白堊系全風化紅砂巖深埋隧道初期支護受力特性與荷載模式

夏 勇

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251）

蒙華鐵路是目前國內一次建成的最長重載貨運鐵路，陽城隧道作為蒙華鐵路控制性工程之一，地質條件復雜，穿越大量紅砂巖地層，其遇水易崩解軟化、水穩性極差，因此支護、降水措施稍不到位，極易出現諸如襯砌開裂、初期支護大變形等問題。

圍巖壓力與初期支護受力特性已有部分學者研究。文獻［1-3］總結歸納了現行主流圍巖壓力計算方法，并給出了相應的適用范圍；文獻［4-7］針對不同地質情況，通過現場監測得到隧道圍巖壓力與初期支護的力學特性；文獻［8-10］通過監控量測、數值模擬等手段對不同地質情況下隧道圍巖與支護結構相互作用機制進行了研究。但以往文獻針對隧道穿越局部富水紅砂巖地層的研究較少，因此本文以蒙華鐵路陽城隧道現場試驗段為研究對象，基于現場監測數據，將實測值與目前主流的3種不同圍巖壓力計算公式所得計算值進行對比，探討適用于紅砂巖深埋隧道圍巖壓力的計算公式與分布模式。

1 工程概況

陽城隧道位于陜西省榆林市靖邊縣龍洲鄉雙城村附近，隧道全長7 108.25 m，最大埋深207 m。隧址區地形復雜，V 字形沖溝發育，呈樹枝狀分布，溝壑縱橫，沿線主要穿越白堊系全風化紅砂巖和第四系砂土互層。選取DK245+301—DK245+331 段為現場試驗段。試驗段總長30 m，局部富水。埋深約120 m，洞身凈跨度11.6 m，凈高11.5 m。

2 現場試驗結果分析

考慮到全風化紅砂巖在不同含水率下性質差異較大，試驗段共布設6個監測斷面，每個監測斷面設12個測點，每個測點布設壓力盒、鋼筋計等。各監測斷面圍巖壓力分布見圖1。

圖1 各監測斷面圍巖壓力分布（單位：kPa）

由圖1 可知：①紅砂巖的含水率對圍巖壓力影響較大，富水區域圍巖壓力大。監測斷面DK245+301 與DK245+313 由于全風化紅砂巖地層上部富水，巖性較差，圍巖無自穩能力，因此拱頂處圍巖壓力較大；監測斷面DK245+319—DK245+331 段由于隧道右側富水，導致兩側圍巖壓力不對稱，左拱肩、左拱腰以及右拱腳處圍巖壓力較大，出現明顯偏壓現象。②各監測斷面拱腰（70°～90°）處圍巖壓力相對較小?？赡苁遣捎贸吧羁渍婵战邓畷r中臺階處出現明顯溜砂現象，導致中臺階處圍巖不密實或部分脫空。

3 圍巖壓力計算方法

3.1 計算參數的確定

為全面研究圍巖的工程特性，在陽城隧道試驗段6 個監測斷面分別取土進行了顆粒密度試驗、固結試驗和直剪試驗。所得物理力學參數見表1。

表1 全風化紅砂巖物理力學參數

3.2 計算方法的確定

深埋隧道圍巖壓力計算主要依據普氏理論、太沙基理論、TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》中推薦方法以及卡柯公式。由于采用卡柯公式計算時要用到塑性松動壓力，而塑性圈半徑難以測得，不確定性較大，因而不予考慮。

將表1 中數據以及斷面設計參數代入3 種理論圍巖壓力計算公式，得到理論計算值。先將實測圍巖壓力最大值分解為豎向圍巖壓力和水平圍巖壓力，然后將其與理論計算值進行對比，見表2?？芍翰捎肨B 10003—2016 推薦的計算方法所得的豎向圍巖壓力與實測最大值偏差太大；普氏理論、太沙基理論的計算值與實測最大值偏差幅度接近，但綜合豎向與水平圍巖壓力來看，太沙基理論更為接近。因此，依據太沙基理論計算全風化紅砂巖深埋隧道圍巖壓力。

表2 圍巖壓力理論值與實測最大值對比

4 圍巖壓力分布規律

4.1 豎向圍巖壓力分布

取6個監測斷面各測點實測豎向圍巖壓力的平均值，并以拱頂處豎向圍巖壓力平均值作為基準值，計算得出豎向圍巖壓力在不同測點的分布比例（某點位豎向圍巖壓力平均值/拱頂豎向圍巖壓力平均值），見表3。

