隧道围岩稳定与支护设计分析

隧道围岩稳定与支护设计分析

1．前言

福厦铁路是我国东南沿海干线的组成部分，已列围我国一级干线；该线的建设将完善福建省及我国东南路网，促进铁路沿线各市县经济的发展，为形成海峡西岸经济繁荣带创造有利条件。天马山隧道全长3622m， 沿线经7条断层，地质条件复杂，勘察和设计工作难度较大；对于洞室围岩稳定分析研究，上世纪五十年代前，主要采用弹性弹和塑性理论分析计算围岩压力、变形及稳定性。自五十年代以来，人们已认识到岩体的流变现象，于是又将流变理论引入到岩体力学，至七十年代，岩体流变特性及岩体流变地压的研究已非常活跃。八十年代以来，弹塑性和流变分析仍是主流。同时损伤、断裂、扩容及膨胀耦合作用等围岩力学模型已成为研究的热点；本论文在此根据新奥法理念采用弹塑性理论对天马山隧道最大埋深处围岩进行稳定性分析。

2．域地质环境条件

福厦铁路经过的福州至厦门一带，是福建省主要经济发达区。线路先后经过福州市、福清市、莆田市、泉州市、厦门地区，跨越闽江、乌龙江、龙江（融江）、里海河、迳江、秋芦溪、木兰溪、洛阳江、晋江、西溪河、后溪河等较大河流水系；区内福厦高速公路及324国道与铁路并行，多次交叉。除此之外，测区乡村公路四通八达， 阡陌纵横，水网密布，交通方便；天马山隧道地处福建东南沿海惠安县境内，地貌上属低山丘陵区。地形起伏大， 隧道全长3622m，最大埋深330m,属低山丘陵区,地形起伏大，地面高程一般30～387m，相对高差150～300m。自然坡度25～45°，坡陡沟深，沟谷多呈“V”字形。隧道区上覆地层主要为第四系全新统坡残积层粉质粘土，进口处厚4～10m，出口段厚2～6m。下伏基岩为侏罗系上统南园组凝灰凝灰岩， 节理裂隙发育，岩体较破碎，全风化及强

风化层厚3～12m；石英闪长岩,中粗粒结结构，块状构造,其全风化及强风化层厚度大于10～20m；花岗岩，中粗粒结构，块状构造。该岩层仅分布于隧道出口右侧，全风化及强风化层厚5～20m；隧道位于长乐至诏安北东向断裂带中段，隧道区主要构造线走向均以北东向为主，北西向次之。本次野外调查资料对影响隧道区的主要断裂有七条断层，F1断层：与天马山隧道呈行走向，交角10°-15°，为一条先张后压的压扭性断层。F2断层：与天马山隧道呈40°相交，与隧洞左洞交于DK135+975m处，是一条经过多期次活动的断裂构造。F3断层：与隧洞轴线交于DK134+920m处，交角51°，带内岩石挤压明显，两侧侏罗系南园组（J3nc）晶屑凝灰熔岩硅化现象明显。F4断层：与隧洞轴线交于DK133+736m处，近直交，带内岩石极为破碎，岩石被挤压呈片状，呈明显的定向排列，其产状与断层面平行。F5节理密集带：与隧洞轴线交于DK134+250m处，交角20-28°，为一系列平行排列的挤压片理带，节理面平直、光滑，延伸很远，呈闭合状，密度可达13-15条/米。F6节理密集带：与隧洞轴线交于DK135+396米处，交角65-75°，为一系列平行的挤压片理带，带宽15-20米，节理面平直光滑，延伸很远，呈闭合状，密度7-/米。F7断层：与隧洞轴线交于DK136+374m处，交角40°，断层影响带附近岩石硅化强烈，质地坚硬，锤击声脆。隧道沿线在断裂破碎带或节理密集带发育地段，地下水相对富集，水质属HCO3—.CL-—Ca2+.Na+型，该水对混凝土具弱硫酸型酸性侵蚀性，对隧道施工产生不良影响；沿线无不良地质现象、特殊岩土、放射性及有害气体等，地表水库水对对该隧道影响较小。因此该隧道工程地质条件一般。

3．道围岩稳定性分析与涌水量预测

隧道围岩是否稳定决定于围岩应力重分布后的大小，包括环向应力和径向应力；其中环向应力是控制隧道破坏的主导因素。而在计算围岩压力的方法中，很多方法都带有经验性，对于深埋和钱埋隧道围岩压力计算方法也不相同。故对于天马山隧道，应先确定最大埋深处的埋深类别。根据计算深埋隧道围岩压力的经验公式 ｑ＝0.45ⅹ26-Sγｗ，参照该

