隧道上方围岩应力路径影响因素简析

以下针对围岩级别、跨度、结构形状和埋深等影响因素，使用应力路径法对地震作用下隧道结构上方压力拱的高度进行对比分析。

1.不同围岩级别

以下计算结果均是针对马蹄形隧道，跨度B=32m的情况，均是指地震作用后的情形。

（1）埋深202.86m隧道上方围岩应力路径对比如图3-21所示。

由图3-21可以看出：在隧道深埋h=202.86m时，不同级别围岩中的隧道结构在地震作用下，其上方的压力拱高度相差不大，围岩级别越高，压力拱的高度越大。

（2）埋深102.86m隧道上方围岩应力路径对比如图3-22所示。

由图3-22可以看出：在隧道埋深h=202.86m时，不同级别围岩中的隧道结构在地震作用下，其上方的压力拱高度有所差别，围岩级别越高，压力拱的高度越大。

（3）埋深52.86m隧道上方围岩应力路径对比如图3-23所示。

由图3-23可以看出：在隧道深埋较浅（h=52.86m）时，不同级别围岩中的隧道结构在地震作用下，其上方的压力拱高度相差很大，围岩级别越高，压力拱的高度越大。

图3-21　隧道上方围岩应力路径对比——不同围岩级别

图3-22　隧道上方围岩应力路径对比——不同围岩级别

图3-23　隧道上方围岩应力路径对比——不同围岩级别

综合图3-21～图3-23可以得到如下结论：①不同级别围岩中的隧道结构在地震作用下，其上方的压力拱高度有所差别，并且这种差别随着隧道埋深的减小而逐渐增大；②在同一隧道埋深的条件下围岩级别越高（Ⅱ级Ⅳ级），压力拱的高度越大。

2.不同跨度

以下计算结果均是针对矩形隧道，Ⅳ级围岩。

（1）埋深202.86m隧道上方围岩应力路径对比如图3-24所示。

由图3-24可以看出：在隧道深埋较深（h=202.86m）时，不同跨度的隧道结构在地震作用下，其上方的压力拱高度有所差别，隧道跨度越大，压力拱的高度越大。

图3-24（一）　隧道上方围岩应力路径对比——不同跨度

图3-24（二）　隧道上方围岩应力路径对比——不同跨度

（2）埋深102.86m隧道上方围岩应力路径对比如图3-25所示。

图3-25（一）　隧道上方围岩应力路径对比——不同跨度

图3-25（二）　隧道上方围岩应力路径对比——不同跨度

由图3-25可以看出：在隧道埋深h=102.86m时，不同跨度的隧道结构在地震作用下，其上方的压力拱高度差别较大，隧道跨度越大，压力拱的高度越大。

（3）埋深52.86m隧道上方围岩应力路径对比如图3-26所示。

由图3-26可以看出：在隧道深埋较浅（h=52.86m）时，不同跨度的隧道结构在地震作用下，其上方的压力拱高度有所差别，甚至在某一跨度时可能在隧道上方形不成压力拱。

综合图3-24～图3-26可以得到如下结论：①不同跨度的隧道结构在地震作用下，其上方的压力拱高度有所差别，并且这种差别随着隧道埋深的减小而逐渐增大；②在相同条件下，隧道跨度越大（16m43.6m），压力拱的高度越大。

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图3-26（一）　隧道上方围岩应力路径对比——不同跨度

图3-26（二）　隧道上方围岩应力路径对比——不同跨度

3.不同结构形状

以下计算结果均是针对Ⅳ级围岩，隧道跨度B=32m。

（1）埋深202.86m隧道上方围岩应力路径对比如图3-27所示。

由图3-27可以看出：在隧道埋深h=202.86m时，不同结构形状的隧道在地震作用下，其上方的压力拱高度有差别，圆形和马蹄形隧道上方的压力拱高度相差不大，矩形的较大。

（2）埋深102.86m隧道上方围岩应力路径对比如图3-28所示。

由图3-28可以看出：在隧道埋深h=102.86m时，不同结构形状的隧道在地震作用下，其上方的压力拱高度有差别，圆形的较小，马蹄形的次之，矩形的最大。

图3-27（一）　隧道上方围岩应力路径对比——不同结构形状

图3-27（二）　隧道上方围岩应力路径对比——不同结构形状

图（一）隧道上方围岩应力路径对比——不同结构形状

图3-28（二）　隧道上方围岩应力路径对比——不同结构形状

（3）埋深52.86m隧道上方围岩应力路径对比如图3-29所示。

图3-29（一）　隧道上方围岩应力路径对比——不同结构形状

图3-29（二）　隧道上方围岩应力路径对比——不同结构形状

由图3-29可以看出：在隧道埋深h=52.86m时，不同结构形状的隧道在地震作用下，其上方的压力拱高度有差别，圆形的较小，马蹄形的次之，矩形的最大，矩形的与圆形和马蹄形的相差较大。

综合图3-27～图3-29可以得到如下结论：①不同形状的隧道结构在地震作用下，其上方的压力拱高度有所差别，并且这种差别随着隧道埋深的减小而逐渐增大；②在相同条件下，圆形隧道上方压力拱的高度最小，马蹄形的次之，矩形的最大。

4.不同埋深

以下计算结果均是针对马蹄形隧道，Ⅳ级围岩，跨度B=32m，隧道上方围岩应力路径对比如图3-30所示。

图3-30（一）　隧道上方围岩应力路径对比——不同埋深

图3-30（二）　隧道上方围岩应力路径对比——不同埋深

由图3-30可以看出：在其他条件相同时，在地震作用下，隧道埋深较大时，其上方压力拱的高度相差不大，埋深较小时，差别变大。

上述研究表明：围岩级别越高，压力拱的高度越大；隧道跨度越大，压力拱的高度越大；圆形隧道上方压力拱的高度最小，马蹄形的次之，矩形的最大；隧道埋深较大时，其上方压力拱的高度相差不大，埋深较小时，差别变大；这些因素对压力拱高度影响的差别随着隧道埋深的减小而增大。

通过本节的计算可知地震前后隧道上方压力拱确实发生了变化，具体尺寸已经有一个初步的统计数值，为可靠起见，下一节将再通过隧道上方竖向应力的变化来进一步确定压力拱的计算高度。