CN116244794B - 一种水下非爆破暗挖隧道最小安全覆岩厚度的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水下隧道设计施工技术领域，特别涉及一种水下非爆破暗挖隧道最小安全覆岩厚度的计算方法，解决了采用现有方法确定的水下隧道最小安全覆岩厚度过于保守，经济性差，有的无法实施的问题。该方法包括以下步骤：步骤一：确定单位长度隧道覆岩顶面荷载与单位长度岩土层岩体抗力间应满足的关系式；步骤二：确定潜在破裂面；步骤三：计算潜在破裂面处单位长度隧道覆岩顶面荷载和单位长度岩土层岩体抗力；步骤四：将步骤三的结果代入步骤一的关系式得到具体关系式；步骤五：建立隧道最小安全覆岩厚度求解方程；步骤六：将步骤四的具体关系式与步骤五的求解方程联立求解最下层岩层厚度；步骤七：将最下层岩层厚度代入步骤五的求解方程求解。
Description
技术领域
本发明属于水下隧道设计施工技术领域，特别涉及一种水下非爆破暗挖隧道最小安全覆岩厚度的计算方法。
背景技术
基于水下隧道复杂的水文与地质条件，其安全覆岩厚度问题一直是平衡工程安全与经济性的难题。如果安全覆岩厚度选择偏小时，工程存在安全隐患，甚至造成工程事故，如拱顶贯穿河底，造成隧道水淹，若两岸地形较低，还容易造成河水倒灌，淹没城市。如果安全覆岩厚度选择偏保守时，将大幅增加隧道工程规模，额外增加巨大工程投资，特别是当两岸接线道路条件限制时，直接造成工程无法实施。无论是基于水下隧道经济投入和安全施工运营等工程本身考虑、还是基于其它公共安全方面考虑，隧道安全覆岩厚度问题均是亟待深入研究解决的一个重要工程问题。
目前对水下隧道安全覆岩厚度的研究不少，但半经验半理论的居多，如日本最小涌水量法、挪威的经验曲线、顶水采煤经验公式、隔水岩柱经验法等，但均对岩质地层中水下隧道安全覆岩厚度的计算过于保守，计算结果偏差较大。我国国家标准规范，如《公路水下隧道设计规范》(JTG/T 3371—2022)中对钻爆法水下隧道顶部覆岩厚度按隧道开挖跨度的倍数关系进行估算，如规范第5.3.6条第3项，钻爆法隧道顶部覆盖层厚度在硬质岩石地段不应小于1.0B(B为隧道开挖跨度)，软质围岩地段不应小于1.5B。理论上，钻爆法不利影响较大的是爆破对隧道上覆围岩的扰动作用，如果采取机械开挖可大幅降低开挖扰动作用。这些半经验公式与规范估算往往不能满足钻爆法水下隧道修建的现实需求，如衢州某条钻爆法水下隧道的跨度B为11.9m，软岩地层，按《公路水下隧道设计规范》(JTG/T 3371—2022)要求的覆岩厚度为1.5B，即17.85m。因受两岸接线条件限制，工程采用规范允许的覆岩厚度时基本无法实施；最终通过理论推导，在不需考虑爆破扰动作用条件下，计算确定了经济合理的安全覆岩厚度即不小于8m，目前隧道已建成通车，此隧道的安全覆岩厚度突破了水下暗挖隧道的规范限值，且不到规范允许的最小安全覆岩厚度的一半。
综上所述，如何确定水下非爆破暗挖隧道的最小安全覆岩厚度，使其既能满足安全要求，又能兼顾经济性，并且可实施，仍是我们目前亟需研究解决的工程难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种水下非爆破暗挖隧道最小安全覆岩厚度的计算方法，以解决采用现有方法确定的水下非爆破暗挖隧道最小安全覆岩厚度过于保守，且没有进一步考虑工法细分区别与影响，经济性较差，有的甚至无法实施的技术问题。
