水下隧道最小覆巖厚度的理論分析

陳 寧

（1.江西理工大學(xué)土木與測(cè)繪工程學(xué)院，贛州 341000；2.江西省環(huán)境巖土與工程災(zāi)害控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，贛州 341000）

0 引言

從已經(jīng)存在的知識(shí)體系中包括圍巖的古典散體理論還是圍巖的彈塑性理論[1]都認(rèn)為圍巖坍塌能夠自行穩(wěn)定，自行穩(wěn)定后的圍巖具有一定的自承能力。圍巖坍塌能夠自行穩(wěn)定是因?yàn)閲鷰r內(nèi)部有一個(gè)應(yīng)力平衡的過(guò)程，這種平衡過(guò)程是由圍巖內(nèi)部作用力與反作用力形成的，作用力是圍巖自身的重力與構(gòu)造力，反作用力是圍巖自身的抵抗作用力，也就是圍巖的自承作用。圍巖內(nèi)部的反作用力結(jié)構(gòu)就是圍巖的自承結(jié)構(gòu)。

1 圍巖中的自承體系結(jié)構(gòu)

圍巖自穩(wěn)自承結(jié)構(gòu)的形式[2]：對(duì)石質(zhì)圍巖的結(jié)構(gòu)形式來(lái)說(shuō)，由于巖體受層理、節(jié)理、開(kāi)挖爆破等各種因素的影響，在塑形圍巖區(qū)內(nèi)大多都是不均勻的塊體，隨著洞室的開(kāi)挖，這些大小不等的塊體在圍巖應(yīng)力重分布的作用下存在位移變化，在位移變化過(guò)程中，巖體塊體間互相作用、互相組合，從而形成一種具有一定承載能力的結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)形式，就是圍巖的自承結(jié)構(gòu)體。

對(duì)水下隧道來(lái)說(shuō)，隧道能夠穩(wěn)定，是因?yàn)閲鷰r中存在有一定結(jié)構(gòu)的自承體系，使得圍巖能穩(wěn)定，支護(hù)系統(tǒng)也屬于自承體系的一部分，因?yàn)橹ёo(hù)、尤其是錨噴支護(hù)往往是與圍巖結(jié)成一體的。由許多因素決定自承體系的范圍，巖石隧道的圍巖體系通常只是幾米寬，在土質(zhì)隧道中圍巖體系可達(dá)到20-30米寬。隧道洞形、支護(hù)形式和開(kāi)挖方法都會(huì)對(duì)自承體系的范圍造成影響。

2 拱頂彎矩公式的推導(dǎo)

由于圍巖的自承結(jié)構(gòu)體是拱形，可建立如下所示計(jì)算模型

圖1 水下隧道自承拱計(jì)算模型圖

圖中qn為豎向壓力，λqn為水平壓力，q 為作用在自承拱上的水壓力

通過(guò)求結(jié)構(gòu)力學(xué)[3]解結(jié)構(gòu)內(nèi)力可得：

2.1 x1=1 單位荷載作用時(shí)，拱的截面任意位置的彎矩為：

拱腳處的水平位移為：

（2）x1=0 時(shí) 外荷載單獨(dú)作用在拱上

隧道自承拱拱腳處豎直方向的支座反力為：

隧道自承拱拱腳處的水平方向支座反力為：

則對(duì)于隧道自承拱任意一點(diǎn)的彎矩為：

拱腳處的水平位移△1p為：

3 自承拱厚度公式的推導(dǎo)

根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性判斷，最大彎矩發(fā)生在拱頂處，即：

再由材料力學(xué)[4]可知，結(jié)構(gòu)受彎矩作用時(shí)，其彎矩在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的拉應(yīng)力為：

式中，σ1為結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力，Mmax為結(jié)構(gòu)最大彎矩，Wz為抗彎截面系數(shù)。

對(duì)于抗彎截面系數(shù)Wz，因界面是彎矩，其慣性矩Iz=，故Wz=

又因?yàn)樵撚?jì)算模型為平面應(yīng)變模型，所以結(jié)構(gòu)在縱向的尺寸b=1。如隧道圍巖自承拱不破壞，則應(yīng)滿足下式：

式中σL為圍巖的抗拉強(qiáng)度，K 為安全系數(shù)

由上式可得隧道圍巖自承拱厚度：

式中，t 為圍巖自承拱厚度，qn1為上覆巖層豎向壓力，qn2為上覆巖層水平壓力，λ為側(cè)壓系數(shù)，λ=，r 為隧道開(kāi)挖半徑，H 為隧道覆巖厚度，[σ L]為圍巖的抗拉強(qiáng)度，K 為安全系數(shù)，一般取2～3。

