CN106383945A - 隧道与地下空间深、浅埋垂直围岩压力通用设计计算方法 - Google Patents

Abstract

一种隧道及地下空间深、浅埋垂直围岩压力通用设计计算方法，包括下述步骤：第一、确定隧道与地下空间形状及尺寸：埋深(H)、毛洞半宽(α)、地层滑动面半宽(α₁)、洞高(y)、洞长(L)；第二、根据隧道与地下空间地质情况及所处围岩分级，确定物理参数：围岩粘聚力(c)、内摩擦角重度(γ)、泊松比(μ)、初始侧压力系数(ξ)；第三、根据以上已知物理参数，计算设计如下内容：3.1、深浅埋洞室顶部的平均垂直地压δ_平；3.2、深浅埋分界深度H_max，当埋深＜H_max时，为浅埋隧道；当埋深≥H_max时，为深埋隧道；3.3、浅埋洞室的垂直地压。该方法在深浅埋分界线处不产生荷载“突变”现象，经大量工程实测与验证，与实际情况非常吻合。

Description

隧道与地下空间深、浅埋垂直围岩压力通用设计计算方法

技术领域

本发明属于隧道与地下空间围岩压力计算与设计技术领域，具体是隧道及地下空间深、浅埋垂直围岩压力通用设计计算方法。

背景技术

《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004，以下统称《规范》)对隧道深、浅埋的判定及竖向围岩压力的计算给出了相应的公式：隧道荷载计算按照荷载等效高度进行判断：H_p＝(2～2.5)h_q(式中H_p：深、浅埋隧道分界深度；h_q荷载等效高度)。研究发现，此公式计算会在深、浅埋分界线处产生荷载突变，即分界深度处，从浅埋到深埋，存在荷载的“跳跃”，这与工程实际情况不符。究其原因，是按照该公式在具体应用时的假定条件不同造成的：当H_p≤h_q时，计算不考虑粘聚力c和内摩擦角的影响；当h_q＜H_p≤(2～2.5)h_q时,计算不考虑粘聚力c的影响；当隧道判定为深埋时，笼统地通过围岩级别考虑内摩擦角和粘聚力c的作用。为简便起见，对《规范》计算隧道V级浅埋围岩压力计算见表1、图1列举对比如下：

表1 《规范》隧道Ⅴ级围岩压力计算表(KPa)

隧道埋深(m)	15	20	25	30	35	40	46	50	55
										《规范》计算值(Mpa)	270.16	319.8	391.5	459.4	522.5	571.9	628.3	339.6	340.2

图1中，点划线为按照规范公式计算V级围岩对应不同埋深的围岩压力计算值，存在“浅埋区域段”、“突变段”、“深埋区域段”。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种隧道及地下空间深、浅埋垂直围岩压力通用设计计算方法；该设计计算方法建立在多客观因素基础上的立体极限围岩压力理论，通过对岩土数据的离散性、深浅埋分界深度合理计算、围岩承载范围、围岩变形和破坏的机理等问题分析的基础上，提供了客观多因素围岩压力设计计算方法；为安全、优质、快速地设计和修建地下工程提出了可行的实用计算方法，使隧道工程设计从工程类比经验方法向理论计算指导工程实践前进了一大步。

本发明解决上述技术问题所采取技术方案如下：一种隧道及地下空间深、浅埋垂直围岩压力通用设计计算方法，包括下述步骤：

第一、确定隧道与地下空间形状及尺寸：埋深(H)、毛洞半宽(α)、地层滑动面半宽(α₁)、洞高(y)、洞长(L)；

第二、根据隧道与地下空间地质情况及所处围岩分级，确定物理参数：洞形围岩粘聚力(c)、内摩擦角重度(γ)、泊松比(μ)、初始侧压力系数(ξ)；

第三、根据以上已知物理参数，计算设计如下内容：

3.1、深浅埋洞室顶部的平均垂直地压：

3.2、深浅埋分界深度：当埋深＜H_max时，为浅埋隧道；当埋深≥H_max时，为深埋隧道；

3.3、浅埋洞室的垂直地压通用公式：

式中：L为下沉土柱长，下沉土柱长宽比为n＝L/2α₁；进深影响系数n'＝2n/(1+2n)；侧压力系数ξ＝μ/(1-μ)。

本发明即隧道及地下空间深、浅埋垂直围岩压力通用设计方法，其中涉及的计算公式依据推导如下：

参见图3，图中：L为下沉土柱长，为洞口部至掌子面长度即施工进深，也即洞长；Z为土柱单元长度；设下沉土柱长宽比为n，因为n＝L/2α₁，所以L＝2α₁*n；下沉土柱重Q＝2α₁*L*H*γ＝4α₁*n*H*γ；

