隧道围岩稳定与支护设计分析

隧道围岩稳定与支护设计分析

1．前言

福厦铁路是我国东南沿海干线的组成部分，已列围我国一级干线；该线的建设将完善福建省及我国东南路网，促进铁路沿线各市县经济的发展，为形成海峡西岸经济繁荣带创造有利条件。天马山隧道全长3622m， 沿线经7条断层，地质条件复杂，勘察和设计工作难度较大；对于洞室围岩稳定分析研究，上世纪五十年代前，主要采用弹性弹和塑性理论分析计算围岩压力、变形及稳定性。自五十年代以来，人们已认识到岩体的流变现象，于是又将流变理论引入到岩体力学，至七十年代，岩体流变特性及岩体流变地压的研究已非常活跃。八十年代以来，弹塑性和流变分析仍是主流。同时损伤、断裂、扩容及膨胀耦合作用等围岩力学模型已成为研究的热点；本论文在此根据新奥法理念采用弹塑性理论对天马山隧道最大埋深处围岩进行稳定性分析。

2．域地质环境条件

福厦铁路经过的福州至厦门一带，是福建省主要经济发达区。线路先后经过福州市、福清市、莆田市、泉州市、厦门地区，跨越闽江、乌龙江、龙江（融江）、里海河、迳江、秋芦溪、木兰溪、洛阳江、晋江、西溪河、后溪河等较大河流水系；区内福厦高速公路及324国道与铁路并行，多次交叉。除此之外，测区乡村公路四通八达， 阡陌纵横，水网密布，交通方便；天马山隧道地处福建东南沿海惠安县境内，地貌上属低山丘陵区。地形起伏大， 隧道全长3622m，最大埋深330m,属低山丘陵区,地形起伏大，地面高程一般30～387m，相对高差150～300m。自然坡度25～45°，坡陡沟深，沟谷多呈“V”字形。隧道区上覆地层主要为第四系全新统坡残积层粉质粘土，进口处厚4～10m，出口段厚2～6m。下伏基岩为侏罗系上统南园组凝灰凝灰岩， 节理裂隙发育，岩体较破碎，全风化及强风化层厚3～12m；石英闪长岩,中粗粒结结构，块状构造,其全风化及强风化层厚度大于10～20m；花岗岩，中粗粒结构，块状构造。该岩层仅分布于隧道出口右侧，全风化及强风化层厚5～20m；隧道位于长乐至诏安北东向断裂带中段，隧道区主要构造线走向均以北东向为主，北西向次之。本次野外调查资料对影响隧道区的主要断裂有七条断层，F1断层：与天马山隧道呈近平行走向，交角10°-15°，为一条先张后压的压扭性断层。F2断层：与天马山隧道呈40°相交，与隧洞左洞交于DK135+975m处，是一条经过多期次活动的断裂构造。F3断层：与隧洞轴线交于DK134+920m处，交角51°，带内岩石挤压明显，两侧侏罗系南园组（J3nc）晶屑凝灰熔岩硅化现象明显。F4断层：与隧洞轴线交于DK133+736m处，近直交，带内岩石极为破碎，岩石被挤压呈片状，呈明显的定向排列，其产状与断层面平行。F5节理密集带：与隧洞轴线交于DK134+250m处，交角20-28°，为一系列平行排列的挤压片理带，节理面平直、光滑，延伸很远，呈闭合状，密度可达13-15条/米。F6节理密集带：与隧洞轴线交于DK135+396米处，交角65-75°，为一系列平行的挤压片理带，带宽15-20米，节理面平直光滑，延伸很远，呈闭合状，密度7-8条/米。F7断层：与隧洞轴线交于DK136+374m处，

交角40°，断层影响带附近岩石硅化强烈，质地坚硬，锤击声脆。隧道沿线在断裂破碎带或节理密集带发育地段，地下水相对富集，水质属HCO3—.CL-—Ca2+.Na+型，该水对混凝土具弱硫酸型酸性侵蚀性，对隧道施工产生不良影响；沿线无不良地质现象、特殊岩土、放射性及有害气体等，地表水库水对对该隧道影响较小。因此该隧道工程地质条件一般。

3．道围岩稳定性分析与涌水量预测

隧道围岩是否稳定决定于围岩应力重分布后的大小，包括环向应力和径向应力；其中环向应力是控制隧道破坏的主导因素。而在计算围岩压力的方法中，很多方法都带有经验性，对于深埋和钱埋隧道围岩压力计算方法也不相同。故对于天马山隧道，应先确定最大埋深处的埋深类别。根据计算深埋隧道围岩压力的经验公式 ｑ＝0.45ⅹ26-Sγｗ，参照该隧道岩石物理力学性质参数：密度γ=2.6g／cm³ 内摩擦角 Φ ＝30°内聚力Ｃ＝0.3MPa

抗压强度Ｐ＝50Mpa；可得：ｑ＝24.336ｔ／ｍ２，其等效深度为ｈp＝ｑ/γ＝9.36米。按照深浅埋隧道分界深度公式 Ｈp＝（2～2.5）hp 可得天马山隧道深浅埋分界深度在 18.72m～23.4m 之间，远小于330m, 故该处隧道为深埋隧道。

由于该处围岩为均一得凝灰熔岩，可假设隧道开挖后极短得时间内，围岩仍处于弹性变化状态，且介质连续，各向同性 则根据应力重分布公式 σr＝1/2(1+λ)p[1-(a/r)²]＋1/2（λ-1）p(1-4a2/r2+3a4/r4)cosθ；σθ＝1/2(1+λ)P(1+a2/r2)-1/2(λ-1)p(1+3a4/r4)cosθ 可分别算得迅速开挖后洞室某半径处径向和环向压力。由该两公式可以看出：当所取半径为隧道半径时，所得环向压力为自重引起的原岩压力的2倍，于是带入勘察资料中所需的各参数得： σθ＝2p＝17134Kpa