隧道圍巖上覆巖層豎向壓力采用礦山法確定，礦山法是依據(jù)大量的隧道施工塌方資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算，提出的一種確定隧道圍巖豎直均布?jí)毫健5]

式中 q：圍巖豎直均布?jí)毫Γ╧m/m3）；

S：圍巖類別，如屬IV 級(jí)圍巖，則S=5；

W：寬度影響系數(shù)，w=1+i（B+5）；

i：圍巖壓力的增減率，當(dāng)B 5m 時(shí)，i=0.2；當(dāng)B 5m 時(shí)，i=0.1；

B：隧道跨度，以B=5 為基本跨度；

4 將公式應(yīng)用于實(shí)際工程

水下隧道在施工過(guò)程種最常遇到的是II～V 級(jí)，經(jīng)過(guò)超前支護(hù)的V 級(jí)圍巖，其物理力學(xué)參數(shù)可達(dá)到IV 級(jí)圍巖的水平。參考《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》II～I(xiàn)V級(jí)圍巖的物理力學(xué)參數(shù)[6]。

以國(guó)內(nèi)外主要公路、鐵路海底隧道為例，

將各參數(shù)和半徑r 代入式2.16 中，得出在不同圍巖級(jí)別下各隧道的隧道半徑和圍巖自承拱厚度關(guān)系圖。

圖3.1 隧道半徑-圍巖自承拱關(guān)系

圖3.2 II 級(jí)圍巖下拱頂厚度與最小覆巖厚度的關(guān)系

圖3.3 III 級(jí)圍巖下拱頂厚度與最小覆巖厚度的關(guān)系

圖3.4 IV 級(jí)圍巖下拱頂厚度與最小覆巖厚度的關(guān)系

由圖3.1、3.2、3.3、3.4 可知

①：在同一圍巖級(jí)別下，隧道半徑如果越大，則圍巖自承拱厚度也越大。

②：在半徑相同的情況下，圍巖級(jí)別越高，則隧道圍巖自承拱的厚度也就越大。

③：由于上述隧道大多都是建造完成于上個(gè)世紀(jì)，所以會(huì)有技術(shù)上的限制，在最小覆巖厚度的選擇中也會(huì)偏于保守。各級(jí)圍巖的拱頂厚度與各隧道的最小覆巖厚度呈正相關(guān)，可得出該隧道拱頂厚度值作為隧道覆巖厚度的臨界值具有一定的參考價(jià)值。

5 將公式應(yīng)用于蓉江四路隧道

根據(jù)該工程初步設(shè)計(jì)可知，贛州蓉江四路隧道擬用雙向六車道，隧道水下段主要通過(guò)中風(fēng)化粉質(zhì)泥巖地層，以IV 級(jí)圍巖為主，采用鉆爆法施工，開(kāi)挖跨度為12.5m，圍巖重度為20KN/M3，該隧道的圍巖抗拉強(qiáng)度為1.01MPa，泊松比為0.38，圍巖的滲透系數(shù)k=1.68m/d。

依據(jù)前文推導(dǎo)出的隧道圍巖自承拱厚度公式2.16 可得：

在IV 級(jí)圍巖條件的情況下，蓉江四路隧道的最小覆巖厚度為17.38m。

6 結(jié)論

本文利用了結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)的強(qiáng)度理論分別對(duì)隧道的自承拱厚度進(jìn)行理論公式的推導(dǎo)，從而得出以下結(jié)論：

（1）在同一圍巖級(jí)別下，隧道半徑如果越大，則圍巖自承拱厚度也越大。

（2）在半徑相同的情況下，圍巖級(jí)別越高，則隧道圍巖自承拱的厚度也就越大。

（3）水下隧道覆巖厚度隨隧道開(kāi)挖跨度的增加而增長(zhǎng)，在相同覆巖厚度的情況下，開(kāi)挖跨度越大，隧道越不穩(wěn)定，與隧道的實(shí)際情況相符。最后，本文推導(dǎo)的理論公式用于依托工程—贛州蓉江新區(qū)過(guò)江隧道，經(jīng)理論公式推導(dǎo)可得該隧道的最小埋深為17.38 米，但是理論公式的正確性還需進(jìn)一步驗(yàn)證，如采用數(shù)值模擬和工程類比的計(jì)算方法。