(1)土柱两侧和掌子面上所产生的摩擦力和粘聚力之和为T，则：

(2)深浅埋洞室顶部的平均垂直地压公式为：

(3)深浅埋分界深度公式

假设地层中任意位置都可能产生裂缝，当水平裂缝位置与最大地压的起始埋深一致时，可以得到荷载沿埋深变化的极限值。

令dδ/dH＝0，则有故可得最大地压的起始埋深，即深浅埋分界深度H_max：

H_max即深浅埋分界深度，式中n'＝2n/(1+2n)……n'命名为进深影响系数。

(4)浅埋洞室的垂直地压通用公式

式中：α₁为地层滑动面半宽，α为毛洞半宽， 为地层内摩擦角；y为洞高；γ为重度；H为埋深；ξ为侧压力系数；c为粘聚力。

本发明按照新型围岩压力理论建立在多客观因素基础上的立体极限围岩压力计算理论。其设计方法在深浅埋分界处没有该“突变”，经与山西、陕西、河南、甘肃、上海、安徽、广东深浅埋洞室的工程实测地压统计数据计算分析比较，非常吻合。其计算结果与现行《规范》的经验方法相比，更加符合实际情况，考虑的因素更明确具体，有更好的适用性和准确性。

本发明建立了客观能反映多因素指标的立体围岩压力设计计算方法，包括埋深(H)、半洞宽(α)、地层滑动面半宽(α₁)、洞高(y)、洞长(L)、围岩粘聚力(c)、内摩擦角重度(γ)、泊松比(μ)、初始侧压力系数(ξ)等十项影响因素(在设计计算中，还需要考虑粘聚力降低系数K_c，该系数需要根据施工震动、地下水影响、自然风化等因素根据经验综合确定)。该设计计算是目前国内外所有围压设计计算方法中考虑客观因素最多、经验因素所占比例最少的设计方法，经对多年来收集到的1300多个实测围岩压力、实测塌方荷载、实测承载能力、实测变形数据的对比，相关系数均在0.9以上,最大误差在-8.1～34.5％之间变化,与实测围岩压力值对照平均误差仅为6.2％左右。

附图说明

图1《公路隧道设计规范》计算V级围岩垂直压力随隧道埋深变化图；

图2三种方法计算V级围岩垂直压力对比图；

图3隧道围岩压力立体空间分析模型。

具体实施方式

实例验证1，京广线双线隧道地压量测及其结果：隧道宽*高＝B*H＝13.1m*10.85m(广州铁路局林培源《地下工程1979年6期》)，围岩类别：VI级；埋深(H＝30m)，毛洞半宽(α＝6.55m)，地层滑动面半宽(α₁＝13.409m)，洞高(y＝10.85m)，洞长(L＝714m)，围岩粘聚力(c＝260KPa)，内摩擦角重度(γ＝21.7KN/m³)，泊松比(μ＝0.45)，初始侧压力系数(ξ＝0.818)，粘聚力降低系数(K_c＝0.25)。(已知实测垂直围岩压力209.4Kpa，水平围岩压力330Kpa)。

1、先根据已知条件求得长宽比n值、进深影响系数n'值、围岩粘聚力c值：

n＝L/2a₁＝714/(2*13.409)＝26.624

n'＝2n/(1+2n)＝(2*26.624)/(1+2*26.624)＝0.982

考虑围岩粘聚力降低系数后，粘聚力c值为：c*K_c＝260*0.25＝65Kp_a

2、深浅埋分界深度判断：

根据式3：

本隧道埋深为30m，判断该隧道为深埋隧道。

3、深浅埋洞室顶部的平均垂直地压计算：

根据式2：

4、浅埋洞室的垂直地压计算(通用公式)：

根据式4：

5、对比(垂直围岩压力)：

(误差4.6％，其中209.4为实测的垂直围岩压力数据)。

实例验证2；超大断面南梁隧道2级围岩压力实例(河北交通职业技术学院、河北省交通规划设计院实测垂直围岩压力146.67Kpa)：

京广线双线隧道地压量测及其结果：围岩类别：II级；埋深(H＝250m)，毛洞宽(2α＝23.34m)，毛洞计算高(y＝13.95m)，洞长(L＝940m)，围岩粘聚力(c＝220KPa)，内摩擦角重度(γ＝26KN/m³)，泊松比(μ＝0.23)，初始侧压力系数(ξ＝0.29)，粘聚力降低系数(K_c＝1)。

1、先根据已知条件求得地层滑动面宽2a₁、长宽比n值、进深影响系数n'值、围岩粘聚力c值：

n＝L/2a₁＝940/(2*16.75)＝28.064

n'＝2n/(1+2n)＝(2*39.053)/(1+2*39.053)＝0.982

考虑围岩降低系数后，粘聚力c值为：c*K_c＝220*1＝220Kp_a

2、深浅埋分界深度计算：

根据式3：

3、深浅埋洞室顶部的平均垂直地压计算：

根据式2：

4、浅埋洞室的垂直地压计算(通用公式)：

根据式4：

5、对比(垂直围岩压力)：

(误差-0.542％，其中146.67为实测的垂直围岩压力数据)。

实例验证3；15.6m跨软质石灰岩机库算例(地下工程支护结构p₂₂₈)(实测垂直围岩压力96Kpa)：

隧道地压量测及其结果：围岩类别：IV级；埋深(H＝50m)，毛洞洞宽(2α＝15.64m)，洞高(y＝7.52m)，洞长(L＝50m)，围岩粘聚力(c＝110KPa)，内摩擦角重度(γ＝24KN/m³)，泊松比(μ＝0.32)，初始侧压力系数(ξ＝0.1)，粘聚力降低系数(K_c＝0.9)。

