深埋无砟隧道涌突荷载及清淤平台长度研究

廖 余，舒东利，余大龙，朱麟晨

(中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031)

近年来，我国铁路隧道在修建过程中出现不少突水突泥事故，特别是在岩溶发育山区，突泥长度甚至达几百米。对于突水突泥荷载目前没有相关规范规定，清淤长度、处理措施也是靠经验选择。突水突泥荷载以及预留清淤长度的确定成为目前急需解决的难题，对我国隧道的安全施工有重大意义。

目前，有较多学者对突水突泥原因及处理措施进行了分析［1-5］，大多是基于数值模拟与工程经验。还没有相关学者对不同跨度、不同断面大小的隧道预留清淤长度及突水突泥塌方荷载进行系统的理论研究，研究成果对隧道结构安全和突水突泥处理具有重大意义。

1 突水突泥软弱带围岩参数

根据调研文献研究可得出突水突泥软弱带围岩参数取值如表1所示。

表1 突水突泥围岩段落参数调研

从表1中可以看出突水突泥段落围岩重度γ为18 kN/m3左右，粘聚力c为10～70 kPa，内摩擦角φ为13～20°。

2 理论基础

2.1 普氏理论

普氏理论拱顶垂直压力的计算公式为：

2.2 太沙基理论

太沙基理论是从应力传递原理出发推导竖向围岩压力的。在太沙基理论中，假设岩土体为散体，但具有一定的黏聚力，破裂角β=45°+φ/2。

根据太沙基理论，隧道开挖后垂直围岩压力计算公式为：

2.3 铁路隧规理论

根据TB 10003-2005《铁路隧道设计规范》中围岩压力的计算要求，深埋隧道围岩压力计算公式如下：

3 突水突泥塌方垂直荷载

3.1 隧道断面跨度分类

根据我国标准参考图的有关跨度，将不同时速单双线无砟隧道按跨度划分，如表2所示。

3.2 突水突泥塌方垂直荷载

固定突水突泥段落的围岩参数，突水突泥段参数最弱时(γ=18kN/m3，c=10kPa，φ=13°)荷载最大，参数最强时(γ=18kN/m3，c=70kPa，φ=20°)荷载最小，分析三种荷载计算理论与隧道跨度的关系。

按跨度将三种理论荷载整理分类可得出不同跨度下突水突泥塌方荷载的取值范围(图1、图2)。

从图中可以得出，普氏理论与太沙基理论计算的最大突水突泥塌方荷载比较接近，普氏理论计算的最小突水突泥塌方荷载比太沙基理论计算值稍大，按铁路隧规理论计算突水突泥塌方荷载值偏小。

整体得出不同跨度、不同时速下突水突泥荷载取值范围，如表3所示。

表2 无砟隧道标准图跨度分类

图1 不同荷载理论塌方荷载与跨度关系(最大值)

图2 不同荷载理论塌方荷载与跨度关系(最小值)

表3 无砟隧道不同跨度突水突泥塌方垂直荷载取值

4 预留清淤长度

隧道发生突水突泥后，不应贸然清淤，必须对清淤风险进行评估，计算合理的清淤长度，预留可靠的淤泥安全距离(图3)。

图3 清淤封堵及荷载示意

淤泥安全距离可参考计算公式(7)～(9)，计算时可不考虑隧道侧压力系数，忽略涌泥的黏结力，只计算隧道对泥土的摩擦阻力。

式中：F摩为隧道对淤泥的摩擦阻力(kN)；F滑为淤泥的下滑力(kN)；μ为隧道与淤泥之间的摩阻系数，取0.6～0.7；γ为淤泥重度(kN/m3)；A隧为隧道断面积(m2)；L为预留清淤段长度(m)；q为淤泥的垂直压力(kPa)；A溃为溃口断面面积(m2)。

现场实施清淤时，原则上采取台阶法清淤，以尽量减小清淤断面面积。清淤前应制定安全清淤施工组织，清淤过程中随时观察，及时进行封堵。

由于一般突水突泥溃口面积较难确定，今假定溃口面积为10 m2、30 m2、50 m2。分别计算各工况下预留清淤长度，计算结果见表4。

表4 无砟隧道不同溃口面积预留清淤长度

整理分析表中数据可得最小预留清淤长度与溃口面积的关系。预留清淤长度与溃口面积呈线性关系，溃口面积越大最小预留清淤长度越长，溃口面积在表中范围之间时可线性差值计算。

5 结论

论文结合资料调研、理论分析等手段，对突水突泥段落的塌方荷载和预留清淤长度进行分析，得出以下结论：

(1)通过对不同隧道突水突泥参数的调研，得出淤泥重度为γ=18 kN/m3左右，粘聚力c=10～70kPa，摩擦角φ=13～20°。

(2)基于突水突泥围岩参数，并结合普氏理论、太沙基理论以及隧规理论，对突水突泥塌方荷载进行计算分析，得出不同时速、不同跨度下无砟隧道突水突泥塌方荷载的取值范围。

(3)基于突水突泥塌方荷载的研究，根据隧道断面的大小，给出了不同溃口面积下预留清淤长度建议值。