隧道岩石物理力学性质参数：密度γ=2.6g／cm³ 内摩擦角 Φ ＝30°内聚力Ｃ＝0.3MPa 抗压强度Ｐ＝50Mpa；可得：ｑ＝24.336ｔ／ｍ２，其等效深度为ｈp＝ｑ/γ＝9.36米。按照深浅埋隧道分界深度公式 Ｈp＝（2～2.5）hp 可得天马山隧道深浅埋分界深度在 18.72m～23.4m 之间，远小于330m, 故该处隧道为深埋隧道。

由于该处围岩为均一得凝灰熔岩，可假设隧道开挖后极短得时间内，围岩仍处于弹性变化状态，且介质连续，各向同性 则根据应力重分布公式 σr＝1/2(1+λ)p[1-(a/r)²]＋1/2（λ-1）p(1-4a2/r2+3a4/r4)cosθ；σθ＝1/2(1+λ)P(1+a2/r2)-1/2(λ-1)p(1+3a4/r4)cosθ 可分别算得迅速开挖后洞室某半径处径向和环向压力。由该两公式可以看出：当所取半径为隧道半径时，所得环向压力为自重引起的原岩压力的2倍，于是带入勘察资料中所需的各参数得： σθ＝2p＝17134Kpa

根据岩体莫尔－库仑准则，当岩体强度包络线与岩体应力σθ、σr的莫尔圆相切时，岩体进入塑性状态，有公式

（σθ－σr）/2＝[(σθ+σr)/2+Cctgφ]sinθ 变换后可得：

σθ＝2Cctgφsinθ/(1-sinφ) 参照规范带入 C 、φ 值，得

σθ＝1039.2Kp ＜ 2P＝17134ＫPa 所以围岩不稳定。

围岩应力超过弹性强度极限，围岩不稳定，必然发生破坏；从周边到岩体深处某一范围内将出现塑性变形区，相应半径R称为塑性区半径，径向力随着塑性区的扩大渐渐减小,为阻止塑性区严重扩大，需提供一力来平衡径向压力，即支护力。所以根据修正芬纳公式有

Ｐｉ＝-C ctgφ+[(C ctgφ+Ｐ。)(1-sinφ)]ｒ。2sinφ/R(1-sinφ)

该式说明了支护力大小Ｐｉ随Ｒ增大而减小，当给予围岩的支护力Ｐｉ越小时，则围岩体中出现的塑性区越大，但按照新奥法理念，不可能让塑性变形无休止发展下去，总要寻找一点作为最佳受力点，这就是新奥法柔性支护的出发点，是设计、施工中采取支护措施时要积极利用的。故还要考虑松动压力。有卡柯公式：Ｐa＝-Cctgφ+Cctgφ(ｒ。/R)2sinφ/(1-sinφ)+γｒ。/(3sinφ-1)[1-(ｒ。/R)3sinφ/(1-sinφ)]

该式表示了洞顶轴线支撑力Ｐa与塑性半径Ｒ关系，Pa随R增大而增大，将芬纳公式和卡柯公式建立相等关系，可得理论上最佳支护力 Pｉ=Pa=0.207Mpa；同时得到塑性半径 R=10m 。

对于隧道涌水量预测由于未在隧道轴线上施工钻孔。在此采用

（1）大气降水入渗法：Q=2.74 a W A(m3/d) 得Q=8.424×103(m3/d)

（2）地下迳流模数法：Q=M×A 得：Q=7.197×103(m3/d)

故天马山隧道预测涌水量约8.424×103（m3/d）。

4．隧道开挖截面变形位移分析

对于弹塑性交界面上位移为：uB=(1+μ)Rsinφ(P。Cctgφ)/E

带入各参数及前面所求结果得：uB＝0.039m

对于洞壁位移，根据公式 ΔR ＝（1＋μ）sinφ(P。＋Cctgφ)r。{[P。(1-sinφ)+Cctgφ] /(Pi+Cctgφ)}(1-sinφ)/sinφ /E 带入岩石各物理力学参数及前面所求结果得: ΔR= 0.105m

隧道截面位移分析结果，可以为监测工作提供依据。这样才能在为隧道提供初期柔性支护的过程中，尽可能使围岩在一定范围自由变形，充分发挥围岩的自承能力，根据监测情况判断围岩是否产生松动压力，力求达到最佳支护力。