1、先根据已知条件求得地层滑动面宽2a₁、长宽比n值、进深影响系数n'值、围岩粘聚力c值：

n＝L/2a₁＝50/(2*9.487)＝2.635

n'＝2n/(1+2n)＝(2*2.635)/(1+2*2.635)＝0.841

考虑围岩降低系数后，粘聚力c值为：c*K_c＝110*0.9＝99Kp_a

2、深浅埋分界深度计算：

根据式3：

3、深浅埋洞室顶部的平均垂直地压计算：

根据式2：

4、浅埋洞室的垂直地压计算(通用公式)：

根据式4：

5、对比(垂直围岩压力)：

(误差7.66％，其中96为实测的垂直围岩压力数据)。

以上三个计算实例验证结果表明，围岩垂直压力均与实测值非常接近。本公式经不同方法、不同大量的实际工程样本的检验与验证，结论与实测值吻合良好，结论如下：

1、用实测塌方高度检验，检验样本数357个，相关系数0.999，最大误差7.6％左右；

2、用实测承载力检验：检验样本数47个(垂直压力38个，水平压力8个，动态1个)，相关系数0.998，最大误差-8.1～34.5％。

3、用自建试验工程检验：检验样本数1项(双车道黄土公路隧道—新庄岭隧道)，原设计厚80～100，实测45～65cm可承载89.5％，计算65cm承载100％，计算418KPa和297KPa；实测424KPa和238～301KPa。

4、用他建试验工程检验：检验样本数111项(复合式衬砌10项，整体式衬砌101项)，相关系数0.993，最大误差-6.3～9.1％。

5、用天然洞室稳定检验：检验样本数13项(黄土洞室自稳6，围岩隧道自稳6，大型天然岩洞1)，与条例、规范符合，也与大跨度天然洞室吻合。

实例验证4；图2为甘肃某四线扁平Ⅴ级围岩隧道围岩压力计算对比图。本图分别采用“规范公式”、“太沙基公式”、“本发明公式”计算不同埋深围岩压力值进行分析对比验证。经与实测值对比，本发明公式计算结论更接近实测值，而且计算荷载连续，不出现“拐点”。具体计算围岩压力列举对比如表2：

表2 三种不同方法计算围岩压力与实测值对比表(KPa)

隧道埋深(m)	15	20	25	30	35	40	46	50	55
										《规范》计算值(Mpa)	270.16	319.8	391.5	459.4	522.5	571.9	628.3	339.6	340.2
太沙基理论计算(Mpa)	189.3	238.6	288.5	331.7	358.5	388.1	417.3	420.2	454.8
										本发明公式计算(Mpa)	210.6	272.4	318.7	370.6	392.1	421.3	440.4	452.5	460.4
实测数值(Mpa)	209.5	270.1	319.3	369.8	391.9	422.1	439.3	452.2	459.6

从图2与表2得出结论如下：

1、本发明公式计算围岩压力考虑了10项客观参数和1项经验参数，考虑因素明确具体，计算结果更符合实测值，与工程实际情况吻合良好。

2、本发明公式计算围岩压力数值连续，在深、浅埋分界处不出“突变”和“拐点”，符合工程实际情况，比“《规范》公式”与“太沙基公式”计算围岩压力有更好的适用性和准确性。

Claims (1)

1.一种隧道及地下空间深、浅埋垂直围岩压力通用设计计算方法，包括下述步骤：

第一、确定隧道与地下空间形状及尺寸：埋深(H)、毛洞半宽(α)、地层滑动面半宽(α₁)、洞高(y)、洞长(L)；

第二、根据隧道与地下空间地质情况及所处围岩分级，确定物理参数：围岩粘聚力(c)、内摩擦角重度(γ)、泊松比(μ)、初始侧压力系数(ξ)；

第三、根据以上已知物理参数，计算设计如下内容：

3.1、深浅埋洞室顶部的平均垂直地压：

3.2、深浅埋分界深度：当埋深＜H_max时，为浅埋隧道；当埋深≥H_max时，为深埋隧道；

3.3、浅埋洞室的垂直地压通用公式：

式中：L为下沉土柱长，下沉土柱长宽比为n＝L/2α₁；进深影响系数n'＝2n/(1+2n)；侧压力系数ξ＝μ/(1-μ)。