山岭隧道围岩压力计算及支护设计探讨

1、 文章编号 :1671-2579(2002 06-0053-03山岭隧道围岩压力计算及支护设计探讨朱汉华 , 潘明军(浙江省公路管理局 , 浙江 杭州 310009 摘 要 :针对 公路隧道设计规范 中有关围岩压力计算和支护设计参数取值与其围岩 分类结合不紧 、 应用不方便的情况 , 根据规范中围岩分类的优点 ,算和支护设计参数取值办法 , 供设计和施工人员参考关键词 :山岭隧道 ; 支护 ; 结构设计 ; 施工 围岩分 类附表 1. 1是以围岩稳定性为代表的分类方法 , 虽然 较正确地反映了主要地质因素对隧道工程的影响和作 用 , 基本与当前隧道工程技术发展现状相适应 , 但在分 析特殊地质

2、 (不宜直接使用锚喷支护 围岩压力和选取 支护参数时 , 宜参考普氏理论和泰沙基理论 (见文献 2 , 比较根据现行规范确定的围岩压力和支护设计 参数 , 以便于更好地反映实际围岩压力和选定更合理 可靠的支护设计参数 。山岭隧道施工 , 由于工程力 (如开挖 、 爆破等 的作 用破坏了山体的初始状态 , 使隧道周围一定范围的原 有岩体受到影响 , 受到影响范围内的岩体 , 称之为围 岩 。 显然 , 隧道稳定性 、 压力计算 、 支护设计类型和参 数选定等均只与围岩有关 , 因此如何准确通过隧道围 岩稳定性分析和围岩压力计算来反映围岩的实际应力 状况是隧道稳定性计算和设计的最重要问题 。1 矿

3、山法施工围岩压力计算及支护设 计方法 当没有采用强预支护或锚喷支护的矿山法施工的 隧道 , 其模注衬砌所受到的围岩压力是衬砌或支护结 构为了阻止岩块松弛或移动下塌等形成的荷载 , 具有 松弛荷载的性质 , 与隧道围岩压力计算的普氏理论或 泰沙基理论相似 , 因此隧道支护结构设计中 , 将围岩压 力作为设计荷载就必须采取一些简化的假定 , 采取 “ 松 弛荷载” 作为主动地压 , 用围岩抗力来考虑围岩和支护 结构间的局部相互作用 :即作为设计荷载的围岩压力 是由主动的松弛荷载和被动的围岩抗力两部分组成 , 前者主要反映围岩构造及特性的影响 , 后者反映支护 结构特性的影响 , 其相关计算办法见

4、公路隧道设计规 范 (即文献 1 第三章计算荷载和第七章结构计算的 内容 。值得注意的是当隧道围岩为自然能力差的松软围 岩且地下水较多时 , 围岩对支护结构约束很小 , 为安全 起见 , 设计计算和施工时不宜考虑围岩抗力 , 而应按明 洞设计计算方法进行结构设计 , 设计荷载可参考 公路 隧道设计规范 第三章 “ 计算荷载” 确定 。虽然 公路隧道设计规范 关于模注衬砌的计算方 法经大量的工程实践及试验的验证 , 基本符合实际情 况 , 但也存在一些问题 :计算图式是按照修筑后作为弹性体系建立的 , 实际上 , 不同的修筑方法使衬砌的受力状态不尽相同 , 因此按照弹性体系进行设计计算是不全面的

5、 。 例如在 先拱后墙法中 , 先修拱圈 , 筑墙之前拱已经存在多种受 力情况 , 或者由于各种其他原因 , 会使某些部分的衬砌 材料已经达到极限强度而破坏 , 产生各种裂缝 , 而且墙 的修筑也不一定是连续均匀的 , 这样 , 再将衬砌作为连 续弹性体来计算显然是不够妥当的 。由于地质情况千变万化 , 地质勘查工作往往也 不能详尽 , 因此 , 如何更合理地确定计算荷载 (大小及 分布 尚需不断地进行试验 、 量测 、 调查和进一步的理 论分析工作 。第 22卷 第 6期2002年 12月 中 外 公 路 53收稿日期 :2001-10-19作者简介 :朱汉华 , 男 , 博士 , 高级工程

