CN108681630B - 基于围岩压力连续的小净距隧道深浅埋判定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于围岩压力连续的小净距隧道深浅埋判定方法，属于隧道围岩技术领域。本方法首先结合已有的小净距隧道深、浅埋围岩压力的计算公式，然后通过分析埋深对小净距隧道围岩压力的影响规律，基于围岩压力的连续性，得到了小净距隧道深浅埋的判定方法。基于浅埋单洞围岩压力，建立获得考虑双洞先后施工过程的浅埋小净距隧道围岩压力模型。在深埋小净距隧道围岩压力的计算模型的基础上，考虑双洞净距对围岩压力作用模式的影响，将围岩压力的作用模式分为左右洞无影响、弱影响和强影响三种情况。本方法总结了小净距隧道深、浅埋条件下围岩压力的计算方法，分析了隧道几何尺寸、围岩条件和左右洞间净距等因素对临界埋深的影响规律。

Description

基于围岩压力连续的小净距隧道深浅埋判定方法
技术领域
本发明涉及一种基于围岩压力连续的小净距隧道深浅埋判定方法，属于隧道围岩技术领域。
背景技术
在一些隧道施工过程中，大断面小净距隧道的施工是隧道群工程施工过程中的难点。对于大断面小净距隧道而言，深、浅埋隧道围岩压力的作用模式有着显著的差异，进而支护结构的设计也会有很大不同。因此，在进行小净距隧道支护结构设计时，必须要进行深浅埋的判定。
关于隧道深浅埋的判定，国内外学者已经开展了一些研究。我国《公路隧道设计规范》中已经针对单洞隧道给出了超浅埋、浅埋和深埋的判定标准，并给出了相应的围岩压力计算模型和方法。郑颖人等采用数值模拟分析了隧道从浅埋到深埋的破坏过程，认为当隧道埋深达到某一深度后，隧道破坏从拱顶转移到侧壁时，该埋深即为深浅埋的界限埋深。吴铭芳等基于隧道开挖后是否能形成压力拱的原则，通过确定压力拱的内外边界，提出了隧道深浅埋的判定方法。曲星和李宁[4]基于松散介质理论，提出了考虑隧道尺寸影响的深浅埋划分方法。程小虎[5]在假定普氏理论破坏模式的基础上，采用极限平衡法，给出了土质隧道界限埋深的解析解，认为形成卸荷拱的最小埋深即为界限埋深。张佩等考虑了土体应力路径的相关性，通过对有限元软件的二次开发，分析了隧道开挖后的土压力拱效应，建议将洞顶土体竖向位移达到稳定时的埋深作为界限埋深。杨建民等和王明年等基于郑西客运专线大断面黄土隧道，通过分析现场实测数据，认为大断面黄土隧道的界限埋深应在40～60m。郭小龙和谭忠盛基于谢家烋公式，通过对郑西客运专线大断面黄土隧道实测数据分析，认为当谢家烋松动土压力公式达到极大值时的埋设即为黄土隧道的界限埋深。
然而，以上关于隧道深浅埋的研究主要是针对单洞隧道。小净距隧道是介于普通分离式隧道与连拱隧道之间的一种隧道结构型式，在应力场和位移场上存在相互影响，其设计和施工难度通常要远大于单洞隧道。对于小净距隧道而言，后行洞的开挖会对先行洞周围的土体的应力场和位移场造成二次影响，故单洞隧道深浅埋的判定方法对于小净距隧道而言已经不再适用。因此，为了能够给实际工程中小净距隧道支护结构的设计施工提供参考，有必要对小净距隧道深浅埋的判定方法进行研究判定。
小净距隧道围岩压力作用模式和计算方法直接关系到支护结构的选取和参数的确定，因此，在研究小净距隧道深浅埋判定方法之前，必须首先研究小净距隧道围岩压力的计算方法。肖明清承袭了谢家烋浅埋隧道的荷载计算原理，提出了左右两个隧道同时施工时的浅埋隧道围岩压力分析模型与计算方法。龚建武等在肖明清的基础上，考虑左右隧道先后施工过程中的影响，优化了原有的模型和方法。刘继国和郭小红基于普氏理论，提出了深埋小净距隧道围岩压力的计算方法。李鹏飞和王帆在刘继国和郭小红的基础上，考虑了左右洞几何不对称、结构不对称以及不同时施工的因素，推导了深埋非对称小净距隧道围岩压力的计算方法。
