四川公路桥梁建设集团有限公司四川成都610066
摘要：隧道塌方灾害一直是困扰我国浅埋隧道设计与施工的重要难题。准确确定围岩压力成为浅埋隧道结构设计和防止围岩塌方的重要依据。通过对采用双侧壁导坑法施工时隧道变形特性的研究，提出了一种针对浅埋双地层隧道围岩压力的计算方法。利用结构力学理论，建立了围岩压力与初期支护收敛变形之间的关系，由变形监测数据计算出水平围岩压力并反算围岩力学参数，进而计算得到垂直围岩压力。以厦门市祥岭隧道为例，对该计算方法进行实例验证，结果表明，利用该计算方法得出的顶部围岩压力为47.35kPa，底部围岩压力为17.22kPa，垂直围岩压力为199.41kPa，均在传统计算方法结果的范围之内，验证了该计算方法的合理性，为浅埋双地层隧道的设计和施工提供理论参考。
关键词：浅埋隧道；塌方灾害；双地层；围岩压力；力学模型
ACalculatingMethodoftheSurroundingRockPressure
ofShallowTunnelinDoubleLayer
LIChao1
(1.SichuanRoad&Bridge(group)Co.,LtdChengdu,Sichuan,610066)
Abstract：Tunnelcollapsedisasterhasbeenanimportantproblemthatpuzzlesthedesignandconstructionofshallowtunnelinourcountry.Accuratedeterminationofsurroundingrockpressureisanimportantbasisforthedesignofshallowtunnelstructuresandthepreventionoftunnelcollapse.Surroundingrockpressureisanimportantbasisfortunneldesignandstabilitystudyonthebaseoftunneldeformationcharacteristicstakenbythedoublesidedriftmethodconstruction.Structuralmechanicstheoryisusedtoestablishtherelationshipbetweentheliningandthesurroundingrockpressureofearlyconvergencedeformation.Thedeformationmonitoringdataisusedtocalculatethelevelofsurroundingrockpressureandback-calculaterockmechanicsparameters,calculatetheverticalpressureofsurroundingrock.TakeXiangLingtunnelinXiamenasanexample,thecalculationresultsshowthatthepressureatthetopofrockusingthismethodtogetthe47.35kPa,pressureofsurroundingrockbottom17.22kPa,verticalsurroundingrockpressureis199.41kPa,arewithinthescopeofthetraditionalcalculationresults,toprovethefeasibilityofthemethod.Thisstudyprovidessomereferenceforthedesignandconstructionofshallowtunnelindoublelayer.
Keywords：Shallowtunnel;collapsedisaster;doubleformation;surroundingrockpressure;mechanicalmodel
1引言
围岩压力作用模式和计算方法是隧道工程支护结构设计中的关键问题。目前采用的浅埋隧道围岩压力计算方法主要有全土柱理论[1]、比尔鲍曼公式[2]、太沙基公式[3]、谢家杰公式以及国内相关设计规范推荐的方法等。这些公式和方法对进一步研究围岩压力起到了一定的推动作用，但是也存在一些问题。比如，全土柱计算理论[1]计算公式简便、物理意义明确，但却不能合理反映隧道围岩压力的产生机理，计算结果保守，一般只在埋深小于一倍自然平衡拱高度的超浅埋隧道采用。比尔鲍曼公式[2]计算得到的围岩压力随隧道埋深和围岩内摩擦角增大呈抛物线发展，当深度达到一定值时，围岩压力反而变小甚至出现负值，与实际情况不符。而太沙基公式[3]中侧压力系数为经验参数，其取值具有较大的主观性；当隧道高跨比小于某一定值后，计算得到围岩压力为负值，与工程实际不符[8]。《铁路隧道设计规范》[5]中的基于1025个塌方资料，建议了按概率极限状态法下以松散体考虑的围岩压力计算公式。《公路隧道设计规范》[6]中提出Ⅳ～Ⅵ级围岩浅埋隧道荷载计算公式和深埋隧道的围岩压力为松散体时的计算公式。它们是在总结以往国内外分类方法的基础上，针对中国特色的工程实际而提出来的。但是我国规范是在统计的基础上建立的经验公式，而统计样本91.6%都在5～10米宽度的隧道内取得的，在指导当前三车道、四车道等大跨度隧道时，显得无能为力[9]。
随着近年来大量的铁路、公路、引水等隧道（隧洞）的修建，隧址的地质条件越来越复杂，隧道施工工法越来越多样化，对浅埋隧道围岩压力的计算研究也越来越重视。林乐彬[10]从应力分析的角度，通过有限元软件进行应力分析，得出围岩压力规律，进而分析隧道稳定性。杨峰[11]等利用极限分析理论，根据太沙基破坏模式，计算了浅埋隧道的围岩压力；程小虎[12,13]对浅埋隧道围岩压力计算方法和隧道埋深分界进行了研究，采用极限平衡法建立了浅埋隧道松动围岩压力公式，弥补了《公路隧道设计规范》[6]的一些不足，但公式无法反映施工工法及工序对浅埋隧道围岩压力的影响，有一定的局限性。刘春进行了隧道开挖过程的模拟实验，并利用数值计算模拟不同施工工法的隧道开挖，从而分析了隧道施工围岩应力分布和喷锚力学性态的变化规律。