5．隧道支护设计分析

高速铁路由于要求速度快，导致列车在隧道行驶中空气阻力很大，从而引起压力波，形成巨大噪音和震动，影响行车及旅客舒适度，因此在隧道截面尺寸设计中必须考虑阻塞比（列车截面面积与隧道净空面积比值）要求。天马山隧道要求行车速度为200 km/h，阻塞比按照我国高速铁路隧道阻塞比规定取0.43，列车尺寸：宽ⅹ高=3.4mⅹ4.8m，故所需最小净空面积为38 m2。

一般铁路隧道截面尺寸为 r1=222cm，r2=321cm，r3=935cm，a=70，b=220cm，Ф1=45度，Ф2=34度；净空面积约为30.3 m2 ，由于我国高速铁路还处在经验积累阶段，无标准尺寸做依据，这里天马山隧道截面尺寸仅参照京沪高速铁路隧道尺寸，结合一般铁路隧道设计如下：

r 1=300cm，r2=400cm，r3=1100cm，a=56cm，b=320cm，AE=470cm，AF=425cm

在计算衬砌内力过程中，取左半部分为研究对象，由于隧道左右对称，在拱顶处只有

两个多余未知力，即正压力和弯矩，属二次超静定；根据结构力学方法，建立位移协调方程，依次可求得拱顶处的正压力为 3.42MN以及弯矩等于 14.125MN•m （外部受拉），进而可求出拱圈上任意截面处的内力，从而为衬砌混凝土厚度设计、钢筋配置提供最直接的依据。

6．结论

（1）隧道区岩性单一，主要为凝灰熔岩及花岗岩，但由于断层影响，工程地质条件差异很大，围岩级别从Ⅱ级到Ⅴ级均有分布，局部地方地下水相当丰富。

（2）按照铁路隧道规范对隧道围岩进行分类，通过新奥法理念按弹塑性理论分析得出围岩不稳定，计算合理支护力为0.207Mpa。，并进行衬砌设计分析。

（3）按照我国高速铁路隧道阻塞比要求，并参照已有高速铁路隧道作出隧道截面尺寸设计 ，据此按结构力学方法求出隧道拱圈各截面受力情况，为衬砌设计提供最直接依据

手机震动，来一条微信消息，他说：“我

开好房间了，等你！他们都说你技术好，我想试试真假。真的，我平时对你也不错吧，你可不能让我干等着呀。”

她回：“那好吧，你先等我，我在家里，先洗个澡，换身衣服吧。”

半个小时后，她问：“你在哪里开房？”

“欢乐斗地主，电信一区，12号房间，不见不散哦。”

“给老娘滚！”

当然，以上是个笑话。不过，近日成都一家燃气公司也发生了一件类似的事情，董事长在微信里发了一个六十块钱的红包，三名员工一时手痒，按耐不住诱惑，结果伸手一抢纷纷中招：工作时间玩手机，罚款五百！

在面对记者采访时，董事长表示：“我为了了解大家的思想动态，所以加入了员工的微信群里。”

贵董事长显然忘记了，微信是一款私人社交APP,主要用于朋友间的情感交流，如果谈工作，我们有OA或IMO等专门的办公协作软件。

如果公司实在不成气候，一时没有使用这样的专业应用程序，也应当提前与员工约定，公司把QQ或者微信当做办公交流的专用软件。

没有事先的约定，董事长从微信里冒出来，就是以“朋友”的身份，而非“老板”的身份。朋友发红包，抢还是不抢呢？朋友上班抢红包，罚还是不罚呢？

显然，天真的员工把董事长当做了朋友，所以抢了红包，而老谋深算的董事长没有把员工当做朋友，所以罚了员工。

试探是一把双刃剑，你在试探别人的时候，往往先暴露了自己

。

然而，朋友圈里的试探之风经久不衰。

最常见的试探：“清清吧，不用回。试试吧，复制我发的消息，找到微信里的设置，通用，群发助手，全选，粘贴复制的信息发送就行，谁的发送失败了，就是把你拉黑了，你再扔掉那些尸体就OK啦！”

