过程设计理念荷载及围岩压力在特大断面公路隧道设计中的应用

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超大断面隧道围岩的稳定性分析

文章编号:1673 0836(2005)02 0227 04超大断面隧道围岩的稳定性分析师金锋,张应龙(西北工业大学,西安 710072)摘要:根据地下结构设计理论和岩石屈服的Drucker-Prager准则,考虑到围岩的自身承载能力,采用有限元对广西柳州一处公路隧道围岩的稳定性进行了分析。

考虑到开挖方式、开挖顺序对围岩稳定性的影响,对围岩的开挖过程进行模拟。

确定不同开挖方式下隧道围岩的位移、应力状态,以及位移、应力状态随时间的变化规律,为隧道施工过程中开挖方案的制定、支护时间的选取提供了依据。

关键词:超大断面隧道;围岩稳定性;有限元分析中图分类号:TU457 文献标识码:BFEM Analysis of Rock S tability on Super Section TunnelSHI Jin Feng,Z HANG Ying Long(N orthwestern Polytechn ical University,Shanxi Xi an710072,China)Abstract:Based on theory of structure desi gn and guide line of Drucker-Prager for rock.taking in to account of its capabili ty bearing the weight of surrounding rock,the Guangx i Liuzhou Ci ty road tunnel has been analysed to simulate the surrounding rock by FE M analysis.Considering the effect of the excavated means and the excavated order to the stabili ty of the surrounding rock,the process of excavation of the surrounding rock is simulated.Making certain surrounding rock of tun nel bit shift,stress conditi on on the different excavation means,and the al ternation regular pattern with bit shift and stress adapts to time.It offered a foundation for excavation scheme formulation and selection supporti ng ti me in the process of buildin g the tunnel.Keywords:Super section tunnel;rock stabili ty;FE M analysis我们在公路隧道的开挖过程中,遇到许多面积超过100m2的断面,给施工安全和进度都带来了一定的难度。

车辆荷载对浅埋大断面隧道围岩的影响研究

车辆荷载对浅埋大断面隧道围岩的影响研究车辆荷载对浅埋大断面隧道围岩的影响研究车辆荷载对浅埋大断面隧道围岩的影响研究罗红星1,2，但路昭1,2，秦雨樵3 (1.云南省公路开发投资有限责任公司，云南昆明650200；2.云南大永高速公路建设指挥部，云南大理671000;3.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点试验室，湖北武汉430071) 摘要：依托在建的甸头隧道，开展隧道开挖是否考虑初期支护下车辆荷载对围岩及大西二级公路的影响研究。

结果表明：隧道开挖引起隧道顶部及腰部发生沉降，底部发生隆起，初衬的施加可以有效抑制隧道周边围岩的变形，且可减小车辆荷载对围岩位移的影响；三台阶开挖时，隧道中部开挖引起地表发生剧烈沉降，初衬的施加可以减小地表的沉降，减小车辆荷载对地表沉降的影响。

因此，无初支的情况下，当公路有车辆通过时，隧道整体变形较大，路面可能由于差异沉降产生裂缝。

关键词：车辆荷载；浅埋隧道；塑性区；位移；初期支护随着我国国民经济建设的发展和西部大开发战略的实施，高速公路的建设正如火如荼。

然而，越来越多的高速公路需要穿过崇山峻岭，隧道尤其是大断面隧道就不可避免[1]。

浅埋隧道是其与地表距离较浅，上部覆盖层不足隧道洞跨2倍的隧道，因此，其围岩处于全风化或强风化状态。

当浅埋隧道与上部公路立体交叉时，由于交通荷载的作用，由于围岩需要承受车辆所带来的震动荷载，这对公路能否正常运营至关重要[2-7]。

对于浅埋隧道与上部公路立体交叉情况下，车辆荷载对隧道与公路的变形影响研究，国内还很少见。

目前对于车辆荷载的等效研究如下：陈志广[8]通过对车辆荷载进行简化叠加，对各种埋深情况下公路车辆荷载传递到隧道结构的压力进行了计算和分析，研究了压力变化的规律；皮映星[7]根据相似理论通过缩小比例尺设计一个合理的浅埋隧道模型，将交通荷载简化为一种恒载和一种正弦荷载的叠加进行分析；张银屏等[9]提出应用弹性半空间地基板模型对汽车车辆荷载向下传播规律进行分析。