本发明所采用的技术方案是，一种水下非爆破暗挖隧道最小安全覆岩厚度的计算方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤一：确定单位长度隧道覆岩顶面的荷载与单位长度岩土层岩体的抗力之间应满足的关系式；
步骤二：作图法确定潜在破裂面；
步骤三：计算步骤二确定的潜在破裂面处对应的步骤一中所述的单位长度隧道覆岩顶面的荷载和所述的单位长度岩土层岩体的抗力，且该计算得到的所述单位长度岩土层岩体的抗力的值与每层岩层的厚度参数相关；
步骤四：将步骤三计算得到的潜在破裂面处对应的单位长度隧道覆岩顶面的荷载和单位长度岩土层岩体的抗力代入步骤一中所述的关系式，得到与每层岩层的厚度参数相关的具体关系式；
步骤五：以步骤三中所述的每层岩层的厚度参数为自变量，建立隧道最小安全覆岩厚度的求解方程；
步骤六：将步骤四中得到的所述具体关系式与步骤五中建立的所述求解方程联立方程组，通过试算或编程，求解得到待钻挖隧道上方的最下层岩层厚度；
步骤七：将步骤六中求解得到的待钻挖隧道上方的最下层岩层厚度，代入步骤五中所述的求解方程，计算得到隧道最小安全覆岩厚度，计算完成。
进一步地，步骤一中确定的所述单位长度隧道覆岩顶面的荷载与单位长度岩土层岩体的抗力之间应满足的关系式如下式(1)所示：
K∑Q≤∑R(1)；
式(1)中：K为计算安全系数，参照《公路隧道设计规范第一册土建工程》(JTG3370.1-2018)中隧道结构计算取为2.0；Q为隧道覆岩顶面的荷载；∑Q为单位长度隧道覆岩顶面的荷载；R为岩土层岩体的抗力；∑R为单位长度岩土层岩体的抗力。
进一步地，步骤三中潜在破裂面处对应的所述单位长度隧道覆岩顶面的荷载按下式(2)计算：
∑Q＝∑Qw+∑Q土 (2)；
式(2)中：Qw为隧道覆岩顶面的水压力荷载；∑Qw为单位长度隧道覆岩顶面的水压力荷载；Q土为隧道覆岩顶面的覆土荷载；∑Q土为单位长度隧道覆岩顶面的覆土荷载。
进一步地，潜在破裂面处对应的所述单位长度隧道覆岩顶面的水压力荷载按下式(3)计算：
式(3)中：γw为水的重度；H为计算最大水位深度；B为水下隧道开挖宽度。
进一步地，潜在破裂面处对应的所述单位长度隧道覆岩顶面的覆土荷载按下式(4)计算：
式(4)中：γ土为水饱和条件土的重度；h为覆土透水层厚度。
进一步地，步骤三中潜在破裂面处对应的所述单位长度岩土层岩体的抗力按下式(5)计算：
∑R＝∑C1d1+C2d2+…+Cndn (5)；
式(5)中：C1为自上到下第1层岩层的直接快剪的粘聚力；C2为自上到下第2层岩层的直接快剪的粘聚力；Cn为自上到下第n层岩层的直接快剪的粘聚力；d1为自上到下第1层岩层的厚度；d2为自上到下第2层岩层的厚度；dn为自上到下第n层岩层的厚度。
进一步地，步骤五中建立的所述隧道最小安全覆岩厚度的求解方程如下式(6)所示：
d＝∑d1+d2+…+dn (6)。
进一步地，步骤六中联立的所述方程组具体如下式(7)所示：
