深埋隧道围岩压力分布特点

崔达

（中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089）

1 引言

随着我国交通设施的不断完善，越来越多的公路工程开始在山地丘陵区建设。为了保证线形平顺，设置隧道工程是不可避免的。当隧道埋深过大，围岩容易产生大变形，造成施工困难、支护成本提高等。如果处治不当，可能导致一定程度的经济损失和人员伤亡。鉴于此，国内外很多学者借助数值模拟、理论推导、室内试验、现场监测等方法手段研究了深埋隧道围岩压力，并取得了许多成果。比如，安永林[1]基于非线性破坏准则下，推导出一种深埋隧道围岩压力计算新方法，与规范法误差较小；何知思[2]根据当地多条深埋隧道围岩压力监测数据，拟合出了预测模型。因此，进一步研究深埋隧道围岩压力分布特点具有十分重要的工程价值。

2 深埋隧道围岩压力类型及机理

无论隧道围岩是否施加支护结构，围岩压力都是客观存在的。隧道在坚硬岩体中开挖时，岩体自身强度一般大于二次应力强度，理论上无须加支护措施；而在软弱破碎、松散岩体中开挖隧道时，围岩强度低，需施加支护结构后才能保持稳定状态。

1）松动压力。岩体因隧道施工扰动产生坍塌，并以重力形式作用在支护结构上的压力叫作松动压力。松动压力多产生在掌子面顶部或两侧，主要原因在于：一方面，围岩岩体节理裂隙发育，在自重作用下出现脆性破裂；另一方面，围岩岩体虽然坚硬、完整，但是在爆破扰动下，局部掉块。

2）变形压力。在隧道围岩压力作用下，围岩与支护结构会共同变形。在此过程中，围岩对支护结构所施加的接触压力称之为变形压力。变形压力不仅与围岩应力状态相关，还受支护时间和支护结构刚度的影响。一般情况下，支护时间越早，支护结构的刚度越大，变形压力也越大。比如图1 中的B 支护和C 支护的支护时间相同，但B 支护刚度＞C 支护，B 支护所受到的接触压力更大；再比如A 支护和C 支护的刚度相同，但A 支护施工时间早于C 支护，A 支护所受到接触压力更大。

图1 变形压力与支护关系（A、B、C、D 是不同的围岩支护）

3）冲击压力。冲击压力在深埋隧道中十分普遍。因隧道埋深较大，围岩中会积聚大量的弹性变形能量。隧道开挖后，围岩约束解除，破坏了围岩原有的应力平衡状态，变形能量在短时间内突然释放，形成冲击压力，产生大量的岩体碎片，对施工人员生命安全有很大危害。

4）膨胀压力。围岩膨胀压力一般出现含有伊利石、蒙脱石、石膏、无水芒硝等亲水性矿物的岩体中。隧道开挖后地下水可能向围岩方向渗流，导致含有亲水性矿物的围岩吸水后体积膨胀而产生膨胀压力。当膨胀压力超过大于支护结构的支护力时，隧道围岩被破坏。

3 深埋隧道围岩压力计算方法

3.1 规范法

3.1.1 深埋隧道判定

根据JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范》，可用“荷载等效高度值hq”来判断某一隧道时浅埋还是深埋[3]。hq的计算可按式（1）、式（2）：

式中，Hp为深埋和浅埋隧道分界高度，m；q为隧道垂直均布压力，kPa；r为围岩重度，kN/m3。

当隧道埋深H＞Hp时，该隧道属于深埋隧道。

3.1.2 围岩压力计算

深埋隧道的垂直围岩压力Qv计算可按式（3）、式（4）：

式中，S为围岩级别，隧道围岩根据BQ 值可分为I～VI 级；w为宽度影响系数，无量纲；B为隧道宽度，m；i为围岩压力增减率，B＜5 m 时i取0.2，B＞5 m 时，i取0.1。

深埋隧道的水平围岩压力Qh取决于垂直围岩压力Qv和围岩级别，可查表1 计算[4]。

表1 深埋隧道水平围岩压力

3.2 数值分析法

对于地质条件复杂的深埋隧道围岩，可采用数值分析法计算其围岩压力分布，从而对隧道支护参数或支护方案进行优化。目前，公路深埋隧道围岩压力计算时常用的数值分析法包括有限元法、离散元法、有限差分法。各种数值模拟软件计算结果更加准确，能分析深埋隧道围岩体内部任一点的应力应变关系，并能够在较短的时间内得到不同工况下的围岩压力分布特点，大幅提升了隧道围岩压力计算效率，并避免了理论计算法中一些不合理的假设条件[5]。