隧道稳定性分析与设计方法讲座之三：隧道设计理念与方法

地层一结构法视围岩压力为形变压力目前的做法是把岩体视为均质体并按现行规范中围岩分级确定岩土的强度参数然后采用弹塑性数值方法进行计算获得相应的隧道周围某点的位移值或围岩塑性区的大小最后依据设计人员的经验判断提出一种设计者认为较为合理的结构型式与尺寸
隧道稳定性分析与设计方法讲座之三：隧道设计理念与方法
ＴｕｎｎｅｌＤｅｓｉｇｎＩｄｅａａｎｄＴｕｎｎｅｌＤｅｓｉｇｎＭｅｔｈｏｄ
ＺＨＥＮＧＹｉｎｇｒｅｎ，ＡＢＩＥｒｄｉ，ＸＩＡＮＧＹｕｚｈｏｕ
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬｏｇｉｓｔｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００４１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐａｐｅｒｒｅｖｉｅｗｓｔｈｒｅｅｔｕｎｎｅｌｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｓｕｓｅｄａｔｐｒｅｓｅｎｔａｎｄｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｓｔｒａｔｕｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｉｍｉｔａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｃａｎｗｏｒｋｏｕｔｔｈｅｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｎｅｅｄｅｄｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎ，ｓｏｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｕｂｊｅｃｔｉｖｅｐｒｏｂｌｅｍｓｃａｎｂｅｓｏｌｖｅｄ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｓｅｐａｒａｔｒｉｘｂｅｔｗｅｅｎｓｈａｌｌｏｗｔｕｎｎｅｌｓａｎｄｄｅｅｐｔｕｎｎｅｌｓａｎｄａｌｓｏｅｖａｌｕａｔｅｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｅｔｗｏｄｉｖｉｄｉｎｇｓｔａｎｄａｒｄｓ．Ｆｉｖｅｂａｓｉｃｉｄｅａｓｏｆｔｕｎｎｅｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ：１）Ｔｈｅｔｕｎｎｅｌｄｅｓｉｇｎｍｕｓｔｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｓａｆｅｔｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｄｕｒｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋａｆｔｅｒｐｒｉｍａｒｙｓｕｐｐｏｒｔｍｕｓｔｅｎｓｕｒｅｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓａｆｅｔｙ；２）Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓｈｏｕｌｄａｄａｐｔｔｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｐｒｅｓｓｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒａｃｔｉｃａｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔａｔｅｏｆｔｈｅｔｕｎｎｅｌ；３）Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｕｎｎｅｌｍｕｓｔｂｅｉｎａｃｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈｔｈｅｍｏｄｅｒｎｐｒｅｓｓｕｒｅｔｈｅｏｒｙｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋａｎｄｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｍｕｓｔｍａｋｅｆｕｌｌｕｓｅｏｆｔｈｅｓｅｌｆｓｕｐｐｏｒｔｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋ；４）Ｔｈｅｔｕｎｎｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｄｅｌｓｈｏｕｌｄａｌｓｏａｄａｐｔｔｏｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｍｅｃｈａｎｉｃｓｔａｔｅａｎｄｔｈｅｎｅｗｉｄｅａｔｈａｔｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｓｕｐｐｏｒｔｉｓｔｈｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｍａｔｅｒｉａｌｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋａｎｄｔｈａｔｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓｈｏｕｌｄｂｅｍａｄｅａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｌａｓｔｉｃｔｈｅｏｒｙｓｈｏｕｌｄｂｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ；５）Ｒｅａｓｏｎａｂｌｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｓｈｏｕｌｄｂｅｕｓｅｄｔｏｅｎｓｕｒｅｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｔｕｎｎｅｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔａｋｉｎｇａｓｕｂｗａｙｓｔａｔｉｏｎａｓａｎｅｘ，ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆｔｕｎｎｅｌｓｉｎＧｒａｄｅＩＩ，ＧｒａｄｅＩＩＩａｎｄＧｒａｄｅＶｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋ．ａｍｐｌｅＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓ；ａｎａｌｙｔｉｃｃｒｉｔｅｒｉａｏｆｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋ；ＦＥＭｓｔｒｅｎｇｔｈｒｅｄｕｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ；ｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒｏｆｓｈｅａｒ；ｆａｉｌｕｒｅｓｕｒｆａｃｅ；ｓｏｉｌｔｕｎｎｅｌ；ｒｏｃｋｔｕｎｎｅｌ

