深埋無(wú)砟隧道涌突荷載及清淤平臺(tái)長(zhǎng)度研究

廖 余，舒東利，余大龍，朱麟晨

(中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031)

近年來(lái)，我國(guó)鐵路隧道在修建過(guò)程中出現(xiàn)不少突水突泥事故，特別是在巖溶發(fā)育山區(qū)，突泥長(zhǎng)度甚至達(dá)幾百米。對(duì)于突水突泥荷載目前沒(méi)有相關(guān)規(guī)范規(guī)定，清淤長(zhǎng)度、處理措施也是靠經(jīng)驗(yàn)選擇。突水突泥荷載以及預(yù)留清淤長(zhǎng)度的確定成為目前急需解決的難題，對(duì)我國(guó)隧道的安全施工有重大意義。

目前，有較多學(xué)者對(duì)突水突泥原因及處理措施進(jìn)行了分析［1-5］，大多是基于數(shù)值模擬與工程經(jīng)驗(yàn)。還沒(méi)有相關(guān)學(xué)者對(duì)不同跨度、不同斷面大小的隧道預(yù)留清淤長(zhǎng)度及突水突泥塌方荷載進(jìn)行系統(tǒng)的理論研究，研究成果對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全和突水突泥處理具有重大意義。

1 突水突泥軟弱帶圍巖參數(shù)

根據(jù)調(diào)研文獻(xiàn)研究可得出突水突泥軟弱帶圍巖參數(shù)取值如表1所示。

表1 突水突泥圍巖段落參數(shù)調(diào)研

從表1中可以看出突水突泥段落圍巖重度γ為18 kN/m3左右，粘聚力c為10～70 kPa，內(nèi)摩擦角φ為13～20°。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 普氏理論

普氏理論拱頂垂直壓力的計(jì)算公式為：

2.2 太沙基理論

太沙基理論是從應(yīng)力傳遞原理出發(fā)推導(dǎo)豎向圍巖壓力的。在太沙基理論中，假設(shè)巖土體為散體，但具有一定的黏聚力，破裂角β=45°+φ/2。

根據(jù)太沙基理論，隧道開(kāi)挖后垂直圍巖壓力計(jì)算公式為：

2.3 鐵路隧規(guī)理論

根據(jù)TB 10003-2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中圍巖壓力的計(jì)算要求，深埋隧道圍巖壓力計(jì)算公式如下：

3 突水突泥塌方垂直荷載

3.1 隧道斷面跨度分類(lèi)

根據(jù)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)參考圖的有關(guān)跨度，將不同時(shí)速單雙線無(wú)砟隧道按跨度劃分，如表2所示。

3.2 突水突泥塌方垂直荷載

固定突水突泥段落的圍巖參數(shù)，突水突泥段參數(shù)最弱時(shí)(γ=18kN/m3，c=10kPa，φ=13°)荷載最大，參數(shù)最強(qiáng)時(shí)(γ=18kN/m3，c=70kPa，φ=20°)荷載最小，分析三種荷載計(jì)算理論與隧道跨度的關(guān)系。

按跨度將三種理論荷載整理分類(lèi)可得出不同跨度下突水突泥塌方荷載的取值范圍(圖1、圖2)。

從圖中可以得出，普氏理論與太沙基理論計(jì)算的最大突水突泥塌方荷載比較接近，普氏理論計(jì)算的最小突水突泥塌方荷載比太沙基理論計(jì)算值稍大，按鐵路隧規(guī)理論計(jì)算突水突泥塌方荷載值偏小。

整體得出不同跨度、不同時(shí)速下突水突泥荷載取值范圍，如表3所示。

表2 無(wú)砟隧道標(biāo)準(zhǔn)圖跨度分類(lèi)

圖1 不同荷載理論塌方荷載與跨度關(guān)系(最大值)

圖2 不同荷載理論塌方荷載與跨度關(guān)系(最小值)

表3 無(wú)砟隧道不同跨度突水突泥塌方垂直荷載取值

4 預(yù)留清淤長(zhǎng)度

隧道發(fā)生突水突泥后，不應(yīng)貿(mào)然清淤，必須對(duì)清淤風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算合理的清淤長(zhǎng)度，預(yù)留可靠的淤泥安全距離(圖3)。

圖3 清淤封堵及荷載示意

淤泥安全距離可參考計(jì)算公式(7)～(9)，計(jì)算時(shí)可不考慮隧道側(cè)壓力系數(shù)，忽略涌泥的黏結(jié)力，只計(jì)算隧道對(duì)泥土的摩擦阻力。

式中：F摩為隧道對(duì)淤泥的摩擦阻力(kN)；F滑為淤泥的下滑力(kN)；μ為隧道與淤泥之間的摩阻系數(shù)，取0.6～0.7；γ為淤泥重度(kN/m3)；A隧為隧道斷面積(m2)；L為預(yù)留清淤段長(zhǎng)度(m)；q為淤泥的垂直壓力(kPa)；A潰為潰口斷面面積(m2)。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施清淤時(shí)，原則上采取臺(tái)階法清淤，以盡量減小清淤斷面面積。清淤前應(yīng)制定安全清淤施工組織，清淤過(guò)程中隨時(shí)觀察，及時(shí)進(jìn)行封堵。

由于一般突水突泥潰口面積較難確定，今假定潰口面積為10 m2、30 m2、50 m2。分別計(jì)算各工況下預(yù)留清淤長(zhǎng)度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 無(wú)砟隧道不同潰口面積預(yù)留清淤長(zhǎng)度

整理分析表中數(shù)據(jù)可得最小預(yù)留清淤長(zhǎng)度與潰口面積的關(guān)系。預(yù)留清淤長(zhǎng)度與潰口面積呈線性關(guān)系，潰口面積越大最小預(yù)留清淤長(zhǎng)度越長(zhǎng)，潰口面積在表中范圍之間時(shí)可線性差值計(jì)算。

5 結(jié)論

論文結(jié)合資料調(diào)研、理論分析等手段，對(duì)突水突泥段落的塌方荷載和預(yù)留清淤長(zhǎng)度進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)不同隧道突水突泥參數(shù)的調(diào)研，得出淤泥重度為γ=18 kN/m3左右，粘聚力c=10～70kPa，摩擦角φ=13～20°。

(2)基于突水突泥圍巖參數(shù)，并結(jié)合普氏理論、太沙基理論以及隧規(guī)理論，對(duì)突水突泥塌方荷載進(jìn)行計(jì)算分析，得出不同時(shí)速、不同跨度下無(wú)砟隧道突水突泥塌方荷載的取值范圍。

(3)基于突水突泥塌方荷載的研究，根據(jù)隧道斷面的大小，給出了不同潰口面積下預(yù)留清淤長(zhǎng)度建議值。