同时，从工程实践中不难看出，不同的围岩压力计算方法均有其特定的使用条件，以上计算方法都以均匀地层构造为前提，当隧道处于两地层交界面时，则无法直接应用上述方法计算围岩压力。
以下以双地层双侧壁导坑法隧道施工为例，通过构建结构简化模型，利用收敛变形监测数据，计算水平围岩压力，并结合作者推导的结构力学公式，对围岩压力参数进行反算，进而计算垂直围岩压力，研究对浅埋双地层隧道的设计和施工提供参考。
进行了隧道开挖过程的模拟实验，并利用数值计算模拟不同施工工法的隧道开挖，从而分析了隧道施工围岩应力分布和喷锚力学性态的变化规律。
同时，从工程实践中不难看出，不同的围岩压力计算方法均有其特定的使用条件，以上计算方法都以均匀地层构造为前提，当隧道处于两地层交界面时，则无法直接应用上述方法计算围岩压力。
以下以双地层双侧壁导坑法隧道施工为例，通过构建结构简化模型，利用收敛变形监测数据，计算水平围岩压力，并结合作者推导的结构力学公式，对围岩压力参数进行反算，进而计算垂直围岩压力，研究对浅埋双地层隧道的设计和施工提供参考。
2结构力学模型与公式
浅埋隧道开挖时，由于隧道埋深较浅，隧道拱顶覆盖层较薄，受自然条件影响较大，难以形成自然平衡拱，容易使地表发生沉降，影响地面人员、车辆及周围建筑物安全，因此，在施工时多采用浅埋暗挖法，并使用多种辅助措施加固隧道围岩，如双侧壁导坑法等。
双侧壁导坑法属于新奥法的一个分支，其原理是将整个隧道断面划分成上下左右若干个小断面，按顺序对每一个小断面分开施工，并最终形成一个大的隧道断面。首先，对①部上导坑开挖并及时施做初期支护，使①部在短时间之内具有一定的自稳能力，后续施工步骤按图1中圆圈内数字顺序依次进行开挖和施作初期支护，最终拆除临时支护，施作二衬仰拱、隧底填充及二衬拱墙。双侧壁导坑法如图1所示。
从表2中不难看出，利用传统计算方法得到的垂直方向围岩压力在189.598～203.653kPa之间，初期支护顶部水平方向围岩压力在40.935～67.415kPa之间，底部水平方向围岩压力在14.891～24.523kPa之间。利用本文中所提出的计算方法得到的计算结果均在传统计算方法的范围内，证明了该方法的可行性。
在传统的计算方法中，围岩摩擦角的取值范围是根据经验获得，具有较大的主观性，与实际情况有所出入。而本文所提出的公式则只需测得初期支护变形值，带入到公式中推算相关参数，进而得到水平方向和垂直方向的围岩压力。
5结论
通过对浅埋隧道文献分析，提出了一种新的浅埋双地层隧道围岩压力计算方法，利用隧道初期支护变形值与水平压力之间的关系，建立结构力学简化模型，计算出水平围岩压力，并反算围岩力学参数，根据浅埋隧道围岩压力公式计算垂直围岩压力。同时，以祥岭隧道为例，应用该计算方法进行隧道围岩压力计算，并与国内相关规范给出的计算结果进行对比分析，对该计算方法的可行性进行了验证，得到了如下的结论：
（1）新的浅埋隧道围岩压力计算方法源于现场实际测量，更加准确、可靠。
（2）该计算方法只需要现场量测数据，不需要获取围岩的力学计算参数，较传统的计算方法更方便。
（3）利用该计算方法，对祥岭隧道的围岩压力进行计算，水平围岩压力为17.22～47.35kPa，垂直围岩压力为199.41kPa。传统计算方法得到的水平围岩压力在14.891～53.234kPa，垂直围岩压力在196.03～203.653kPa。计算结果均在传统计算方法结果的范围之内，证明了该方法的可行性。
参考文献：
[1]李鹏飞,周烨,伍冬.隧道围岩压力计算方法及其适用范围[J].中国铁道科学,2013,06
[2]伍冬.山岭隧道围岩压力计算方法及其适用性研究.北京交通大学,2012.
[3]沈明荣.岩体力学[M].上海:同济大学出版社,1991.
[4]谢家杰.浅埋隧道的地层压力[J].土木工程学报,1964,06
[5]中华人民共和国行业标准编写组.TB10003-2005铁路隧道设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2005.
[6]中华人民共和国行业标准编写组.JTGD70-2004公路隧道设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.
[7]水利部东北勘察设计研究院.SL279-2002水工隧洞设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2002
[8]卞跃威.浅埋地铁隧道围岩压力计算方法研究[J].西部交通科技,2016,04):78-82.
[9]曲海锋,杨重存,朱合华,etal.公路隧道围岩压力研究与发展[J].地下空间与工程学报,2007,03):536-543.
[10]林乐彬,刘寒冰,刘辉.隧道围岩压力的应力分析方法[J].土木工程学报,2007,08):85-89.
[11]杨峰,阳军生.浅埋隧道围岩压力确定的极限分析方法[J].工程力学,2008,07):179-184.
[12]程小虎.改进的浅埋隧道松动围岩压力计算方法[J].铁道学报,2014,01):100-106.
[13]程小虎.土质隧道深浅埋分界的理论解析[J].地下空间与工程学报,2012,08(1):37-42.
[14]刘春.深埋大断面隧道施工力学性态研究.重庆大学,2007.
[15]王睿,袁岽洋,张进增等.基于hoek-brown强度准则的隧道围岩松动圈分析[J].中国安全生产科学技术,2017,13(3):58-63.
[16]王薇,邹江海,潘文硕等.不同施工顺序对陡坡偏压小净距隧道围岩稳定性的影响研究[J].中国安全生产科学技术,2016,12(8):28-33.