发出这种试探信息的人，骨子里肯定极端自卑，而且平时很可能不大受待见，要不怎么老怀疑自己被朋友删了呢？像马云，我猜他一定不会纠结于自己是不是被微信好友给删了。

我一般收到这样的消息，会当下把对方拉黑。既然你连这点做人的底气都没有，咱俩之间的友谊连这点信任的基础都没有，我还有必要把你保留在我的朋友圈里吗？

试探朋友关系的升级版，是在朋友圈求助。“临时急用，不多，就两千， 哪位朋友方便的话请来电告诉我，事情万分紧急，不挨着问了，谢谢！”

看到这样的信息，是朋友的自然要赶紧打个电话，电话接通那边却是云淡风轻，“没事儿，我就试试。”你丫小学没毕业吧，狼来了的故事听过没？下次你再说有急事，我可保不准是真是假，到时候看我帮不帮你。还有，刚才急着打电话，晾了个好几亿的大单，你赔不赔？你当我像你这么闲呢！！

还有一种另类的试探，是从网上狂下美女图片，把自己的朋友圈打扮的花枝招展，然

后换个昵称，换张头像，给自己的老公来一句：“帅哥，约吗？”

如果老公回一个心花怒放的表情，得咧，回去跪搓衣板吧。小公主碎了一地的玻璃心，一时半会儿是哄不好了。要是老公如柳下惠般一本正经，事情就这样完美收工了吗？不，她会继续下载更妖艳更动人的图片，直到有一天老公随口地问一句：“请问多少钱一晚？”

男人记住，女人试探的时候，往往心里已经有了预设的结果，预设的结果没有出现，那就是自己试探的还不够。带着一种不见黄河不死心，不见棺材不落泪的执着，女人生生把幸福推向远方。

女人，试想一下，假如你是一个男人，遇见一个才貌双全不求名利，一心只想倒贴给你的凡间仙子，难道你不会动心？

试探人性的弱点，只会暴露自己的无知。

而这样的试探，有百害而无一利，却有很多无知的朋友乐此不疲。

所以说，如果你缺乏安全感，不知道你的朋友是否把你当朋友，也不知道你的爱人是否把你当爱人，那你不妨多学习，多打扮，充实内心，提升自己。记住，你若盛开，蝴蝶

自来，无味的试探，只会使你化身荆棘，刺痛别人，刺伤自己！ 生活有压力，经济有压力，学业有压力，晋升有压力，人际关系有压力，情感世界有压力，婚姻也有压力……人们的交谈中，无不涉及林林总总的压力。压力像汽油桶被打翻，弥散到现代生活的各个领域，散发着浓烈的气味，我们躲不胜躲，防不胜防，它不定在哪个瞬间就燃起火焰。

其实，适当的压力是保持活性的重要条件。

如果空气没有了压力，我们的呼吸就会衰竭；

如果血液没有了压力，我们的四肢就会瘫痪；

如果水管子没有了压力，那结果是让任何一个住在高层楼房的人都噤若寒蝉的，你将失去可饮可用的清洁水。

20世纪的石油英雄“王铁人”也说过，“井无压力不出油，人无压力不进步”.

只是这压力须适度。比如冬日里柔柔的阳光照在身上，这是一种轻松的压力，让我们温暖和振奋。设想这压力增加十倍，在吐鲁番酷热的夏季，大伙儿只有躲到地窖里才能过活。假如这压力继续增加，到了百倍千倍，结果就是人们成了一堆焦炭了。

现代人常常陷于压力构建的如焚困境之中。也许是某一方面的压力过强，也许是多方

面的压力综合在一起。如是后者，单独某一方面的压力尚可容忍，但积少成多、日积月累，细微的压力堆积起来就成了如山的重负。金属都有疲劳的时候，遑论血肉之躯？如不减压，真怕有一天成了齑粉。

如果你因压力忙到无力自拔，忙到昏天黑地，忘记了自己的生日和家人的聚会，忘掉了自己如此辛辛苦苦究竟是为了什么，如果你想改变，就试着了解压力吧。寻找压力的种种成因，为扑朔迷离、捉摸不定的压力画像，澄清了我们对压力的迷惘之处，让折磨我们的压力毒蛇从林莽之中现形，让我们对压力的全貌和运转的轨迹有较为详尽的了解。中国的兵法上有句古话，叫“知己知彼，百战不殆”,当你认识到了你所承受的压力的强度和种类，在某种程度上你就已经钉住了压力毒蛇的“七寸”.

明白了压力的起承转合，找到了适合自己的减压方式之后，你的呼吸就会轻松一点，胸中的块垒也会松动出些许的空隙。坚持下去，持之以恒，你就会一寸寸地脱离沉重的压力，把自己成功地拔出来。