根据岩体莫尔－库仑准则，当岩体强度包络线与岩体应力σθ、σr的莫尔圆相切时，岩体进入塑性状态，有公式

（σθ－σr）/2＝[(σθ+σr)/2+Cctgφ]sinθ 变换后可得：

σθ＝2Cctgφsinθ/(1-sinφ) 参照规范带入 C 、φ 值，得

σθ＝1039.2Kp ＜ 2P＝17134ＫPa 所以围岩不稳定。

围岩应力超过弹性强度极限，围岩不稳定，必然发生破坏；从周边到岩体深处某一范围内将出现塑性变形区，相应半径R称为塑性区半径，径向力随着塑性区的扩大渐渐减小,为阻止塑性区严重扩大，需提供一力来平衡径向压力，即支护力。所以根据修正芬纳公式有

Ｐｉ＝-C ctgφ+[(C ctgφ+Ｐ。)(1-sinφ)]ｒ。2sinφ/R(1-sinφ)

该式说明了支护力大小Ｐｉ随Ｒ增大而减小，当给予围岩的支护力Ｐｉ越小时，则围岩体中出现的塑性区越大，但按照新奥法理念，不可能让塑性变形无休止发展下去，总要寻找一点作为最佳受力点，这就是新奥法柔性支护的出发点，是设计、施工中采取支护措施时要

积极利用的。故还要考虑松动压力。有卡柯公式：Ｐa＝-Cctgφ+Cctgφ(ｒ。/R)2sinφ/(1-sinφ)+γｒ。/(3sinφ-1)[1-(ｒ。/R)3sinφ/(1-sinφ)]

该式表示了洞顶轴线支撑力Ｐa与塑性半径Ｒ关系，Pa随R增大而增大，将芬纳公式和卡柯公式建立相等关系，可得理论上最佳支护力 Pｉ=Pa=0.207Mpa；同时得到塑性半径 R=10m 。

对于隧道涌水量预测由于未在隧道轴线上施工钻孔。在此采用

（1）大气降水入渗法：Q=2.74 a W A(m3/d) 得Q=8.424×103(m3/d)

（2）地下迳流模数法：Q=M×A 得：Q=7.197×103(m3/d)

故天马山隧道预测涌水量约8.424×103（m3/d）。

4．隧道开挖截面变形位移分析

对于弹塑性交界面上位移为：uB=(1+μ)Rsinφ(P。Cctgφ)/E

带入各参数及前面所求结果得：uB＝0.039m

对于洞壁位移，根据公式 ΔR ＝（1＋μ）sinφ(P。＋Cctgφ)r。{[P。(1-sinφ)+Cctgφ] /(Pi+Cctgφ)}(1-sinφ)/sinφ /E 带入岩石各物理力学参数及前面所求结果得:

ΔR= 0.105m

隧道截面位移分析结果，可以为监测工作提供依据。这样才能在为隧道提供初期柔性支护的过程中，尽可能使围岩在一定范围自由变形，充分发挥围岩的自承能力，根据监测情况判断围岩是否产生松动压力，力求达到最佳支护力。

5．隧道支护设计分析

高速铁路由于要求速度快，导致列车在隧道行驶中空气阻力很大，从而引起压力波，形成巨大噪音和震动，影响行车及旅客舒适度，因此在隧道截面尺寸设计中必须考虑阻塞比（列车截面面积与隧道净空面积比值）要求。天马山隧道要求行车速度为200 km/h，阻塞比按照我国高速铁路隧道阻塞比规定取0.43，列车尺寸：宽ⅹ高=3.4mⅹ4.8m，故所需最小净空面积为38 m2。

一般铁路隧道截面尺寸为 r1=222cm，r2=321cm，r3=935cm，a=70，b=220cm，Ф1=45度，Ф2=34度；净空面积约为30.3 m2 ，由于我国高速铁路还处在经验积累阶段，无标准尺寸做依据，这里天马山隧道截面尺寸仅参照京沪高速铁路隧道尺寸，结合一般铁路隧道设计如下：

r 1=300cm，r2=400cm，r3=1100cm，a=56cm，b=320cm，AE=470cm，AF=425cm

在计算衬砌内力过程中，取左半部分为研究对象，由于隧道左右对称，在拱顶处只有两个多余未知力，即正压力和弯矩，属二次超静定；根据结构力学方法，建立位移协调方程，依次可求得拱顶处的正压力为 3.42MN以及弯矩等于 14.125MN•m （外部受拉），进而可求出拱圈上任意截面处的内力，从而为衬砌混凝土厚度设计、钢筋配置提供最直接的依据。

6．结论

（1）隧道区岩性单一，主要为凝灰熔岩及花岗岩，但由于断层影响，工程地质条件差异很大，围岩级别从Ⅱ级到Ⅴ级均有分布，局部地方地下水相当丰富。

（2）按照铁路隧道规范对隧道围岩进行分类，通过新奥法理念按弹塑性理论分析得出围岩不稳定，计算合理支护力为0.207Mpa。，并进行衬砌设计分析。

（3）按照我国高速铁路隧道阻塞比要求，并参照已有高速铁路隧道作出隧道截面尺寸设计 ，据此按结构力学方法求出隧道拱圈各截面受力情况，为衬砌设计提供最直接依据