大断面公路隧道的断面形式研究

拱都岩体在自重应力场作用下向洞内移动，并导致两侧岩体受压。反应在洞周位移上，顶下沉位移要远大于水平收敛。拱
由此而导致支护结构体系的破坏，与高跨比较大的单洞双这线隧道有所不同。显然，于三车道以上的大断面公路隧道对的建设，如果仍然采用双车道公路隧道的理论进行设计与施工是不合适的。
［收稿日期］０５— ８—２２００９［作者简介］海龙（９０一）隧道及地下工程专业，干１８，硕士研究生。
四川建筑
第２６卷３期
２０．０６６
维普资讯
图ｌ中：为行车道宽度；Ｓ为行车道两侧路缘带宽度，
的大断ｒ公路隧道会越来越多。大断面隧道结构承受较大面的围岩压力。并且受力条件极其复杂，极易发生围岩失稳和
【文献标识码】Ａ
应力场为主的情况下，这种扁平结构的影响将会更大，对随之也就会不可避免地带来新的技术问题：于围岩开挖后如对
地质及地质结构的影响、地应力的影响、岩体力学性质的影
响、因素的影响、工程地下水的影响、时问的影响等等。大断面公路隧道由于开挖面积大，岩体结构面交叉组合形成不稳定结构体的机会将会大大增加，围岩稳定性是一个很不这对利的因素。目前，面公路隧道的设计理论和施工工艺大大断多数是借鉴双车道隧道的理论，是四车道的大断面公路特别隧道，面与双车道公路隧道相比，度增大了一倍，横断其跨如
１大断面隧道的特点

超大断面软弱破碎围岩隧道施工方法的探讨

超大断面软弱破碎围岩隧道施工方法的探讨摘要：随着我国高速铁路和客运专线的建设，出现了大批的超大断面隧道，这些隧道的开挖断面面积往往在150m2以上，对于软弱破碎围岩，超大断面隧道的施工难度很大。

本文对其进行阐述。

关键词：超大断面软弱破碎围岩隧道施工方法前言：近年来，国家加大了交通基础设施建设，特别是客运专线和高速铁路建设进入了前所未有的高峰期。

以“四纵四横”为重点，规划中的客运专线大部分项目己经开工建设，有的即将竣工，剩余项目也将陆续开工。

高速铁路对路线线形要求较高，因而在山岭地区，桥隧占全线的施工比重大。

高速铁路一般设计列车时速为200~250Km/h，为了克服高速列车在隧道内运行所引起的空气动力学问题，新建的高速铁路隧道基本采用双线隧道，线路中超大断面隧道在山岭地区相继出现，这些隧道净空面积为100m2以上，开挖断面面积达到150m2以上。

特别是对于软弱破碎围岩，超大断面隧道的施工难度大，而以往所建的单线铁路和普通铁路隧道基本上是采用传统的矿山法修建，但是工程实践证明，随着隧道跨度和断面的增大，围岩变形的时间效应将进一步显现，隧道开挖引起的应力重分布对隧道的稳定性影响更大，特别对于软弱破碎围岩，这些影响更为明显。

一、软弱破碎围岩隧道采用的开挖方法软弱破碎围岩隧道采用的开挖方法一般为台阶法、预留核心土环形开挖法、CD法、CRD法、双侧壁导坑法等，如图1所示。

上述分部开挖的工法是为了通过小断面、支护及时封闭、临时支护或支撑等技术来保证隧道稳定性，这些开挖支护方式有其积极意义，但它限制了大型隧道施工机械的使用，进度慢、安全性差，在遇到深埋条件时，往往还不能实现变形控制要求。

另外，施工一味为了安全而采用过量的支护措施和多分部施工方法，施工工期长，有时又因支护不当而出现安全、质量事故。

图1隧道常见的开挖工法图软弱破碎围岩的研究目前多集中在矿山领域，而在铁路隧道方面的研究较少。

矿山巷道与隧道的差别很大，矿山巷道的断面尺寸一般较小，使用时间较短，对围岩变形控制要求低，而隧道相对断面尺寸较大，使用年限较长，对围岩变形的控制也较高，这些差别也就决定了两者研究的侧重点必然不尽相同。

超大断面软岩隧道施工新技术

超大断面软岩隧道施工新技术【摘要】依托贵昆铁路乌蒙山二号隧道四线车站段的修建，对超大断面软岩隧道修建技术进行了专项研究，攻克了一系列关键技术，为双线铁路在设站困难的西部山区修建四线隧道取得了第一手宝贵的资料，助推我国的交通事业向前发展。