4 不同工况下的深埋隧道围岩压力分布

4.1 工程概况

本文依托某高速公路深埋软岩隧道，利用有限元软件Midas GTS 建立计算模型，分析了其在不同工况下的围岩压力变化规律。该深埋隧道采用双向分离式设计，左线隧道长1 856 m，右线长1 862 m，均属于长隧道。由地勘成果和设计文件可知，隧道岩性为三叠系泥页岩、泥灰岩，呈中风化状态，节理、裂隙较发育，完整性较差，遇水易软化崩解，属V 级围岩，围岩支护方案为Vb 型复合式衬砌。隧道围岩及支护结构的计算参数如表2 所示。

表2 隧道计算参数

4.2 有限元计算模型建立

4.2.1 假设条件

为了兼顾深埋隧道围岩压力计算的效率和精确度，作出了以下假设：（1）围岩和支护结构都视为均质、连续、各向同性的弹塑性材料，且屈服准则选择摩尔-库伦本构模型；（2）不考虑隧道开挖支护的时间间歇；（3）初始围岩地应力时只考虑其自重应力，不考虑地下水渗流。

4.2.2 模拟单元选择

该深埋软岩隧道的围岩和二次衬砌使用实体单元模拟，喷射混凝土采用板单元模拟，钢拱架和锁脚锚杆采用梁单元模拟，水泥砂浆锚杆采用cable 单元模拟。

4.2.3 边界条件和网格划分

考虑到边界效应对围岩压力的影响，该隧道计算模型尺寸为取100 m×100 m×30 m，并在模型的前、后、左、右边界和底部边界条件设置位移约束，顶部边界无约束（可自由变形）。对于靠近隧道的岩体，网格数量适当加密，网格尺寸取0.5 m；对于远离隧道的岩体，网格数量适当加密，网格尺寸取1 m。最终，隧道计算模型共划分了2 899 个单元、3 658 个节点。

4.3 隧道埋深对围岩压力的影响

利用Midas/GTS 计算了围岩埋深为200 m、250 m、300 m、350 m、400 m 时，深埋隧道的围岩垂直压力变化规律，计算结果见图2。

图2 不同埋深下隧道围岩压力

由图2 可知：随着隧道埋深的增加，围岩压力也随之增加，且两者之间基本呈线性正相关关系。当隧道厚度由200 m增加至400 m，其围岩压力提升幅度分别为1.1 MPa、0.9 MPa、1.1 MPa、1.2 MPa。由此可知，隧道埋深每增加50 m，围岩压力平均增加1.075 MPa。同时，利用线性函数拟合了围岩压力y和隧道埋深x的关系，拟合公式为y=0.021 2－3.06x，相关系数达到了0.998，精确度满足工程需求。利用上式，可预测不同隧道埋深下，其围岩压力值。

4.4 围岩弹性模型对围岩压力的影响

利用有Midas/GTS 计算了围岩弹性模量为0.1 GPa、0.2 GPa、0.3 GPa、0.4 GPa、0.5 GPa 时，深埋隧道的围岩垂直压力，如图3 所示。

图3 不同围岩弹性模量下隧道围岩压力

由图3 可知：深埋隧道围岩压力随围岩弹性模量的增加而增加，但增加速率并不固定。当围岩弹性模量＜0.3 GPa，围岩压增加速率较快；当围岩弹性模量＞0.3 GPa，围岩压增加速率变化。当深埋隧道围岩弹性模量由0.1 GPa 增加至0.5 GPa，其围岩压力分别提高了0.7 MPa、0.6 MPa、0.3 MPa、0.2 MPa。由此可知，围岩弹性模量每增加0.1 GPa，围岩压力平均增加0.45 MPa。

5 结语

本文研究了深埋隧道的围岩压力类型、围岩压力计算方法，并依托某高速公路软岩隧道，并利用Midas/GTS 计算了不同工况下隧道的围岩压力，主要得到以下结论：（1）深埋隧道围岩压力可根据产生机理不同划分为松动压力、变形压力、冲击压力、膨胀压力；（2）深埋隧道围岩压力计算可采用规范法或数值分析法；（3）随着隧道埋深和围岩弹性模型的增加，深埋隧道的围岩压力不断增加；（4）深埋隧道埋深每增加50 m，围岩弹性模量每增加0.1 GPa，围岩压力分别增加1.075 MPa、0.45 MPa。