6、师 .计算模型中的一些假设有很大的局限性 。例 如假定衬砌与围岩间的相互作用按局部变形理论进行 计算 , 但 “ 局部变形” 显然与实际情况有出入 , 等等 。 为 了使计算模型更准确地符合隧道与衬砌间的相互作用 情况 , 还应作进一步研究 , 并通过试验 、 量测 、 分析统计 及理论分析的方法 , 得出更切合我国公路隧道实际情 况的结果 。2 新奥法施工围岩压力计算和支护设计方法 , 。 它把隧道围岩和 各种支护结构作为一个共同作用的承载体系 , 控制围 岩变形的发展 , 避免了岩体塌方 , 防止过大的松弛压力 出现 ; 各种支护结构不再把围岩仅视作荷载 (松弛压 力 , 而且还把围岩视作

7、承载结构的组成部分 , 因此新 奥法施工的支护结构承受荷载的性质由矿山法中的松 弛压力变为承受围岩的形变压力 。 新奥法施工的锚喷 支护原理如图 1所示 。1-喷混凝土 ;2-砂浆锚杆 ;3-危石坍塌顺序及方向用数字及箭头表示图 1 块状围岩锚喷支护原理示意图 (拱部 值得注意的是锚喷支护技术只是新奥法中最常见的支护技术中的一种 。对于围岩自稳能力差 , 有涌水 及大面积淋水 、 地层松软等特殊地质使用锚喷支护就 很难成形 , 必须采用强预支护技术 (即采用超前管棚 、 小钢管或插板 , 钢拱架 , 喷混凝土的联合支护体系 , 如 图 2所示 。由图 2还可以得出如下支护设计抗力计算原理 :1

8、 当隧道围岩采用强预支护而使围岩基本保持 原始状态时 , 则有 :T 1cos 1+T 2cos 2+P =WT 1、 T 2-围岩反力 ; W -重力 ; P -支护抗力图 2 特殊地质围岩强预支护原理 P :也就是说 , 对于特殊地质围岩必须采用强预支护 技术才能确定支护结构承受的围岩压力是变形压力而 不是松弛压力 , 同时施作强预支护时也必须考虑到预 支护的刚度和开挖后施作喷射混凝土的时间都影响特 殊地质围岩的变形 (即影响围岩压力的大小和分布情 况 , 因此选择适当的预支护刚度和喷射混凝土的时间 也是十分重要的 。因此 , 即使是新奥法施工的隧道 , 也应该针对不同 的围岩地质情况 ,

9、 依据不同的支护设计理论并选取相 应的设计参数 。 以下分两种不同的围岩情况讨论 。1 对于 、 、 类硬质岩石及稳定性较好的 类围岩 , 及时的锚喷支护 (如图 1 起着稳定围岩 、 控制 围岩应力和变形 , 防止松弛 、 坍塌和产生 “ 松弛压力” 的 作用 , 其中锚喷支护成为一种充分利用和加强围岩自 身的支承能力 , 把围岩和支护结构组成一个统一的结 构工作体系的重要支护手段 。 锚喷支护与围岩共同作 用的力学原理 (如图 2 可分为两种情况 : 对于 、 、 类硬质完整性围岩 , 开挖后围岩本身足以承受围 岩压力 , 只需要考虑局部掉块或岩爆 , 按 公路隧道设 计规范 表 7. 4