发明内容
本方法首先结合已有的小净距隧道深、浅埋围岩压力的计算公式，然后通过分析埋深对小净距隧道围岩压力的影响规律，基于围岩压力的连续性，得到了小净距隧道深浅埋的判定方法。
本发明采用的技术方案为基于围岩压力连续的小净距隧道深浅埋判定方法，该方法的实现过程如下：
(1)对于一个实际工程首先确定设计隧道的开挖断面参数即开挖跨度、开挖高度和埋深；其次，根据小净距隧道所处的围岩等级确定重度γ、内摩擦角
Figure BDA0001651343660000021
计算摩擦角
Figure BDA0001651343660000022
滑面摩擦角θ、中夹岩柱岩体抗压强度RP、放大系数k0。
(2)假设隧道所处的埋深情况分别为深埋和浅埋。
(3)在浅埋条件时，用浅埋的小净距隧道围岩压力计算公式计算围岩压力,记为Q1。
(4)在深埋条件时，根据公式计算该小净距隧道的临界净距，根据隧道净距与弱无临界净距和强弱临界净距的大小关系，确定隧道所处的影响区间，并代入对应影响区间的隧道围岩压力计算公式，计算得出围岩压力,记为Q2。
(5)比较Q1和Q2的大小关系，若Q1<Q2则此小净距隧道属于浅埋小净距隧道，若Q1>Q2则此小净距隧道属于深埋小净距隧道。
一.基于浅埋单洞围岩压力，建立获得考虑双洞先后施工过程的浅埋小净距隧道围岩压力模型，如附图1所示。
假设双洞先后施工中，左洞为先行洞，右洞为后行洞，先行洞和后行洞的开挖面跨度均为B，开挖高度均为T，B0为两隧道的净距，H0为两隧道的埋深，h为隧道拱底距地表的高度，先行洞外侧和后行洞外侧的水平压力相同，在拱顶和拱底处分别为e11、e12，先行洞内侧的水平压力在拱顶和拱底处分别为e21'、e22'，后行洞内侧的水平压力在拱顶和拱底处分别为e21、e22；先行洞外侧和后行洞外侧的竖向压力相同，均为q1，先行洞内侧的竖向压力为q* 2，后行洞内侧的竖向压力为q2。由于后行洞的施工必然对先行洞内侧的围岩压力造成影响，故而q* 2必然大于q2。此时认为最大竖向围岩压力q* 2为Q1，即先行洞内侧竖向围岩压力的计算公式如下。
Figure BDA0001651343660000031
其中：λ2′为先行洞内侧侧向水平压力系数，其表达式如下：
Figure BDA0001651343660000032
Figure BDA0001651343660000033
Figure BDA0001651343660000034
为计算内摩擦角；θ为滑面摩擦角；β1为破裂角。
二.在深埋小净距隧道围岩压力的计算模型的基础上，考虑双洞净距对围岩压力作用模式的影响，将围岩压力的作用模式分为左右洞无影响、弱影响和强影响三种情况。
(1)临界净距的判定
Figure BDA0001651343660000035
和
Figure BDA0001651343660000036
分别为强弱、弱无影响区的临界净距。
Figure BDA0001651343660000037
Figure BDA0001651343660000038
当小净距隧道净距小于强弱临界净距时，即
Figure BDA0001651343660000039
该小净距隧道处于强影响区间；当小净距隧道净距大于强弱临界净距，小于弱无临界净距时，即
Figure BDA0001651343660000041
该小净距隧道处于弱影响区间；当小净距隧道净距大于弱无临界净距时，即B0＞B0 &，该小净距隧道处于无影响区间。