文章介绍施工过程中采用的复合双侧壁撑索转换工法、三台阶以索代撑工法、撑索转换技术、以索代撑技术、索拱联合支护技术、信息化施工等新技术，以期对同类隧道的施工提供借鉴和参考。

【关键词】超大断面隧道复合双侧壁撑索转换索拱联合支护1.前言为适应我国经济和社会的快速发展，缓解运输能力紧张、实现大能力快速运输，减少环境破坏，进入二十一世纪后我国铁路建设高速发展。

时速200km及以上的客货共线铁路、250km/h城际铁路、350km/h客运专线大量修建，部分已投入运营。

经过多年的探索、实践、科研攻关，我国铁路修建技术在设计理念、施工工艺、技术装备等多个方面取得了重大突破和长足发展。

随着西部大开发战略的继续推进，受西南山区地形、地质条件限制，在建及拟建的大部分铁路线路中，隧道比重占线路总长的50%以上，部分段落隧道比重达90%以上，大量车站不得不伸入隧道内，由于已建成的基本为单线铁路，车站隧道大部分以双线车站为主，部分为三线车站。

近年来随着路网建设向山区发展，由于受曲线半径大、地形地质条件复杂、环保要求高等多种因素的制约，铁路沿线部分地段设站条件极为困难，由于铁路标准为双线，四线车站隧道不可避免。

2.工程概况改建铁路贵阳至昆明线六盘水至沾益段乌蒙山二号隧道，位于云贵高原中东部，行进于乌蒙山区长江、珠江两大水系的分水岭地带，线路起讫里程为DK276+090～DK288+350，隧道全长12.26km，单洞双线，设计时速160Km，通行双层集装箱，根据运能要求，并受地形限制，车站伸入乌蒙山二号隧道出口段，DK287+812～DK288+350段为四线隧道，长538m，最大开挖宽度达28.42m，最大开挖面积为354.3m2，其开挖跨度、面积均为目前采用暗挖法修建的软岩单跨交通隧道世界之最。

公路隧道围岩压力

4
1 1 2 2 3 4 sin 2
a , z x
注：此处应力正方向的规定与弹性力学应力正方向规定相反。
导论
坑道周边应力状态（ρ=a） 0 z 1 21 cos 2
坑道的开挖使坑道周边的围岩从二向（或三向）应力状态变成单向（或二向）应力状态，沿坑道周边的应力值及其分布主要取决于λ值。 λ=0时，即只有初始垂直应力时，拱顶出现最大切向拉应力，并分布在拱顶一定范围内。拉应力范围约出现在与垂直轴左右各300的范围内。随着λ的增加，拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减小。当 λ=1/3时，拱顶切向拉应力等于0。大于1/3后，整个坑道周边的切向应力皆为压应力。λ在0~1/3之间时，拱顶（拱底）范围是受拉的。拱顶可能发生局部掉块和落石，但不会造成整个坑道的破坏。在侧壁范围内，λ在0~1.0之间时，周边切向应力总是压应力，而且总比拱顶范围的应力值大。侧壁处较大的压应力是造成侧壁剪切破坏或岩爆（分离破坏）的主要原因之一，而且常常是整个坑道丧失稳定的主要原因。当λ=1时，坑道周边围岩各点的应力皆相同。为一常数（2σz）对圆形坑道稳定有利。
z 1 2 pa 2 z 1 2 pa 2
当λ=1时
e 当λ=1时，坑道周边位移为： u a
z pa
2G
a
这也是弹性应力状态下坑道周边位移与支护阻力之间的关系
导论
弹性应力状态下应力与位移分布
支护结构也承受pa的作用，当支护结构的厚度大于0.04倍的开挖跨度时，支护结构的应力和变形可用弹性力学厚壁圆筒的计算公式，此时仅作用有外压力 pa。假设λ=1。
3、其他围岩压力计算方法简介
导论

超大断面隧道软弱破碎围岩空间变形机制与荷载释放演化规律_李利平

ION MECHANISM AND LOAD RELEASE EVOLUTION LAW OF SURROUNDING ROCK DURING CONSTRUCTION OF SUPER-LARGE SECTION TUNNEL WITH SOFT BROKEN SURROUNDING ROCK MASSES
Abstract： A large scale 3D geomechanical model test is made based on the Liangshui tunnel of Lanzhou—Chongqing Railway to investigate the stability of surrounding rock masses of super-large section tunnel through soft broken
收稿日期：2012–04–10；修回日期：2012–05–06 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51139004)；铁道部科技研究开发计划资助项目(2009G005–C)；中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室开放基金项目(SKLGDUEK1105) 作者简介：李利平(1981–)，男，博士，2004 年毕业于山东科技大学工程力学专业，现任副教授、硕士生导师，主要从事地下工程地质灾害灾变机制与控制方面的教学与研究工作。E-mail：yuliyangfan@。通讯作者：李术才(1965–)，男，博士，现任教授、博士生导师。E-mail：lishucai@
，
岩 1，张骞 1
(1. 山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南 250061；2. 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州 221008；3. 铁道部工程设计鉴定中心桥隧咨询部，北京 100038)

