第２７卷第２期 石家庄铁道大学学报（自然科学版） ｖ０１．２７ Ｎ。．２ ２０１４年６月ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＨＩＪＩＡＺＨＵＡＮＧ ＴＩＥＤＡＯ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ） Ｊｕ ．２０１４ 大断面黄土隧道基底围岩压力研究 马洪利 （中铁十三局集团第五工程有限公司，四川成都６１０５００） 摘要：黄土隧道基底区域围岩压力确定直接关系到隧道基底承栽力是否满足结构稳定及运 营安全的要求。以客专浅埋黄土双线大断面隧道为研究对象，分别采用普氏理论、太沙基理论、 谢家然理论、比尔鲍曼理论、卡柯公式、全土柱法、岩柱法、规范推荐方法、有限元法与实测值进 行对比分析，推荐大断面黄土浅埋隧道采用太沙基理论与有限元方法相结合的方法计算确定基 底围岩压力。 关键词：黄土隧道；基底围岩压力；经验方法；有限元法 中图分类号：Ｕ４５１ 文献标志码：Ａ文章编号：２０９５—０３７３（２０１４）０２’００５１—０４ ０ 引言 黄土隧道基底区域围岩压力的大小及变化规律，直接关系到隧道基底承载力是否能满足结构稳定及 运营安全的要求。围岩压力研究始终是隧道工程界讨论的热点和难点之一，由于隧道工程本身及所处地 质条件的复杂性和不确定性，导致隧道围岩压力确定较为困难。特别是随隧道工程突飞猛进的发展，隧 道开挖断面、支护结构形式、地质环境等条件变化导致以往一些围岩压力确定方法不能满足新形势的变 化 ４。。 目前常用的围岩压力传统方法主要有：普氏理论、太沙基理论、谢 家休理论、比尔鲍曼理论、卡柯公式、全土柱法、岩柱法、规范推荐统计 法、圆形洞室弹塑性解析法等 。现行规范推荐的超浅埋全土柱重 量、浅埋谢家休公式、深埋统计公式不能很好地满足目前黄土隧道的 设计和施工要求，大量现场测试与公式计算对比结果已说明这一点。 采用传统经验方法与有限元方法进行大断面黄土隧道基底围岩 压力进行计算对比分析，为黄土隧道设计施工提供参考依据。 １ 研究工况 选用３５０ ｋｍ／ｈ客运专线Ｖ级浅埋黄土隧道为研究对象，隧道衬 砌横断面如图ｌ所示。隧道设计为单洞双线马蹄形断面。隧道开挖 宽度１４．７２ ＩＴＩ、开挖高度１２．５８ ｉｎ，初支厚度３５ ｃｍ，二衬厚度拱墙６０ ｃｍ，仰拱７０ ｅｍ。计算参数取值如表１所示。 表１计算参数 图１黄土隧道衬砌断面（单位￣１３１１１） 二次衬砌按６０ ｃｍ计算，则衬砌自重约为６００ ｋＮ，衬砌作用于隧底的应力约为４０ ｋＰａ。采用传统方 法进行隧道基底围岩压力计算时，按拱部围岩压力＋衬砌自重考虑。隧道埋深小于６０ ｍ。 ＤＯＩ：１０．１３３１９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｊｚｔｄｄｘｘｂｚｒｂ．２０１４．０２．１ １ 收稿日期：２０１４—０１—１３ 作者简介：马洪利男１９７３年出生高级工程师 ５２ 石家庄铁道大学学报（自然科学版） 第２７卷 ２传统方法计算结果 （１）普氏理论。普氏理论基于自然拱概念，计算拱顶围岩压力２２６．２７ ｋＰａ，故基底围岩压力为２６６．２７ ｋＰａ，与隧道埋深无关。 （２）太沙基理论。采用太沙基理论的计算结果如图２所示，基底围岩压力随埋深的增加而增加，计算 埋深６０ ｍ时基底围岩压力为２６４．３６ ｋＰａ。 （３）谢家然理论。根据规范规定，当埋深为ｈ 一２．５ｈ ，ｈ 为等效坍方高度时适用于谢家然理论，其计 算结果如图２所示。基底围岩压力随埋深的增加而线性增加，其值为３０７．１９—６５４．６８ ｋＰａ。 （４）比尔鲍曼理论。比尔鲍曼理论考虑拱顶两侧土体的挟制作用，只用粘聚力和内摩擦角两项物性 指标，当埋深增加到一定数值时，围岩压力趋于定值。计算结果如图２所示。基底围岩压力随埋深增加 而增加，其值为１２３．２７～６７３．