(2)无影响时竖向围岩压力Q2计算公式为式(6)
q＝γH (6)
Figure BDA0001651343660000042
其中H为平衡拱高度，W为平衡拱与拱顶水平面交线的长度，B为单拱的跨度，T为单拱的高度，f为岩石坚固性系数。
(3)弱影响情况下的围岩压力作用模型如图2所示。其中：q为基本松散压力，q1'为弱影响下的外侧附加垂直压力，q2'为在弱影响下的外侧附加垂直压力，q1为在单洞侧室的外侧竖向土压力荷载，q2为在单洞侧室的外侧竖向土压力荷载，e1为小净距隧道外侧拱顶侧向土压力荷载，e2为小净距隧道外侧拱底侧向土压力荷载、e3为小净距隧道内侧拱顶侧向土压力荷载、e4为小净距隧道内侧拱底土压力荷载。Wm'和Hm'分别表示附加承载拱的跨度和高度，p0为中夹岩柱对附加承载拱的支撑力。此时认为竖向围岩压力Q2计算公式为式(9)。
Figure BDA0001651343660000043
Figure BDA0001651343660000044
其中：
Wm′＝2(B+2Ttanθ)+W0 (10)
Figure BDA0001651343660000045
中夹岩柱支撑力P0的计算方法
P0＝k0RpW0 (12)
其中，Rp为考虑加固前岩体抗压强度；k0为放大系数；W0为中加岩有效承载宽度。
(4)强影响
强影响情况下的围岩压力作用模型中，围岩压力计算作用模式如图3所示。竖向围岩压力Q2计算公式为式(14)
Figure BDA0001651343660000051
Figure BDA0001651343660000052
三.与现有技术相比较，本方法总结了小净距隧道深、浅埋条件下围岩压力的计算方法，分析了隧道几何尺寸(开挖跨度)、围岩条件(等级)和左右洞间净距等因素对临界埋深的影响规律，在此基础上提出了采用直接比较法去判定小净距隧道深浅埋的方法。得出的结论如下：
(1)当隧道几何尺寸、围岩条件和左右洞净距等参数已知时，通过分别计算深、浅埋两种条件下的围岩压力，然后比较拱顶竖向围岩压力可以判定其属于深埋还是浅埋，并得到该断面的围岩压力。该方法避免了求解临界埋深，简捷有效。
(2)当围岩条件(等级)和两洞间净距一定时，小净距隧道临界埋深随着隧道几何尺寸(开挖跨度)的增大而增大。
(3)当隧道几何尺寸和两洞间净距一定时，小净距隧道临界埋深随着隧道围岩条件(等级)的增大而增大。
(4)当隧道围岩条件(等级)和几何尺寸(开挖跨度)一定时，小净距隧道临界埋深随着隧道左右洞间净距的增大而先增大再减小逐步趋于不变。具体来说，当两洞净距处于强影响区时，临界埋深随隧道左右洞间净距的增大而增大；两洞净距处于弱影响区时，临界埋深随隧道左右洞间净距的增大而减小；两洞净距处于无影响区时，临界埋深基本不再谁两洞净距的增大而变化，保持不变。
附图说明
图1是浅埋小净距隧道围岩压力作用模型
图2是弱影响情况：两独立平衡拱+一个附加承载拱
图3是强影响情况：一个极限平衡拱
图4是隧道垂直压力随埋深的变化曲线
图5是左右洞间净距对小净距隧道临界埋深的影响规律。
图6是小净距隧道深浅埋判定流程图
具体实施方式
一、京沪高速济南连接线工程浆水泉双向八车道隧道，单洞长3100米，开挖跨度为17.608米，开挖高度为11.161米，隧道穿越III，IV和V级围岩，是京沪高速公路济南连接线项目控制性工程。
表1选取的断面参数指标
Figure BDA0001651343660000061
