1、83双连拱隧道中隔墙压应力的计算刘劲勇 1 邓凌燕 2（1 武汉理工大学交通学院 湖北 430063）（2 江西省公路管理局科研设计所 江西 330002）摘 要：连拱隧道围岩压力及中隔墙压应力的计算是隧道设计和施工过程中一个必不可少的环节。本文采用以地球物理学的基本理论为指导，根据地球重力场的特点导出的隧道围岩环向地应力的计算表达式，将隧道模型简化 为拱进行计算，并通 过工程实 例殷家岩隧道的量测结果对计算进行验证，计算结果与实测结 果比较吻合。关键词：隧道工程；双连拱隧道；围岩压力；中隔墙；计算方法0 前 言随着山岭区公路建设的不断发展和公路等级的不断提高，公路隧道的建设规模和数量日益增大
2、。在国外，挪威己修建长达 24.5km的莱尔河谷隧道，瑞士也已修建长达 163km 的 Gotthard隧道。在我国，由于经济相对落后及公路隧道修筑起步较晚，隧道修筑技术及单洞长度与发达国家相比，还有一定的差距。但最近几年，在国家大量投资修建高等级公路的同时，公路隧道修筑规模及数量有较大的发展。隧道建设必须要保证隧道工程的安全，而隧道工程的安全主要决定于隧道设计，隧道设计的关键是隧道衬砌计算，隧道衬砌计算的传统方法是结构力学方法（主要有荷载计算、围岩弹性抗力计算、内力计算和强度校核 4个计算过程，该法适用于传统矿山法施工隧道） 。目前，许多新的计算方法也不断引入隧道衬砌计算领域像连续介质力学方
3、法（弹性理论、弹塑性理论、粘弹塑性理论等） 、数值分析方法（有限元法等） 。不管采用何种方法，合理的计算模型选择及荷载的准确计算是其中的关键。本文采用以地球物理学的基本理论为指导，根据地球重力场的特点导出的隧道围岩环向地应力的计算表达式，将隧道模型简化为拱进行计算。1 公路隧道围岩压力计算1.1计算基本思路公路隧道应沿其掘进方向每隔一段距离 W(笔者在本文中简称区段)做一代表性横截面，区段长W取值越小，代表性横截面的代表性就越强，利用该横断面得出的隧道拱周压力的准确性就越高，W的取值决定于隧道开掘处地表形状的变化及隧道走向与倾向的变化。一般情况下，公路隧道 W的取值可以是 2m或 5m。每个区
4、段的代表性横截面应大致位于该区段的中间位置。图 1 公路隧道围岩压力与应力计算原理图为一隧道某区段的代表性横断面。图 1中BO3GFO2为隧道横断面，DO 5IGO3B区域为隧道拱顶（BO 3G）压力作用区域。Q 为拱顶（BO 3G）压力作用区域内一个微元，微元质量为 dn（即地心引力） ，地心引力 dn的竖向分量 即为微元 Q对隧道拱dn顶的正压力。由于 很小很小，因此 。1cosd所以，拱径向压力作用区域也是由无数个相互紧密接触的微元构成的，作用区域全部微元重力（地心引力）的合力即为拱的径向压力。从以上论述可以看出，隧道拱顶压力来源于相应作用区域内岩土受到的地心引力，也就是说，隧道工程中的
5、各种压力均来源于地心对岩土的引力。1.2隧道区段拱周压力及应力计算假设图 1横断面代表的区段长为 W，隧道宽为2a，隧道底部高程（图 1中的 A、F 点）为 H1，侧壁顶部高程（图 1中的 B、G 点）为 H2，拱顶高程（图 1中的 O3点）为 H3，大地水准面对地心 O的半径 R（地球平均半径）为 6,371,000m。图 1所示隧道区段拱顶径向压力作用区域的断面范围为 DO5IGO3B，从地形图、地质图、设计图上可获得 DO5I自然坡面线上各点的平均高程 HJ，则该作用区域断面范围内的断面面积 S可以近似用扇形 EOJ与扇形 COH的面积之差表示，即(1) 2322/)()( /)(/HR
6、SJ 地 面 线大 地 水 准 面图 公 路 隧 道 围 岩 压 力 与 应 力 计 算 原 理 图83假设该区段隧道长为 W，拱顶压力作用区域的岩土体平均密度为 ，则该区段隧道拱顶压力作用区域岩土体的总质量 m为： S（2） 该 区 段 拱 顶 压 力 作 用 区 域 内 任 一 微 元 Q（ 质 量 为） 地 心 引 力 竖 向 分 量 为 ：dnnd)cos(由于 及 均很小很小，故，故有：1)(因此，该区段隧道拱顶压力作用区域对拱顶的总压力 P为： （3） SWmdn0若拱顶总面积为 SD，则拱顶径向应力 为：（4） /2 殷家岩隧道工程概况殷家岩隧道位于湖北省宜昌市宜都县红花套镇渔洋
7、村殷家岩屋东南，为双连拱结构四车道单向行驶的高速公路隧道。隧道位于 R平曲线上，竖曲线半径 R8000m，全长 186m(起讫桩号为K3+576K3+762)。设计纵坡为+3.4%和-0.385%的人字坡，变坡点桩号为 K3+680。隧道衬砌内轮廓采用 R=540cm单心圆曲墙形式，中隔墙二衬采用整体全环向模筑砼。隧道建筑界限为 9.75 m（宽）5.0m（高）。隧道最大埋深为 60m，最大开挖宽度为 25m。殷家岩隧道通过山体属构造削蚀深切丘陵地区，是渔洋溪冲洪积台地。根据野外调查及钻探、物探资料，隧道区内基本上为基岩出露。局部上覆薄层残坡积碎石土，其中基岩为白垩系中统罗镜滩组（K 21）的
