隧道洞口大管棚設計長度探討

王 屹, 向 龍

(1. 四川興蜀公路建設發展有限責任公司, 四川成都 610041； 2. 四川省交通廳公路規劃勘察設計研究院, 四川成都 610041)

近年來，隨著高速公路的建設及高速鐵路的飛速發展和工程設計技術的進步，道路裁彎取直，使得隧道工程在道路工程中的比例越來越大。隧道洞口一般均為覆蓋層加淺埋段，建設中極易出現塌方和冒頂等事故。目前主要設計原則為早進晚出以及大管棚進洞施工技術確保隧道洞口施工安全。本文結合隧道洞口受力分析和淺埋段劃分，研討大管棚設計長度，具有一定借鑒意義。

1 隧道淺埋段劃分

在TB 10003-2005《鐵路隧道設計規范》及JTG D70-2004《公路隧道設計隧規》[1-2]附錄E與6.2.3條的相關公式計算深淺埋隧道分界深度：

Hp=(2～2.5)hq

(1)

hq=0.45×2S-1×ω

(2)

式中：Hp為深淺埋隧道分界深度(m)；

hq為荷載等效高度(m)；

S為圍巖級別；

ω為隧道寬度影響系數，按下式計算；

ω=1+i(B-5)

(3)

B為隧道寬度(m)；

i為B每增減1 m時的圍巖壓力增減率，B>5m時取i=0.1。

IV、V級圍巖取Hp=2.5hq，小于此深淺埋隧道分界深度，應按淺埋隧道計算荷載(表1)。

表1 圍巖級別對應荷載等效高度

2 隧道淺埋段圍巖壓力

JTG D70-2004《公路隧道設計規范》中附錄E淺埋荷載荷載計算方法中對埋深大于hq，小于Hq段落計算方法(圖1)。

圖1 規范中淺埋隧道圍巖壓力

由圖1可見隧道上覆巖體EFHG的重力為W，兩側三棱巖體FDB或ECA的重力為Wl，未擾動巖體整個滑動上體的阻力為F，當EFHG下沉，兩側受到阻力T或T’，作用于HG面上的垂直壓力總值Q為：

Q=W-2T′=W-2Tsinθ

(4)

進而推導出：

(5)

3 大管棚設計長度

管棚主要作用機理為[3]:

(1)梁拱效應：先行施設的管棚，以開挖面和后方支撐為支點，形成一個梁式結構，二者構成環繞隧洞輪廓的殼狀結構，可有效抑制圍巖松動和垮塌；

(2)加固效應：注漿液經管壁孔壓入圍巖裂隙中，使松散巖體膠結固結，從而改善了軟弱圍巖的物理力學性質，增強了圍巖的自承能力，達到加固鋼管周邊軟弱圍巖的目的；

(3)環槽效應：開挖面爆破產生的爆炸沖擊波傳播和爆炸氣體擴展遇管棚密集環形孔槽后，或被反射、吸收、繞射，大大降低了反向拉伸波所造成的圍巖破壞程度及擾動范圍；

(4)確保施工安全：管棚支護剛度較大，施工時如發生塌方，塌碴也是落在管棚上部巖坡上，起到緩沖作用，即使管棚失穩，其破壞也較緩慢。

筆者認為大管棚在洞口淺埋段主要作用為對上覆土壓力進行承擔(梁拱效應)，因此大管棚的長度主要取決于隧道淺埋段的長度，而淺埋段的劃分與圍巖級別和隧道開挖寬度等直接相關(圖2)。

圖2 大管棚加固范圍示意區

因此大管棚洞口段長度推導公式如下：

L=Hp/tan(β)+5

(6)

L=(2～2.5)0.45×2S-1×ω/tan(β)+5

(7)

式中：L為大管棚設計長度(m)，5為富余量；

β為為洞口地形邊坡角度；

其余公式同上。

根據圍巖級別及常規公路隧道開挖寬度，淺埋段及大管棚設計長度見表2[4]。

從表2中可見以上淺埋段深度劃分和大管棚設計長度基本一致，例如在公路雙車道隧道Ⅴ級圍巖洞口段淺埋段為30～35 m，設計中淺埋段大管棚設計長度一般為30 m，地質較差地段取40 m(按洞口坡度45°計)，符合工程實際情況。

表2 典型單洞公路隧道的大管棚(深淺埋)長度建議值 m

注：洞口坡度按45°計。

4 結論

(1)大管棚主要作用是防止洞口淺埋段發生塌方和冒頂等事故，梁拱效應，注漿主要是對周邊地層有加固作用，因此大管棚設計長度應在洞口淺埋段影響范圍外。

(2)從以上筆者推導公式可見：大管棚長度與隧道洞口開挖寬度成正比，圍巖級別(地質)越差大管棚長度越長，地形越平緩大管棚長度越長。

(3)同時大管棚在開挖進尺較小，二襯緊跟時，大管棚考慮開挖三維效應，可適當減短大管棚長度，式(7)中系數可取小值。

(4)一般隧道洞口段大管棚的長度可近似按隧道淺埋深度保持一致(表2)。

(5)以上大管棚長度基本符合設計實際，對以后類似研究具有一定的指導和借鑒意義。