步骤六中所述的求解得到待钻挖隧道上方的最下层岩层厚度，该待钻挖隧道上方的最下层岩层厚度即为式(7)中dn的值。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过理论推导能够较为准确的计算水下非爆破暗挖隧道最小安全覆岩厚度，较按照《公路水下隧道设计规范》(JTG/T3371-2022)计算的允许值减少了40％～60％，大幅度减少了隧道埋深，也减少了因线路展线增加导致的隧道长度规模加大，从而显著节省了工程造价；同时，采用本发明计算方法逆行计算，也减小了因采用原有计算方法笼统计算的水下非爆破暗挖隧道最小安全覆岩厚度过于保守，导致受两岸接线条件限制，工程无法实施发生的几率；因此，本发明解决了采用现有方法确定的水下非爆破暗挖隧道最小安全覆岩厚度过于保守，经济性较差，有的甚至无法实施的技术问题。按水下隧道常见的4％～6％纵坡，每增加1m覆岩厚度，隧道在河道两岸将均增长16.67～25.00m，隧道总长增加33.34～50.00m；按钻爆法隧道50～80万元双线每延米计算，每增加lm覆岩厚度，将增加隧道工程造价1667万元～4000万元。以衢州某水下隧道为例，在不考虑两岸接线道路限制造成工程无法实施影响情况下，则覆岩厚度较规范允许值减少9.85m，5.5％设计纵坡，隧道长度减少358m，造价减少约2.15亿元，经济效益非常显著。
(2)在两岸接线条件苛刻时，采用本发明计算方法计算的最小安全覆岩厚度能在平衡工程经济与安全以外，增加水下隧道钻爆法暗挖施工的可能性。
附图说明
图1是隧道顶部覆岩初始力学关系图；
图2是隧道顶部覆岩力学关系简化图；
图3是剪力包络图；
图4是隧道顶部覆岩潜在破裂面示意图；
图5是本发明水下非爆破暗挖隧道最小安全覆岩厚度的计算方法的原理示意图。
图中各标号的说明如下：
B-水下隧道开挖宽度，d-隧道最小安全覆岩厚度，Q-隧道覆岩顶面的荷载，R-岩土层岩体的抗力，H-计算最大水位深度，h-覆土透水层厚度，d1-自上到下第1层岩层的厚度；d2-自上到下第2层岩层的厚度；dn-自上到下第n层岩层的厚度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种水下非爆破暗挖隧道最小安全覆岩厚度的计算方法，其计算的理论依据为：
首先，隧道顶部覆岩与隧道两侧围岩自然状态下是一个整体，如图1所示，一般可假定为刚性连接。隧道顶部覆岩初始力学关系可简化为两端固定的对称超静定结构，如图2所示，其剪力包络图如图3所示。
其次，隧道开挖断面一般为圆形或近圆形，隧道顶部覆岩厚度可以看做是从隧道中心线上覆岩厚度最小值至侧壁覆岩厚度达到理论极大值∞。按照剪力包络图，即图3，隧道拱顶中心点处的剪力为0，此处拱顶覆岩厚度最小；两端固定支座处剪力达到最大值qB/2，两端覆岩厚度达到理论极大值。作图法的求解可知，平行线切点处矢高最大，此处覆岩受力最不利即拱肩与/>处，拟作为潜在破裂面，即如图4所示，此处剪力为/>依据上述力学关系，确定单位长度隧道覆岩顶面的荷载与单位长度岩土层岩体的抗力之间应满足的关系式。
再次，根据隧道设计资料与岩土勘察资料，获得岩土层相关力学参数和隧道开挖的几何参数，如水的重度γw，水饱和条件土的重度γ土，每层岩层的直接快剪的粘聚力C1、C2、……Cn，参见图5，自上到下第1层岩层的厚度d1、自上到下第2层岩层的厚度d2、……自上到下第n-1层岩层的厚度dn-1，覆土透水层厚度h，计算最大水位深度H，水下隧道开挖宽度B，再根据确定的单位长度隧道覆岩顶面的荷载与单位长度岩土层岩体的抗力之间应满足的关系式，计算水下非爆破暗挖隧道最小安全覆岩厚度。
依据上述理论，本发明的水下非爆破暗挖隧道最小安全覆岩厚度的计算方法，包括以下步骤：
步骤一：确定单位长度隧道覆岩顶面的荷载与单位长度岩土层岩体的抗力之间应满足的关系式；
步骤二：作图法确定潜在破裂面；
