昔格达组地层深埋隧道围岩压力计算方法探讨

许瑞宁

(河北省交通规划设计院 石家庄市 050011)

0 引言

昔格达组为第三系半成岩地层，遇水软化、易崩解，岩性软弱，昔格达地层隧道施工扰动后，自稳能力极差，易发生大变形和塌方[1]。昔格达组原名“混旦组”，因该地层实际揭露地点昔格达村而得名[2]。

考虑到昔格达地层的特殊性，过去的交通建设以桥涵、路基为主，例如老成昆铁路多采用绕避方案。新建成昆铁路米易至攀枝花段扩能工程路线大段落穿越昔格达组地层，其中隧道总长约12km。徐则民等[3]在研究昔格达组地层研究中需要注意的若干关键问题时，提出昔格达组厚度一般介于数十米到数百米之间；王志杰等[4]在研究昔格达地层隧道围岩稳定性时发现当埋深大于45m时，围岩稳定性对埋深的敏感性降低；周平等[5]通过现场监测和数值模拟对昔格达地层隧道围岩变形特性曲线及其变形机理进行研究，推导出在弹性、塑性和松动区状态下的昔格达地层围岩变形公式,得到弹塑性昔格达地层围岩变形特性曲线。

以成昆铁路扩能工程米易至攀枝花段桐梓林隧道为工程依托，通过现有围岩压力计算理论、经验公式与现场测试结果对比分析，讨论了昔格达组地层双线铁路隧道深埋情况下围岩压力计算方法的适用性，为优化昔格达组地层隧道支护结构设计提供依据。

1 工程背景

桐梓林隧道全长6.092km，单洞双线隧道于D6K566+214～D6K567+250段穿越第三系昔格达地层(N2x),最大开挖面积133m2。该地层以页岩为主，夹砂岩，部分为页岩、砂岩互层，成岩作用差，掌子面揭示为昔格达组灰色页岩夹砂岩。为进一步探究昔格达组地层深埋隧道围岩压力分布规律，选取进口DK566+440～DK566+460段作为研究试验段，试验段平均埋深45m,现场施工采用三台阶临时仰拱法，Vc型复合式衬砌结构。

2 围岩压力现场测试

2.1 测点布置

在桐梓林隧道昔格达组地层试验段内选取典型断面3处开展隧道围岩压力现场监测，每个典型断面于拱顶、拱腰、拱脚、墙腰、墙脚及仰拱处对称设置11个监测点，测点布置如图1所示。

图1 围岩压力测点布置图

2.2 测试结果及分析

通过数理统计，得到了依托工程试验段径向围岩压力分布如图2所示，计算得到垂直和水平围岩压力的最大值如表1所示。

图2 试验段测试断面径向围岩压力分布(单位：kPa)

表1 测试断面拱墙处围岩压力竖直和水平方向分量最大值

由图2和表1可以看出：

(1)试验段3处断面各测点围岩压力均为正值，即隧道开挖后初期支护受围岩挤压，符合隧道开挖后洞周围岩变形理论。

(2)隧道开挖后洞周围岩压力分布不均匀，DK566+440、DK566+450两断面围岩压力最大值均位于拱顶，最小值分别位于左拱腰、左墙腰；DK566+445断面围岩压力最大值位于右拱腰，最小值位于右墙脚。当隧道洞周围岩较坚硬且较完整时，围岩变形相对较小，因而初期支护上的围岩压力较小；反之，当围岩较破碎且较软弱时，初期支护的围岩压力就要大一些。

(3)引入统计学中标准差来评价试验段拱墙处围岩压力分布的离散性，如式(1)所示。由式(1)计算可得测试断面拱墙处围岩压力离散系数为0.58～0.63，大于0.5，墙部荷载整体较拱部荷载要小，表明该段昔格达地层洞周围岩压力分布较为离散，进行隧道支护设计时，应按照水平荷载整体偏小、局部应力较大考虑。

(1)

(4)试验段隧道径向围岩压力竖向分量最大值位于拱顶处(DK566+445断面除外)，为112～168kPa，小于根据《隧规》计算所得的深埋隧道垂直均布压力值264.7kPa；径向围岩压力水平分量最大值位于拱脚处(DK566+440断面除外)，为64.5～105.7kPa，且围岩水平分量最大值与竖向分量之比大于0.6，大于《隧规》中V级围岩水平均布压力占垂直均布压力的取值范围0.3～0.5。

表明在天然含水率条件(约27%)下，昔格达组地层隧道开挖后拱部围岩压力竖向分量较小，边墙处围岩压力水平分量较大，需要引起注意。

3 昔格达组地层深埋隧道围岩压力计算

3.1 深埋隧道围岩压力计算方法

目前关于深埋隧道围岩压力计算方法主要有普氏公式、太沙基理论以及《隧规》。

根据地质勘察资料、前人关于昔格达土岩土力学性质研究成果以及相关文献、规范[6-9]，给出昔格达组地层常规围岩压力公式计算结果，如图3所示。

图3 常规深埋隧道围岩压力公式计算结果

3.2昔格达组地层深埋隧道围岩压力计算

将深埋隧道围岩压力常规计算理论、经验公式结果分别与现场实测结果进行对比，如表2所示。

表2 围岩压力理论计算值与实测最大值平均值的对比

由表2可以看出：普式公式没有考虑隧道埋深的影响以及粘聚力c，用于昔格达地层深埋隧道围岩压力计算具有一定的局限性；天然含水率条件下，太沙基理论计算昔格达地层隧道围岩压力则显得过于保守；由于隧规围岩压力分量与实测比值相对于普氏理论、太沙基理论和实测比值更小，相对更为接近，因此建议采用《隧规》来计算昔格达组地层深埋隧道的围岩压力。

4 结论与建议

(1)普式公式没有考虑隧道埋深的影响以及粘聚力c，用于昔格达地层深埋隧道围岩压力计算具有一定的局限性，太沙基理论计算结果与实测结果相比过于保守，《隧规》垂直均布压力计算值264.7kPa大于现场实测值112～168kPa。昔格达组地层深埋隧道垂直压力分布不均匀，试验段隧道径向围岩压力竖向分量最大值位于拱顶处，且自拱顶至墙腰处逐级递减。

(2)昔格达组地层深埋隧道水平围岩压力分布不均匀，不服从均匀分布和三角形或梯形分布，试验段隧道径向围岩压力水平分量最大值位于拱脚处，向拱顶和墙脚两个方向递减。

(3)天然含水率条件(约27%)下，昔格达组地层隧道开挖后拱部围岩压力竖向分量较小，边墙处围岩压力水平分量较大，需要引起注意。在进行昔格达组地层隧道支护设计时，应按照水平荷载整体偏小、局部应力较大考虑。