６５ ｋＰａ。 （５）卡柯公式（塑性松动压力）。塑性松动压力的计算以圆形洞室围岩二次应力塑性分析为基础。该 计算方法考虑洞室开挖后，岩体形成塑性圈，而塑性松动压力仅为塑性圈内岩体的自重。计算结果如图２ 所示。基底塑性松动压力随埋深增加而缓慢增加，其值为６７．６５—１２３．０４ ｋＰａ。计算所得塑性区不同深度 处围岩应力分布如图３所示。因卡柯公式主要适用于深埋，计算基底压力偏小。另外，由于卡柯公式假 定塑性圈外边界处应力为０，围岩应力分布不太合理。 塑性区 岩竖直应力／ｋＰａ 础 ０ ５０ １００ ｌ５Ｏ ２００ ０ ｇ ５ ｊ ｍ 西 世 到１５ 盖２０ ２５ ３０ 图２不同理论方法基底压力与埋深的关系 图３不同深度处塑性区围岩应力分布 （６）岩柱法。岩柱法计算围岩压力值为地表至洞顶岩体自重扣除部分摩擦阻力所得。计算结果如图 ２所示。基底围岩压力随埋深增加而增加，其值为１２７．２３—７２１．１６ ｋＰａ。 （７）全土柱法。全土柱法考虑上覆地层的全部自重，计算结果如图２所示。基底围岩压力随埋深增 加而线性增加，其值为１３０～１ １２０ ｋＰａ。 （８）规范推荐深埋隧道统计方法。取围岩级别ｓ＝５，开挖跨度Ｂ＝１４．７２ ｍ，得基底围岩压力为 ２９５．３１ ｋＰａ，与埋深无关。 由图２可知，计算方法不同基底压力差别很大，埋深６０ ｍ条件下最大基底围岩压力为按全土柱法计 算为１ １２０ ｋＰａ，最小为按卡柯公式计算塑性松动压力为１２３．０４ ｋＰａ。按从大到小的顺序依次为：全土柱 法＞谢家然理论＞岩柱法＞比尔鲍曼理论＞隧道规范经验方法＞普氏理论＞太沙基理论＞卡柯公式。 ３有限元法计算隧道围岩应力分布 采用ＡＮＳＹＳ计算软件建立二维有限元模型，模型左右各５０ ｍ，底部距隧道中心４０ ｍ，分别模拟了隧 顶埋深１０ ｍ、２０ ｍ、３０ ｍ、４０ ｍ、５０ ｍ ５种工况。围岩视为摩尔一库仑理想弹塑性材料，支护结构均视为弹 性材料。初期支护为３５ ｅｍ厚的Ｃ２５喷射混凝土，围岩物理力学参数参照地质资料、现行《铁路隧道设计 规范》选取地层和支护的物理力学指标见表２。 为研究隧道开挖后隧道底部应力分布规律，竖直方向上取隧道仰拱中线下部单元，水平方向上取平 行仰拱下部的一层单元，并提取出其各在水平方向和竖直方向的应力。所取单元如图４所示。以埋深３０ ｍ为例，计算竖直应力和水平应力分布如图５。 ５４ 石家庄铁道大学学报（自然科学版） 第２７卷 初步统计，结果如图８所示。实测结果变异系数较大，主要受测试元件、仪器、人员、施工过程等因素影 响，实测仰拱围岩压力沿埋深变化规律不十分明显。 ５ 结论 埋深时隧道底部围岩应力为 ２４５ ５８０ ｋＰ～ ，埋深 ａ ６０ ｍ 对 时隧道ｊ１ ．１（１）传统经验方法计算基底围岩压力值差异较大，３０ ｍ Ｉ底部围岩应力为２６４～１ １２０ ｋＰａ。其中全土柱法最大，卡柯 公式计算塑性松动压力值最小。 （２）全土柱法及谢家然理论计算基底围岩压力沿埋深线 性增加，计算取值大，与实测值差异大；岩柱法及比尔鲍曼理 论计算值沿埋深非线性增加，计算取值也偏大，与实测值差异 图８隧道仰拱围岩压力实测结果统计 较大；太沙基理论计算值沿埋深非线性增加，达到一定埋深时趋于定值，普氏理论及隧规推荐方法计算值 与埋深无关，计算值相当，与实测值较为接近；卡柯公式计算塑性松动压力值较小，沿埋深缓慢增加。 （３）有限元计算方法可得到基底区域围岩应力分布规律，而且可界定与黄土力学参数、隧道施工方法 与基底围岩应力的关系。 （４）实测基底围岩压力受统计样本数量及测试方法等影响而离散性较大。 （５）因此推荐采用太沙基理论与有限元方法相结合的方法计算确定基底围岩压力。 参 考 文 献 ［１］朱永全．隧道工程［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２０１０． ［２］王明年，郭军，罗露森，等．