公路隧道围岩压力研究与发展

ｌ３ｎ３ＱａｆｇＹＮｈｇｕ，Ｈｅｕ ·ＷＮｕ一ｏ。ＡＧＹ一ｉｕＨｉｎ，ｃｚｏ一ｎ．ｕＨ一ａ，ＡｃＨａａＹＮａｍｎ一，Ａｅｎｃｚｈ，２
【．ｅ月记ｏ晓Ｏｃｎ以Ｅｎｒ，ｎｉ诚ｒＳａａＺＸ２ｐＲＣ￡；１Ｄ心刀ｎｆｔｈｉ呼ｅｉＴ百Ｕｓｈ咭ｈｉ创珍，．．ｎｌｔｅｃｇｎｏｎ妙，ｈａ２犬站刚。ｆ晓ｏｃｉｌ矛１ｅｎ，挤Ｕ讹。ｓａｈｉ《刃，Ｒｃｉ．妙五。仃ｏｔｈｃＥ刀ｒ几侧ｎ妙，了ａＺ】２Ｐ，ｎｅｎａ烤ｅｇｉｈ活叉．ｈａ３跳。ｒＨｈａｓ即＆ｅ加ｔｏｃｉ，加７加７，ＲＣｉ）．Ｆｉｔｓ心ｗ “ ｅＤ３ｙｙ妙ｔｉｆｈｎＸ１５Ｐ．ｎ晓ａｉ．ｈａＡｓＣ：ｔｓ万山ｃｌｏａ沮ｒｅｒｎｈｕｄ叱Ｉｉｖ币ｕｔｃｃａｏｄｔｉｔｓｎｉ舰ｋＰｓ比Ｏｒｔｅｂｃｓｏｂｔｔａｒｅｔｌｔｅｅｅｅｒｍｏｅｕｒｓｆｏｕｌａｅｄａｎｅｕｆｃｍｌａｏａｄｒｄｍｅｏｔｒｋｍｓｈｔ，ａｍｔｏ脚ｕｄｓｓ，ｏｄｃｎｉｎａｄｃｎｏＰｃｎｎａｏｎｓｆｈｏｉｉｔｎｓｅｃｓｒｒｒｅｆａｃａｅｐｅｒｃｎｔｓｂｕ呵ｏｔｎｏ－ｅｒｎｄｉｏｓｃｏＰ５Ｓｃｔ２ｔｅｔ，ｏｏｓｏｈｂｎｔ户ｇｔｍｄ祀ｔｎｅｈｔｎｗｔｔｎ，５ｉｈ０ｎ呵ｌｓｃｏａｅｓｎｉｆｉｎａ俪ｔｈｅｕｒｉ．ｎｅｈｃｅｔｆｈｌｅｖｄｕｏｒｅｆｌｇｅｔｈｉａｄｍｔｐｆｎｙｓｃｓｍｌｅｎ一ｒｓｔｄｆａｏ一哪ｓ曲ｄｆｍｔｅＰｒｅｎ甲ｅｅｈｒｕ山．ｕｈａｆｏｎｇｐｓｏｏｔｎｐｕｃｎｄｏｅｏｏｒｓｏｉｅｕｅｒｉｅｒｍｅｒｌｈｘｉ习ｅｅ－ｅｆｕｔｔｂｋ吻ｓｍｔ，ｄａｙｓｐｕｔｎｈｅｅａｕｄＨｅ衍ｈｒｅｍｃｒａｅｃｎｓｏｎｎｏｌｏｈａａｉｅｈａｍｎｒｅｄｅ二ｈｒｃｏａｂｎｃｉ．ｏｒｔｍｅｄｅｉｓｖｅｑ二ｗ，ｏｖｅｎｍｏｌｉｎ魂ｅ娜５ｓｔｆｕｅｔｔｃｔａｕｎｍｔｏｕｄａｄ，ｃｐｘａｄｌｃ一ｅｉｏｔｎｓｏ，ｕｎｃｃ丽ｏｅｏｓｓｎ飞，ｋｍｅｔｙｃｏｎｌｒ二ｒｎｕｅｌｌｈｆｒｉｄｏｐｓｃｎａｗｒｅｅｓｃｓｃｏＯｒｔｎｉｌｄｒ．ｅｆｅｄｅｐｅｏｍｒ伞ｅｕｎｔｓｈｒｓａｏｎｅｔｎｅｏｏｔｔｎｏｕｅｎａｅｅＴｒｒｅｍｎｆｏｅｒｄｆｎｒｉｆａｎｌｒｇｅｈｅ，ｖｕｄｅｓｏｏｌｔｅｐｉｃｃａｏｍｔｄｓｕｄｇｃｐｓｒｉａｉ而ｎｔｅｃｒｎｙＩｔｓ叩ｅ，ｅｍｉａ娜ｒａ己ｉｅｈｏｕｎｉｏｋ二ｓｓｍｅｎｄｕｔ．ｎｈｐｒｔｅｐｃｅｔａｌｔｎｏｆｒｎｍｕｎｅｎｅＴｌｅｉｈｉｒｌｏａｔｏｔａａｌｉ，ｎｓｕｅｕｍｎｍｄ一却ｒｅｂｃｎｓａｈｅｏｔｏｔｆ己，ｈｒｉｃｕｔｎｉ一ｉｍａｒｅ，ｏｌｅｅｍｎ，ａａｙｓｔｍｔｓｏｂｎｍｒｅｃｌａｏｅｌｃｔｓｅｔｓｉｔｋａｉｓｅｈｌｄｉａｓｕｄｇＰｓｒｏｔｎｌｒ即ｅｚａａａｚ，ｄｈｐｂｍＯｔｓｍｔｓａｏｏｔｕｎｉ，ｋｒｓｆｕｅａｎｅｎｎｌｅａｔｏｌｓｈｅｅｏａｌｐｉｍｒｎｅｕｅｎｅ耐ｉｄｄｙｄｎｅｅｆｅｈｒｓｎｄｅｄｅｏｔｎｄｃｓｄＴｅ，ｈａｐｃｉｙｅｐｃｆａｏｓｎｉｏｋｓｏｒｄｄｌｕ－ｕａｉｕｅ，ｎｔｐｌａｌｏｍｉａｏｓｆｕｄｃｖｓｆｏａｒｗｎｄｓｓｈｅｉｂｔｆｉｉｒｌ加ｄ即ｕ雌ｒｒｕｅｒｅａｎａ盯ｔｉ