步骤三：计算步骤二确定的潜在破裂面处对应的步骤一中上述的单位长度隧道覆岩顶面的荷载和上述的单位长度岩土层岩体的抗力，且该计算得到的上述单位长度岩土层岩体的抗力的值与每层岩层的厚度参数相关；
步骤四：将步骤三计算得到的潜在破裂面处对应的单位长度隧道覆岩顶面的荷载和单位长度岩土层岩体的抗力代入步骤一中上述的关系式，得到与每层岩层的厚度参数相关的具体关系式；
步骤五：以步骤三中上述的每层岩层的厚度参数为自变量，建立隧道最小安全覆岩厚度的求解方程；
步骤六：将步骤四中得到的上述具体关系式与步骤五中建立的上述求解方程联立方程组，通过试算或编程，求解得到待钻挖隧道上方的最下层岩层厚度；
步骤七：将步骤六中求解得到的待钻挖隧道上方的最下层岩层厚度，代入步骤五中上述的求解方程，计算得到隧道最小安全覆岩厚度，计算完成。
上述步骤一中确定的单位长度隧道覆岩顶面的荷载与单位长度岩土层岩体的抗力之间应满足的关系式如下式(1)所示：
K∑Q≤∑R(1)；
式(1)中：K为计算安全系数，参照《公路隧道设计规范第一册土建工程》(JTG3370.1-2018)中隧道结构计算取为2.0；Q为隧道覆岩顶面的荷载；∑Q为单位长度隧道覆岩顶面的荷载；R为岩土层岩体的抗力；∑R为单位长度岩土层岩体的抗力。
上述步骤三中潜在破裂面处对应的单位长度隧道覆岩顶面的荷载按下式(2)计算：
式(2)中：Qw为隧道覆岩顶面的水压力荷载；∑Qw为单位长度隧道覆岩顶面的水压力荷载；Q土为隧道覆岩顶面的覆土荷载；∑Q土为单位长度隧道覆岩顶面的覆土荷载。
上述潜在破裂面处对应的单位长度隧道覆岩顶面的水压力荷载按下式(3)计算：
式(3)中：γw为水的重度；H为计算最大水位深度；B为水下隧道开挖宽度。
上述潜在破裂面处对应的单位长度隧道覆岩顶面的覆土荷载按下式(4)计算：
式(4)中：γ土为水饱和条件土的重度；h为覆土透水层厚度。
上述步骤三中潜在破裂面处对应的单位长度岩土层岩体的抗力按下式(5)计算：
∑R＝∑C1d1+C2d2+…+Cndn(5)；
式(5)中：C1为自上到下第1层岩层的直接快剪的粘聚力；C2为自上到下第2层岩层的直接快剪的粘聚力；Cn为自上到下第n层岩层的直接快剪的粘聚力；d1为自上到下第1层岩层的厚度；d2为自上到下第2层岩层的厚度；dn为自上到下第n层岩层的厚度。
上述步骤五中建立的隧道最小安全覆岩厚度的求解方程如下式(6)所示：
d＝∑d1+d2+…+dn(6)。
上述步骤六中联立的方程组具体如下式(7)所示：
步骤六中上述的求解得到待钻挖隧道上方的最下层岩层厚度，该待钻挖隧道上方的最下层岩层厚度即为式(7)中dn的值。
本发明的水下非爆破暗挖隧道最小安全覆岩厚度的计算方法，适用于传统钻爆法中的非爆破开挖，如机械开挖等。
下面是采用本发明的计算方法，进行计算的一个实际工程案例。
衢州某水下市政隧道开挖宽度B为11.9m，最不利工况为河底覆岩厚度最薄处，此处无卵石层，自上到下第1层岩层为强风化软质砂岩，自上到下第1层岩层的直接快剪的粘聚力C1＝5kPa，该层的厚度d1为3m，基岩也即上述待钻挖隧道上方的最下层岩层为中风化软质砂岩，该层对应的直接快剪的粘聚力C2＝200kPa，计算最大水位深度H为12m，计算安全系数K＝2.0，代入上述式(7)中，得到下式(8)：
由式(8)可得下式(9)：
d2≥4.92m(9)；