选取III级围岩小净距段K4+700断面(埋深约40m，净距约16m)进行分析。依据临界净距的判定公式可知，该断面属于无影响情况。由浅埋围岩压力计算公式得到该工况下围岩压力Q1＝597.4552kPa，深埋情况下的围岩压力Q2＝364.1273kPa，Q1＞Q2故在III级围岩地质条件下该断面属于深埋小净距隧道。
选取IV级围岩小净距段K1+910断面(埋深约75m，净距约21m)进行分析。依据临界净距的判定公式可知，该断面属于弱影响情况。由浅埋围岩压力计算公式得到该工况下围岩压力Q1＝1069.057kPa，深埋情况下的围岩压力Q2＝611.1358kPa，Q1＞Q2故在IV级围岩地质条件下该断面属于深埋小净距隧道。
选取V级围岩小净距段K1+890断面(埋深约80m，净距约19m)进行分析，依据临界净距的判定公式可知，该断面属于弱影响情况。由浅埋围岩压力计算公式得到该工况下围岩压力Q1＝1069.057kPa，深埋情况下的围岩压力Q2＝1262.478kPa，Q1＞Q2故在V级围岩地质条件下该断面属于深埋小净距隧道。
二、根据《公路隧道设计规范》选取III、IV、V级围岩最差的物理力学指标，如表2所示。
Figure BDA0001651343660000071
两种车道类型的开挖跨度B和开挖高度T如表3所示。
Figure BDA0001651343660000072
分别用浅埋、深埋的垂直围岩压力计算公式，计算两车道、三车道在III、IV、V级围岩条件下，不同净距条件下的隧道垂直围岩压力。这里仅给出两洞均为三车道隧道，IV级围岩条件下，净距分别为0.1B、0.25B、0.5B、0.75B、1B、1.5B、2B时隧道垂直压力随埋深的变化曲线，如图4所示。由图4可以看出：
(1)浅埋条件下隧道拱顶垂直围岩压力随埋深的增大近似线性增大
(2)深埋条件下隧道拱顶垂直围岩压力不随埋深的变化而变化，保持为一定值，且当隧道开挖跨度和围岩等级一定时，这一定值随两洞间净距的增大，先增大再逐渐减小并趋于稳定，对于本工况，0.1B增大到0.5B时，隧道拱顶垂直围岩压力由949kPa增加至1089kPa，由0.5B增加到1.5B时隧道拱顶垂直围岩压力降低由1089kPa至544kPa，1.5B之后拱顶围岩压力基本保持不变。
(3)深、浅埋两种条件下计算得到的隧道拱顶垂直围岩压力在某一特定的埋深时相交，该埋深即深浅埋临界埋深。对于两洞均为三车道隧道，IV级围岩条件下，净距分别为0.1B,0.25B,0.5B,0.75B,1B，1.5B，2B时，临界埋深分别为42.822m，48.6818m，60.0815m，55.0719m,45.263m,32.1445m,29.886m。
三、
小净距隧道临界埋深的影响因素有隧道几何尺寸、围岩条件(等级)和两洞间净距等。需要指出的是，浅埋隧道龚建伍的公式在当小净距隧道两洞间净距增大到互相无影响的情况下时，还会表现出围岩压力随净距的增大而改变的规律。因此在当隧道间净距处于无影响情况下时，浅埋隧道公式不再适用，而本文探讨的是深浅埋的判定，故在当净距大于弱无临界净距后，均取弱无临界净距点处的临界埋深为小净距隧道的临界埋深。
1.隧道几何尺寸和围岩条件(等级)的影响
为分析隧道几何尺寸、围岩条件(等级)对小净距隧道临界埋深的影响，本文计算了单洞为两车道、三车道和四车道时，各级围岩条件(III、IV、V级围岩)和不同净距时的临界埋深，如表3所示。其中四车道的横断面参数为B＝17.608，T＝11.161(参见济南绕城高速双线八车道小净距隧道断面图)。可以看出：