大断面泥岩隧道受力模式及施工对策分析

1cm 向净空侧的水平位移，因而内力分
布有所差异。考虑隧道受力模式的计算
分析结果为轴力与弯矩共同作用的组合
图3
计算工况初支内力沿洞周分布云图
应力下发生压剪破坏，因而仅列出了受
差异，工况一的最大弯矩位于墙脚约束
土围岩侧受拉为正，净空侧受拉为负。
力主控项的内力分布云图，两种计算工
上方 1.0m~1.2m，而工况二的最大弯矩
B 为隧道跨度；i 为 B 每增减 1m 时的围
为保障施工安全，现场暂停掌子面
岩压力增减率，当 B＜5m 时，取 i=0.2，
段不稳定混凝土结构，并采用喷混凝土
当 B＞5m 时，取 i=0.1；λ 为地层侧压力
复喷加固，同时继续施工拱墙二衬，进一
系数，对 V 级围岩取 λ=0.3~0.5，计算中
取 0.4。得到的规范设计荷载计算值如
与高含水率泥岩的膨胀压力组合。初期
系、侏罗系泥岩的膨胀压力对于红色泥
支护采用梁单元 beam188 进行模拟，围
岩，平行层理面的膨胀压力为 0.17MPa
岩提供的地层反力采用 link10 单元进行
～0.26MPa，而垂直层理面的膨胀压力
模拟，考虑围岩-初支的实际受力模式，
为 0.11MPa～0.37MPa;在试验初期，膨
初支破裂现场情况
V
弹性抗力系水平均布压
数 kMPa/m
力系数
150
0.4
埋深/m
220
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围岩重度
γkN/m3
18
表1
垂直荷载
kPa
水平荷载
kPa
258.941
103.576

