浅埋隧道围岩松动压力的确定方法

1．深、浅埋隧道的判定原则

图6-2-5　【例6-2-1】图

浅埋隧道一般出现在山岭隧道的洞口附近，埋置深度较浅。深埋隧道和浅埋隧道的分界，与很多因素有关系，只能按经验做出概略的估算，一般情况下应以隧道顶部覆盖层能否形成“自然拱”为原则。深埋隧道围岩松动压力值是以施工坍方高度（等效荷载高度值）为根据的，为了能形成此高度值，隧道上覆岩体就应有一定的厚度，否则坍方会扩展到地面。为此，深、浅埋隧道分界深度至少应大于坍方的平均高度且有一定余量。根据经验，这个深度通常为2～2.5倍的坍方平均高度值，即

式中Hp——深、浅埋隧道分界的深度（m）；

hq——等效荷载高度值（m）。

其系数在松软的围岩中取高限，而在较坚硬的围岩中取低限，如在矿山法施工条件下，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩取Hp=2hq，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ围岩取Hp=2.5hq。对于某些情况，则应作具体分析后确定。

当隧道覆盖层厚度h≥Hp时为深埋，h＜Hp时为浅埋。

2．隧道埋深h小于或等于等效荷载高度hq（h ≤hq）时围岩松动压力计算

隧道埋深h小于或等于等效荷载高度hq（h≤hq）时，因上覆岩体很薄，则围岩垂直均布压力q为

式中　γ——围岩重度（kN/m3）；

h——隧道埋置深度（m）。

围岩水平均布压力e按朗肯（Rankine）公式计算

式中　e——水平均布压力（kN/m2）；

Ht——隧道高度（m）；

φ0——围岩计算摩擦角，其值可查表6-2-4；

表6-2-4　各级围岩的θ及φ0值

其余符号意义同前。

3．隧道埋深h大于等效荷载高度hq（即h＞hq）时围岩松动压力计算

为便于计算，假定岩土体中形成的破裂面是一条与水平线成β角的斜直线，如图6-2-6所示。EFGH岩土体下沉，带动两侧三棱岩土体（图中FDB和ECA）下沉，整个岩土体ABDC下沉时，又要受到未扰动岩土体的阻力；斜直线AC或BD是假定的破裂面，分析时考虑黏聚力c，并采用了计算摩擦角φ0。另一滑面FH或EG则并非破裂面，因此，其滑动面阻力要小于破裂滑动面AC、BD的阻力，若该滑动面的摩擦角为θ，则θ值应小于φ0值。无实测资料时，θ可按表6-2-4取值。

设图6-2-6中隧道上覆岩体EFGH的质量为W，两侧三棱岩体FDB或ECA的质量为W1，未扰动岩体对整个滑动土体的阻力为F，当EFHG下沉时，两侧受到的阻力为T或T′，作用于HG面上的垂直压力总值Q浅为

三棱体自重为

式中　γ——围岩重度（kN/m3）；

h——隧道底部到地面的距离（m）；

β——破裂面与水平面的夹角（°）。

图6-2-6　浅埋隧道围岩压力示意图

由图6-2-6根据正弦定理可得

将式（6-2-9）代入可得(www.xing528.com)

式中　λ——侧压力系数；

其余符号意义同前。

至此，极限最大阻力T值可求得。得到T值后，代入（6-2-8）可求得作用在HG面上的总垂直压力Q浅

由于GC、HD与EG、EF相比往往较小，而且衬砌与岩土体之间的摩擦角也不同，前面分析时均按θ计，当中间岩土块下滑时，由FH及EG面传递，考虑压力稍大些对设计的结构也偏于安全，因此，摩阻力不计隧道部分，只计洞顶部分，即在计算时用H代替h，则式（6-2-14）成为

由于　W=BtHγ，故

式中Bt——隧道宽度（m）。

换算为作用在支护结构上的均布荷载如图6-2-7所示。

式中q浅——作用在支护结构上的均布荷载（kN/m2）。

其他符号意义同前。

图6-2-7　浅埋隧道换算均布压力示意图

作用在隧道顶部和底部的水平压力为

若侧压力视为均布，则侧压力为

【例6-2-2】某公路隧道，采用钻爆法施工，跨径B=11.38 m ，隧道洞高Ht=9.24 m，隧道主要处在Ⅴ级围岩中，围岩容重γ=21.0 kN/m3，围岩计算摩擦角为55°，摩擦角θ= 44°，假定该隧道围岩不产生显著偏压力和膨胀压力，请计算埋深分别为7.5 m、15 m两种情况时的围岩松动压力。

【解】计算时取纵向单位宽度的一环。因为5 m≤B＜14 m，所以i＝0.1，则

（1）当h=7.5 m时，h≤hq，属浅埋条件。

垂直松动压力为

q=γ×h=21 ×7.5 =157.5 kN/m

水平松动压力

（2）h=15 m时，hq＜h＜(2～2.5)hq，属浅埋条件。

垂直松动压力为

水平松动压力

e1=γ hλ=21 ×15 ×0.153 =48.2 kN/m

e2=γ(h+Ht)λ=21×(15 +9.24)×0.153 =77.88 kN/m

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