8、一套厚层巨厚层状砾岩。残坡积层分布于山体表层，厚度一般小于 0.5m；强风化砾岩沿山坡地带分布，厚度 510m；弱风化砾岩在整个隧道段稳定分布，厚度 510m。本隧道围岩以、类为主交替变化（其中类岩 70m,类岩 116m）。按照新奥法原则设计、施工，采用复合衬砌，以锚杆、喷射砼或钢筋网喷射砼，钢拱架为初期支护，模筑素砼或钢 筋 砼 为 二次 衬 砌 ， 在 初 期 支 护 和 二 次 衬 砌 之 间 设 复 合 防 水 板作 为 防 水 层 。 隧 道 采 用 的 辅 助 施 工 措 施 主 要 有 ： 超前 长 管 棚 、 超 前 小 钢 管 及 加 固 注 浆 等 。中隔墙压力盒通常采用
9、钢弦式压力盒（亦可采用光栅光纤传感器），可获得长期稳定的测试数据。喷层表面应力测量点在左洞门、右洞门、类围岩段 和 IV类 围 岩 段 各 1个 。 中 墙 内 应 力 测 试 压 力 盒 预埋 在 砼 浇 筑 前 的 中 墙 内 ， 每 类 岩 段 1个 ， 共 5个 。3 殷家岩隧道中隔墙应力计算隧道一区段（参见图 1）W 取 2m，隧道断面 b为 11.6m（即 a=5.8m） ，根据地形图、地质图及设计图可获得：隧道底部高程 H1=105.1m，侧壁顶部高程 H2=108.2m，拱顶高程 H3=114.0m，三类围岩，四类围岩 。3/mKN 3/2.6mKN五个断面各区段断面的拱顶作用
10、区域内地表的平均高程 HJ、根据式（1） （2） （3） （4）计算得到洞周径向应力及将隧道模型简化为拱结构计算所得中隔墙压应力见表 1：表 1 中隔墙各断面计算结果 桩 号 K3+623 K3+657 K3+696 K3+722 K3+750HJ(m) 139.2 166.6 149.0 140.3 123.7P(kN) 8533.5 16852.5 11518.6 8874.5 3814.2(kN/m 2) 468.3 924.9 632.2 487.0 209.3P(kN) 8533.5 16852.5 11518.6 8874.5 3814.2应力(MPa) 1.958 3.867 2
11、.643 2.037 0.8754 殷家岩隧道的实测结果根据洞周收敛现场量测数据表明，K3+623 断面在主洞开挖后 82天，洞周位移收敛率小于0.15mm/d，根据公路隧道施工技术规范(JTJ042-94)可知，该断面围岩基本趋于稳定，而K3+657、K3+696、K3+722、K3+750 四个断面目前还没趋于稳定，有待应力的进一步释放。选取K3+623、K3+657 两个断面现场量测数据绘成应力变化曲线图如图 2、图 3：图 2 K3+623断面应力变化曲线图图 3 K3+657断面应力变化曲线图现将各个断面的计算值和实测值比较如表 2。此可知理论计算值与实测值比较吻合。表 2 理论计算
12、值与实测值比较 桩 号 应力计算值 （MP） 应力实测值 (MP)K3+623 1.958 1.73000.20.40.60.811.21.41.61.821 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71序 号应 力 值 /MPaK3+623断 面 应 力 变 化 曲 线 图-0.200.20.40.60.811.21.41.61 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51序 号应 力 值 /MPaK3+657断 面 应 力 变 化 曲 线 图应力值/MPa应力值/MPa83K3+657 3.867 1.132K3+696 2.643 0.81
13、7K3+722 2.037 1.446K3+750 0.857 0.6005 结 语中隔墙压力的量测工作是伴随着施工过程同时进行的，是构筑隧道中十分重要的部分，它既监视围岩是否安全稳定，又检验支护结构是否合理。本文通过理论计算值与实测值比较表明，该计算方法和计算模型的选择是可行的，中隔墙压力的量测和计算是可以体现压力盒断面位置围岩的稳定情况。为确保隧道安全提供可靠信息，为二次衬砌提供合理的支护时机，并为进一步深化理论研究提供原始数据。但因岩体的生成条件和地质作用的影响，以及岩体的产状和结构的复杂多变，并且在隧道构筑过程中，开挖方法、支护类型、支护时机、支护参数等都对围岩稳定性产生影响，因而寻求正确反映岩体状态的物理力学模型是非常困难的。因此，隧道的计算模型和计算方法有待进一步完善。参考文献：1 刘佑荣，唐辉明.岩体力学M.武汉:中国地质大学出版社,1999.2 李晓红.隧道新奥法及其量测技术M.北京:科学出版社,2000.3 JTJ042-94,公路隧道施工技术规范S.(下转第 87页)83