进一步，可求得水下隧道最小安全覆岩厚度d＝4.92+3＝7.92(m)。隧道设计采用最小安全覆岩厚度不小于8m控制，远小于规范1.5B求出的17.85m。实现了隧道钻爆法暗挖可能，同时大幅缩减隧道规模，节省造价约2.15亿元。
Claims (1)
1.一种水下非爆破暗挖隧道最小安全覆岩厚度的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：确定单位长度隧道覆岩顶面的荷载与单位长度岩土层岩体的抗力之间应满足的关系式；
步骤二：作图法确定潜在破裂面；
步骤三：计算步骤二确定的潜在破裂面处对应的步骤一中所述的单位长度隧道覆岩顶面的荷载和所述的单位长度岩土层岩体的抗力，且该计算得到的所述单位长度岩土层岩体的抗力的值与每层岩层的厚度参数相关；
步骤四：将步骤三计算得到的潜在破裂面处对应的单位长度隧道覆岩顶面的荷载和单位长度岩土层岩体的抗力代入步骤一中所述的关系式，得到与每层岩层的厚度参数相关的具体关系式；
步骤五：以步骤三中所述的每层岩层的厚度参数为自变量，建立隧道最小安全覆岩厚度的求解方程；
步骤六：将步骤四中得到的所述具体关系式与步骤五中建立的所述求解方程联立方程组，通过试算或编程，求解得到待钻挖隧道上方的最下层岩层厚度；
步骤七：将步骤六中求解得到的待钻挖隧道上方的最下层岩层厚度，代入步骤五中所述的求解方程，计算得到隧道最小安全覆岩厚度，计算完成；
步骤一中确定的所述单位长度隧道覆岩顶面的荷载与单位长度岩土层岩体的抗力之间应满足的关系式如下式(1)所示：
K∑Q≤∑R (1)；
式(1)中：K为计算安全系数，参照《公路隧道设计规范第一册土建工程》JTG 3370.1-2018中隧道结构计算取为2.0；Q为隧道覆岩顶面的荷载；∑Q为单位长度隧道覆岩顶面的荷载；R为岩土层岩体的抗力；∑R为单位长度岩土层岩体的抗力；
步骤三中潜在破裂面处对应的所述单位长度隧道覆岩顶面的荷载按下式(2)计算：
∑Q＝∑Qw+∑Q土 (2)；
式(2)中：Qw为隧道覆岩顶面的水压力荷载；∑Qw为单位长度隧道覆岩顶面的水压力荷载；Q土为隧道覆岩顶面的覆土荷载；∑Q土为单位长度隧道覆岩顶面的覆土荷载；
潜在破裂面处对应的所述单位长度隧道覆岩顶面的水压力荷载按下式(3)计算：
式(3)中：γw为水的重度；H为计算最大水位深度；B为水下隧道开挖宽度；
潜在破裂面处对应的所述单位长度隧道覆岩顶面的覆土荷载按下式(4)计算：
式(4)中：γ土为水饱和条件土的重度；h为覆土透水层厚度；
步骤三中潜在破裂面处对应的所述单位长度岩土层岩体的抗力按下式(5)计算：
∑R＝∑C1d1+C2d2+…+Cndn (5)；
式(5)中：C1为自上到下第1层岩层的直接快剪的粘聚力；C2为自上到下第2层岩层的直接快剪的粘聚力；Cn为自上到下第n层岩层的直接快剪的粘聚力；d1为自上到下第1层岩层的厚度；d2为自上到下第2层岩层的厚度；dn为自上到下第n层岩层的厚度；
步骤五中建立的所述隧道最小安全覆岩厚度的求解方程如下式(6)所示：
d＝∑d1+d2+…+dn (6)；
步骤六中联立的所述方程组具体如下式(7)所示：
步骤六中所述的求解得到待钻挖隧道上方的最下层岩层厚度，该待钻挖隧道上方的最下层岩层厚度即为式(7)中dn的值。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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