10、. 3-2确定支护参数即可 , 不必进行围 岩压力计算和支护参数设计 。 对于 、 、 类其 他硬质岩石 (稳定性一般 及稳定性较好的 类围岩 , 开挖后围岩本身不足以承受围岩压力 , 需用周围岩体 和柔性支护共同变形 、 破坏的弹塑性理论来阐述 。 实际工作中 , 支护设计标准的确定 , 包括支护时间 和支护类型等的确定往往要依靠经验 (工程类比法 确 定 , 参考 公路隧道设计规范 表 7. 4. 3-1和表 7. 4. 3-2确定支护参数 。总之 , 以上两种情况初期支护施工完成后 , 隧道围 岩基本稳定 , 围岩或支护体系足以承受围岩压力 , 围岩45 中 外 公 路 22卷 压力计算

11、并非十分重要 。2 对于 类 、 类 、 稳定性较差的 类围岩及特殊 地质围岩 , 及时的强预支护 (图 2 同样起着稳定围岩 、 控制围岩应力和变形 、 防止松弛 、 坍塌和产生 “松弛压 力” 的作用 , 但其机理与锚喷支护不同 。 参照普氏理论 和泰沙基理论 , 由于特殊地质围岩自稳能力差 , 且伴有 地下水的作用 , 为安全起见 , 不考虑围岩的内摩擦角 <和粘结力 c 的作用 (即 c =<=0 , 仅考虑由于强预支 护而不产生有害松弛的围岩反力 T 1和 T 2的作用 (见 图 2 。有些实例是参考 公路隧道设计规范 表 7. 4. 3-2拟定支护设计参数 ,隧道初期支

12、护施工完后 ,3, 可减少 或避免类似事故的发生 。为完善特殊地质围岩强预支护力学原理 , 预支护 抗力可参照围岩压力量测 (参见文献 2 结果进行统 计分析求得参考值 , 强预支护设计参数按工程类比法 (如参考文献 4中的表 2-28即常用钢拱架支护设计 参数 和曲墙式衬砌计算法 (参见文献 2 来求得参 考值 。在目前也可按照 公路隧道设计规范 第三章计算 荷载的办法或按泰沙基理论中的围岩分类及荷载高度 办法预估围岩压力 , 然后乘以折减系数 (=0. 1 0. 4, 见文献 4 , 作为预支护力 P (相应围岩松弛压 力 , 用结构力学方法来估算预支护设计参数 。3 特殊岩层和岩层走向的

13、处理必须指出的是 , 当隧道洞口存在滑移层或层状岩 体面倾向隧道内且走向与隧道轴线近于平行时 , 仅采 用锚喷初期支护不足以稳定岩体 , 此时首先必须用抗 滑桩或锚索加固山体 , 确保山体稳定后 , 才能按上述方 法进行隧道设计和施工 。这方面的教训很多 , 如南昆 铁路小德江隧道 、 石长铁路的两座隧道 、 某高速公路的 一座隧道等 , 在隧道开挖 、 衬砌做好后发生山体岩层移 动 , 致使隧道衬砌结构被破坏 , 迫使再进行山体和隧道 加固处理 。4 结语综上所述 , 目前 公路隧道设计规范 依据不同隧 道围岩分类设计计算不同支护设计参数的方法 , 虽然 基本上是合理的 , 但由于围岩特性的

14、千变万化 , 仅仅依, , , 选用不同的围岩 。, 总结起来 , 可以归结为以下 几个步骤 :确定围岩性质 , 如隧道洞口存在滑移层或层状 岩体面倾向隧道内且走向与隧道轴线近于平行时 , 则 必须首先采取抗滑桩或锚索加固山体 。根据围岩性质 , 确定其适合的围岩设计计算理 论 (规范方法 , 普氏理论或泰沙基理论 。确定是否需要采取强预支护措施 。选定支护设计参数 (首先应依据围岩性质确定 是否需要进行支护设计参数计算 。虽然隧道围岩地质情况十分复杂 , 任何设计理论 和思想要想完全考虑和适用于所有地质情况几乎是不 可能的 , 但是 , 如果能够从隧道的设计和施工开始 , 就 按照本文的思路和以上步骤来设计和施工 , 应该能够 取得比较理想的效果 , 本文的隧道设计和施工的思路