(1)当围岩条件(等级)和两洞间净距一定时，小净距隧道临界埋深随着隧道几何尺寸(开挖跨度)的增大而增大，且相对而言，围岩条件越差，两隧道净距间净距较小时，这种增大趋势越明显。以V级围岩0.5倍的净距与单洞跨度比为例：单洞为两车道时临界埋深为62.6296m，隧道的几何尺寸增加到三车道四车道时，临界埋深分别相应增大到78.96m和86.5809m。
(2)当隧道几何尺寸和两洞间净距一定时，小净距隧道临界埋深受围岩条件(等级)的影响十分明显，围岩条件越差，临界埋深越大，近似成线性关系。以单洞为四车道，净距与单洞跨度比等于0.1时为例：临界净距在III、IV、V级围岩时分别为29.3978m、46.65m、67.0684m。由此可见围岩条件(等级)对隧道临界埋深的影响十分显著。
表4隧道几何尺寸对小净距隧道临界埋深的影响
Figure BDA0001651343660000081
Figure BDA0001651343660000091
2、隧道净距的影响
图5给出了左右洞间净距对小净距隧道临界埋深的影响规律。由图5可以看出：
(1)当隧道围岩条件(等级)和几何尺寸(开挖跨度)一定时，小净距隧道临界埋深随着隧道左右洞间净距的增大而先增大再减小逐步趋于不变。当净距处于强影响区间时，隧道的临界埋深随净距的增大而增大；当净距处于弱影响区间时隧道的临界埋深随净距的增大而减小；在无影响区间，临界埋深趋于不变。
(2)以V级围岩四车道为例，两隧道间净距小于0.6B时，此时隧道属于强影响区间，此时临界埋深随净距的增大而增大，由隧道间净距为0.1B时的67.0684m增加到0.5B时的86.5809m。当净距介于0.6B到1.5B时，隧道处于弱影响区间，临界埋深从91.5309m减小至64.1942m。当净距大于1.78B时，隧道处于无影响区间，临界埋深基本为51.0872m。
图4中，在两曲线交点的左侧，由浅埋公式得到的围岩压力值总是小于深埋公式得到的围岩压力值，在两曲线交点的右侧，由深埋公式得到的围岩压力值总是小于浅埋公式得到的围岩压力值。根据围岩压力的连续性，两曲线的交点即为小净距隧道浅埋和深埋的临界埋深，故交点左侧应采用浅埋公式计算围岩压力，交点右侧应采用深埋公式计算围岩压力。因此，在进行小净距隧道深浅埋的判定时，无需计算出临界埋深的值，只需根据浅埋和深埋围岩压力的计算公式，代入相关计算参数，得出两个围岩压力值，通过比较两个围岩压力值的大小即可判定该小净距隧道是深埋还是浅埋。

Claims (1)

1.基于围岩压力连续的小净距隧道深浅埋判定方法，其特征在于：该方法的实现过程如下：
(1)对于一个实际工程首先确定设计隧道的开挖断面参数即开挖跨度、开挖高度和埋深；其次，根据小净距隧道所处的围岩等级确定重度γ、内摩擦角
Figure FDA0003502706150000011
计算摩擦角
Figure FDA0003502706150000012
滑面摩擦角θ、中夹岩柱岩体抗压强度RP、放大系数k0；
(2)假设隧道所处的埋深情况分别为深埋和浅埋；
(3)在浅埋条件时，用浅埋的小净距隧道围岩压力计算公式计算围岩压力,记为Q1；
(4)在深埋条件时，根据公式计算该小净距隧道的临界净距，根据隧道净距与弱无临界净距和强弱临界净距的大小关系，确定隧道所处的影响区间，并代入对应影响区间的隧道围岩压力计算公式，计算得出围岩压力，记为Q2；
(5)比较Q1和Q2的大小关系，若Q1<Q2则此小净距隧道属于浅埋小净距隧道，若Q1>Q2则此小净距隧道属于深埋小净距隧道；
基于浅埋单洞围岩压力，建立获得考虑双洞先后施工过程的浅埋小净距隧道围岩压力模型；