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当导洞埋深 H i / hqi 时:
qi = iH i
当导洞埋深 hqi < H i < H pi 时:
qi =
iH i ( 1-
Hi bi
% ∀t an
#)
∀=
t an
∃[ 1+
t an
tan ∃- t an !c ∃( t an !c- tan #) +
t an
!ct an
#]
t an ∃= tan !c+
根据泰沙基理论, 引入影响系数 i 后, 各导洞的
垂直均布荷载为 qi :
qi =
ai i( K tan
C ai !
)ห้องสมุดไป่ตู้
(
1-
e ) - K tan !% H i / ai
+ P ei - K tan !% H i/ ai
ai = bi + hi t an ( 45)- !/ 2)
式中: qi 分别为对应 3 个导洞的上覆垂直均布
垂直均布荷载 q0 为:
n
∋ q0 =
i % qi =
i= 1
水平荷载 e 为:
n
∋ q2i bi
i= 1 n
∋ qib i
i= 1
e1 = q0 % t an( 45)- !/ 2)
e2 = e1 + h0 % t an( 45)- !/ 2)
n
∋ h0 =
ih i
i= 1
( 2) 按泰沙基理论计算求解松动荷载。
( 中交第一公路勘察设计研究院有限公司西安市 710075)
摘要: 特大断面隧道施工开挖工序复杂, 同时也导致结构受力复杂, 以往的状态设计理念已不适用于特大断面隧道。结合特大断面隧道施工特点, 提出了过程设计理念, 同时对过程设计理念隧道荷载确定方法提出实现思路和进行公式推导。分析比较结果表明, 过程设计理念较状态设计理念的隧道荷载更符合特大断面隧道现场情况, 具有一定的可靠性和实用性。
qi , 引入影响系数 i , 则各导洞的垂直均布荷载为:
qi =
%i f
bi 2
+
hi
% t an
( 45)-
!/ 2)
式中: qi 为对应导洞的上覆垂直均布荷载; bi 为
对应导洞的几何宽度; hi 为对应导洞的几何高度;
为岩石重度; !为内摩擦角; f 为普氏系数; i 取值为
1, 2, 3, ∗, n, 其中 n 为简化后导洞的个数。
针对不同的开挖方法, 应该根据其施工步骤进
收稿日期: 2009- 06- 22
[ 2] 中交第一公路勘察设计研究院有限公司单洞四车道特大断面公路隧道设计与施工技术研究[ R] 2007
[ 3] 谢东武特大断面大跨隧道断面形式与支护参数优化[ D ] 上海: 同济大学, 2007
布荷载; bi 为导洞宽度; S s 为所有导洞洞顶总荷载; n 为导洞个数。 1 2 2 计算公式的推导
= 1 表明两导洞之间相互独立, 互不影响是经验系数, 它与导洞之间的距离( 1 ) , 后行导洞的几何形状如开挖高度与开挖宽度的比值
采用过程设计理念荷载模式与!公路隧道设计规范∀( JT G D70- 2004) 推荐的荷载模式相同, 即顶部为垂直均布荷载, 两侧为梯形或矩形分布荷载。
道设计规范∀( JT G D70- 2004) 表 E 0 2 取值。
力为准, 当 B< 5 m 时, 取 0 2, 否则取 0 1; i = 1, 2,
3, ∗, n, 其中 n 为简化后导洞的个数。垂直均布荷载 q0 为:
n
n
∋ q2i b i
∋ q0 =
i % qi =
i= 1 n
i= 1
∋ qi bi
i= 1
水平荷载 e, 根据!公路隧道设计规范∀ ( JT G
垂直均布荷载 q0 为:
n
∋ q0 =
i % qi
i= 1
水平荷载 e 为:
e1 = q0 t an( 45)- !/ 2)
e2 = e1 + h0 % tan( 45)- !/ 2)
n
∋ h0 =
ihi
i= 1
( 3) 按!公路隧道设计规范∀( JT G D70- 2004)
计算求解松动荷载。
按照!公路隧道设计规范∀( JT G D70- 2004) ,
目前, 能够产生松动荷载的区段, 规范认为是 #~ ∃ 级围岩。在这样的围岩级别中, 主要采用双
侧壁导坑和单侧壁导坑开挖方法, 或者这些方法的变种形式。因此, 特大断面隧道的荷载计算可以简化和抽象为 2 导洞、3 导洞或多导洞的几何形式。这些简化后导洞的宽度、高度应基本符合实际的开挖宽度和高度。以双侧壁导坑为例, 简化和抽象结果如图 1 所示。