表3 各測點豎向圍巖壓力平均值及分布比例

由表3可知：隧道拱頂至左右30°范圍內豎向圍巖壓力平均值較大，到拱肩時豎向圍巖壓力達到最大值，此后逐漸減小，左右80°處豎向圍巖壓力平均值較小，分布比例趨近于0。

依據表3中分布比例，考慮安全余量，得到深埋全風化紅砂巖隧道豎向圍巖壓力分布見圖2。該圖式對稱于隧道中心線，拱頂處豎向圍巖壓力為依據太沙基理論計算得到的豎向圍巖壓力q，左右30°處取1.2q ～1.4q，左右60°～ 90°取0.4q ～0.6q，呈山峰狀。

圖2 深埋全風化紅砂巖隧道豎向圍巖壓力分布

4.2 水平圍巖壓力分布

取6個監測斷面各測點實測水平圍巖壓力的平均值，并以左右30°處水平圍巖壓力平均值作為基準值，計算得出水平圍巖壓力在不同測點的分布比例（某點位水平圍巖壓力平均值/左右30°處水平圍巖壓力平均值），見表4。

表4 各測點水平圍巖壓力均值及分布比例

由表4可知：隧道水平圍巖壓力呈上小下大趨勢，隧道左右30° ～110°水平圍巖壓力分布較為均勻，從左右110°～135°水平圍巖壓力逐漸增大。

依據表4中分布比例，考慮安全余量，得到深埋全風化紅砂巖隧道水平圍巖壓力分布見圖3。以依據太沙基理論計算得到的水平圍巖壓力e為基準，拱頂至左右 110°水平圍巖壓力取 1.0e～1.2e，左右 110°～135°呈線性遞增，左右135°至仰拱水平圍巖壓力取1.5e～1.8e。

圖3 深埋全風化紅砂巖隧道水平圍巖壓力分布

5 初期支護結構內力驗算

現行鐵路隧道初期支護結構強度計算一般采用TB 10003—2016 中推薦的計算方法。通過ANSYS 軟件，建立荷載-結構模型，圍巖壓力分別采用本文給出的深埋全風化紅砂巖隧道計算方法與規范推薦的方法進行計算。

初期支護設計參數：彈性模量31.55 GPa，泊松比0.2，重度25 kN/m3。

初期支護內力計算結果見圖4。可知：2種計算方法所得到的初期支護內力分布基本一致，但本文給出的計算方法所得內力較規范推薦方法所得內力大，彎矩最大值出現在左右60°、左右135°，是初期支護的薄弱點。這與現場實際情況相吻合。

圖4 初期支護內力計算結果

2 種計算方法所得的隧道初期支護安全系數對比見表5?？芍?種方法所得的安全系數最大值均出現在左右兩側30°（拱肩），而拱頂、拱腰（左右60°）、拱腳（左右135°）、仰拱的安全系數都較??；本文給出的計算方法所得安全系數較規范推薦計算方法小。此時安全系數若能滿足要求，則規范推薦計算方法必定也能滿足要求?？紤]到紅砂巖地層物理性質較差，屬于Ⅵ級圍巖。因此，從偏保守考慮，建議初期支護采用本文推薦的計算方法進行設計。

表5 安全系數對比

6 結論

1）含水率對深埋全風化紅砂巖隧道圍巖壓力影響顯著。在局部富水或真空降水不完全區域圍巖壓力較大，使得圍巖壓力分布不均勻，最大值出現位置不確定。

2）深埋全風化紅砂巖隧道圍巖壓力計算推薦采用太沙基理論計算公式。依據實測數據給出了深埋全風化紅砂巖隧道圍巖壓力分布計算方法。豎向圍巖壓力呈中間小、兩頭大分布，兩頭峰值壓力1.2q～1.4q。水平圍巖壓力呈上部小、下部大分布，左右110°以上部位取1.0e～1.2e，左右135°至仰拱取1.5e～1.8e。

3）本文給出的深埋全風化紅砂巖隧道圍巖壓力計算方法相比規范推薦的計算方法所得的初期支護安全系數更小?？紤]到紅砂巖地層的物理性質較差，建議采用本文給出的計算方法設計。