高速铁路大断面深埋黄土隧道围岩压力计算方法［Ｊ］．中国铁道科学，２００９，３０（５）：５３．５７． ［３］赵勇，李国良，喻渝，等．黄土隧道工程［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２０１１． ［４］王晓州，朱永全．大断面黄土隧道建设技术［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００９． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ Ｒｏｃｋ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｂａｓｅ Ｚｏｎｅ ｏｆ Ｌｏｅｓｓ Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａ Ｈｏｎｇｌｉ （Ｔｈｅ ｉｆｔｆｈ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ，１３ｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｂｕｒｅａｕ Ｇｒｏｕｐ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１０５００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｂａｓｅ ｚｏｎｅ ｏｆ ｌｏｅｓｓ ｔｕｎｎｅｌ ｈａｓ ａ ｄｉｒｅｃｔ ｉｎｆｌｕ． ｅｎｃｅ ｏｎ ｗｈｅｔｈｅｒ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｂａｓｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓａｆｅ— ｔｙ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｔａｋｅｓ ｔｈｅ ｌｏｅｓｓ ｔｕｎｎｅｌ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ，ＵＳｅＳ Ｐｌａｔｔｓ ｔｈｅｏｒｙ，Ｔｅｒｚａｇｈｉ ｔｈｅｏｒｙ，Ｘｉｅ Ｊｉａｘｉｕ ｔｈｅ— ｏｒｙ，Ｂｉｌｌ ｂａｕｍａｎ ｔｈｅｏｒｙ，Ｃａｑｕｏｔ ｔｈｅｏｒｙ，ｓｏｉｌ ｃｏｌｕｍｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｒｏｃｋ ｐｉｌｌａｒｓ ｍｅｔｈｏｄ，ｃｏｄｅ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅ— ｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｃｏｍｐａｒｅ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｖａｌｕｅｓ，ａｎｄ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｓ ｔｈａｔ ｌｏｓｅｅ ｔｕｎｎｅｌ ｓｈｏｕｌｄ ｕｓｅ Ｔｅｒｚａｇｈｉ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｏｅｓｓ ｔｕｎｎｅｌ；ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ｆｏｕｎｄ￣ｉｏｎ ｂａｓｅ ｚｏｎｅ；ｅｍｐｉｒｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅ— ｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ （责任编辑刘宪福）