对深埋、浅埋情况进行分别推导。
+ 深埋情况。 qi = 0 45 , 2s- 1 , i % [ 1+ I % ( bi - 5) ] 式中: qi 为垂直均布压力, kN / m2 ; s 为围岩级别; 为围岩重度, kN / m3; I 为跨度每增减 1 m 时
的围岩压力增减率, 以 B = 5 m 的围岩垂直均布压
D70- 2004) , 见表 1。
表 1 围岩水平均布压力
围岩级别
#
水平均布压力 e ( 0 15~ 0 3) q
− ( 0 3~ 0 5) q
∃ ( 0 5~ 1 0) q
. 浅埋情况。根据!公路隧道设计规范∀( JT G D70- 2004) 中公式 E 0 1- 3, 各导洞浅埋分界线为: H pi = 2 5hqi hqi = qi
式中: qi 为各导洞的松动荷载; bi 为导洞宽度;
H i 为导洞的上覆土厚度( 埋深) ; !c 为围岩计算摩擦
角; 为岩石重度; max ( x ) 取最大值。以上各参数根据! 公路隧道设计规范∀ ( JT G
D70- 2004) 表 A 0 4- 1 进行取值, #根据!公路隧
( 2 ) , 地下水、地表水、初始应力场( 3 ) , 先行导洞支
荷载大小的求解思路为: 第一步, 对导洞引起的
2009 年第 10 期
宫成兵等: 过程设计理念荷载及围岩压力在特大断面公路隧道设计中的应用
( 345 (
松动荷载进行组合, 得到总体垂直松动荷载( 这一步
引入影响系数 ) ; 第二步, 将不均匀垂直荷载归一化, 即换算成均布垂直荷载, 换算时引入权系数 ;
关键词: 特大断面; 公路隧道; 过程理念; 荷载; 围岩压力
龙头山隧道位于同三、京珠国道主干线绕广州东环高速公路, 为分离式双洞八车道公路隧道, 设计速度 100 km/ h。隧道净宽 18 0 m, 净高 5 0 m, 单洞总长 2017 m ( 左线长 1 010 m, 右线长 1 007 m) , 断面最大开挖面积 230 m2 , 最大开挖宽度为 21 47 m, 开挖高度 13 60 m, 断面扁平率( 含仰拱) 为 0 63, 是典型的特大断面公路隧道。
[ 4] 蒋树屏, 黄伦海, 胡学兵超大断面公路隧道的设计与研究[ J] 地下空间与工程学报, 2005, 1( 1) : 54- 61
[ 5] 蒋树屏, 胡学兵云南扁平状大断面公路隧道施工力学响应数值模拟 [ J] 岩土工程学报, 2004, 26 ( 2) : 178- 182
第三步, 依据不同方法的推荐侧压力系数或计算公
式, 计算求得两侧分布荷载。
简化模型的导坑按其开挖先后顺序进行编号,
如导洞 1、导洞 2、导洞 3 等。其次将每个导洞的松动荷载被后续导洞开挖影响分别表示为: 1 、2 、3 。
下面给出当前较为常用的几种计算方法所采用的荷
载求解公式。
( 1) 按照普氏理论计算求解松动荷载。根据普氏理论, 各导洞开挖产生垂直均布荷载
( t an2 !c+ 1) tan !c t an !c- tan #
( 346 (
公路
2009 年第 10 期
垂直均布荷载 q0 为:
n
∋ q0 =
i % qi =
i= 1
水平荷载 e 为:
n
∋ q2i bi
i= 1 n
∋ qib i
i= 1
e1 = ∀% max ( H i )
e2 = ∀% max ( H i + hi )
目前隧道围岩压力的计算方法众多, 但是, 以往的计算方法都是认为隧道为一次开挖而成, 仅考虑了最终状态, 没有考虑施工方法、开挖顺序对围岩压力产生的影响。这些计算方法及思路采用的是状态设计理念, 适用于跨度较小的隧道。实际上, 施工过程对荷载影响很大, 而荷载的分布和大小直接影响支护参数, 可见以往的计算方法已不适用于特大断面隧道。
荷载; K 为侧压力系数, 一般取 1 0; H i 为各导洞洞
室的埋深; C 为岩石黏聚力; 为岩石重度; ai 为各导洞洞顶塌落宽度的一半; bi 为洞室宽度; hi 为洞室高
度; P 为地面附加荷载; 下标 i 表示导洞序号, i = 1,
2, 3, ∗, n, 其中 n 为简化后导洞的个数。
考虑到特大断面隧道施工开挖工序复杂, 设计时提出了过程设计理念, 即考虑施工过程影响, 并结合施工步骤进行荷载计算和结构设计。过程设计理
念重点考虑了隧道施工过程对荷载的影响, 设计荷载不再是单一的一次开挖荷载, 而是多次开挖工序引起的松动荷载综合作用的结果。