Kγha

式中，K為折減系數，本工程K約0.46，可取0.5；γha為塌方荷載。

圖7 實測圍巖壓力與塌方荷載的關系

5 結論

本文提出考慮圍巖變形全過程的“統一圍巖壓力曲線”，并結合烏蒙山2號四線車站隧道實際工程，根據現場圍巖壓力測試，提出了大跨度隧道圍巖壓力確定方法及研究思路。

(1)為體現過程相關性，提出考慮圍巖變形全過程的“統一圍巖壓力曲線”，為結構設計提供一種方法。該曲線包括了形變應力到松弛應力的轉變，包括了彈塑性支護理論和塌落拱理論。階段不同，支護對象不同，支護荷載差別很大。根據以往監(jiān)測圍巖壓力小于計算的塌方荷載，即使同一個工程，圍巖壓力也有較大差異性的特點，提出圍巖壓力并非一個定值所能概括，應按圖2的設計荷載區(qū)間取值。

(2)結合統一圍巖壓力曲線，為簡化分析，豎向圍巖壓力計算公式建議為：q=Kγha。本工程中，K約為0.5。

(3)本工程僅提供一個案例參考，重在提出今后圍巖壓力的一種研究思路，此思路的完善尚需今后大量工程的測試數據，得到不同跨度不同圍巖級別的K值范圍。對大型工程、重要工程必須通過現場圍巖壓力量測及信息化設計、施工，簡單的照抄照搬當前的荷載及圍巖壓力計算方法，只會加大隧道的設計難度，使得隧道的合理化設計難于實現，結構形式不合理，最終導致工程造價的提高或者經濟上的浪費。

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