双洞先后施工中，左洞为先行洞，右洞为后行洞，先行洞和后行洞的开挖面跨度均为B，开挖高度均为T，B0为两隧道的净距，H0为两隧道的埋深，h为隧道拱底距地表的高度，先行洞外侧和后行洞外侧的水平压力相同，在拱顶和拱底处分别为e11、e12，先行洞内侧的水平压力在拱顶和拱底处分别为e21'、e22'，后行洞内侧的水平压力在拱顶和拱底处分别为e21、e22；先行洞外侧和后行洞外侧的竖向压力相同，均为q1，先行洞内侧的竖向压力为q* 2，后行洞内侧的竖向压力为q2；由于后行洞的施工必然对先行洞内侧的围岩压力造成影响，故而q* 2必然大于q2；此时认为最大竖向围岩压力q* 2为Q1，即先行洞内侧竖向围岩压力的计算公式如下；
Figure FDA0003502706150000013
其中：λ′2为先行洞内侧侧向水平压力系数，其表达式如下：
Figure FDA0003502706150000021
Figure FDA0003502706150000022
Figure FDA0003502706150000023
为计算内摩擦角；θ为滑面摩擦角；β1为破裂角；
在深埋小净距隧道围岩压力的计算模型的基础上，考虑双洞净距对围岩压力作用模式的影响，将围岩压力的作用模式分为左右洞无影响、弱影响和强影响三种情况；
(1)临界净距的判定
Figure FDA0003502706150000024
和
Figure FDA0003502706150000025
分别为强弱、弱无影响区的临界净距；
Figure FDA0003502706150000026
Figure FDA0003502706150000027
当小净距隧道净距小于强弱临界净距时，即
Figure FDA0003502706150000028
该小净距隧道处于强影响区间；当小净距隧道净距大于强弱临界净距，小于弱无临界净距时，即
Figure FDA0003502706150000029
该小净距隧道处于弱影响区间；当小净距隧道净距大于弱无临界净距时，即B0＞B0 &，该小净距隧道处于无影响区间；
(2)无影响时q即为竖向围岩压力Q2，计算公式为式(6)
q＝γH (6)
Figure FDA00035027061500000210
其中H为平衡拱高度，W为平衡拱与拱顶水平面交线的长度，B为开挖面跨度，T为开挖高度，f为岩石坚固性系数；
(3)弱影响情况下，q为基本松散压力，q1'为弱影响下的外侧附加垂直压力，q2'为在弱影响下的内侧附加垂直压力，q1为在先行洞外侧和后行洞外侧的竖向压力，q2为在后行洞内侧的竖向压力，e1为小净距隧道外侧拱顶侧向土压力荷载，e2为小净距隧道外侧拱底侧向土压力荷载、e3为小净距隧道内侧拱顶侧向土压力荷载、e4为小净距隧道内侧拱底土压力荷载；Wm'和Hm'分别表示附加承载拱的跨度和高度，p0为中夹岩柱对附加承载拱的支撑力；此时认为q2即为竖向围岩压力Q2，计算公式为式(9)；
Figure FDA0003502706150000031
Figure FDA0003502706150000032
其中：
Wm′＝2(B+2Ttanθ)+W0 (10)
Figure FDA0003502706150000033
中夹岩柱对附加承载拱的支撑力p0的计算方法
p0＝k0RpW0 (12)
其中，RP为中夹岩柱岩体抗压强度；k0为放大系数；W0为中夹岩有效承载宽度；
(4)强影响
强影响情况下的围岩压力作用模型中，此时认为q2即为竖向围岩压力Q2，公式为式(14)
Figure FDA0003502706150000034
Figure FDA0003502706150000035
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