前，存在一个位移差Au,如果围岩稳定时的形变相对较大，此时管片还应该承担形变压力。结合Hoek- Brown准则得出了得到了不同岩性、不同风化等级围岩的等效Mohr-Coulomb参数,采用弹塑性理论研究
了埋深条件下盾构隧道围岩稳定时的位移值，并根据收敛约束法分析了围岩压力的取值范围与影响因素， 可为深埋盾构隧道穿越风化岩质地层荷载取值提供参考.【关键词】盾构隧道风化岩层围岩压力收敛约束法Hoek-Brown准则Study on Load Value of Deep-buried Shield Tunnel Crossing Weathered Rocky StratumXU Chen(China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063)[Abstract] In shield tunneling, the clearance between cutting cutter head and lining segment is generally
30-40 mm, which causes a displacement difference Au before the contact between surrounding rock and support.
If the deformation of surrounding rock is relatively large when it is stable, the segment is mainly loaded by deformation load. Based on Hoek-Brown foilnre criterion and elastic-plastic theory, the displacement of surrounding rock of shield tunnel under different lithology, weathering grade and buried depth is obtained, and the pres
sure of surrounding rock is calculated by convergence constraint method. This study can provide some reference value for load selection of deep-buried shield tunnel passing through weathered rock stratum.[Key words] Shield Tunnel; Weathered Strata; Surrounding Rock Pressure; Convergence-Confinement Method; Hoek-Brown Failure Criterion1引言盾构法施工具有环境扰动影响小、装配自动化
力也多按“松散荷载”来考虑，一般分为两种:全覆 土以及考虑土体抗剪强度的压力拱理论，例如普氏 理论与太沙基松弛土压力理论。随着盾构法应用 领域的逐步拓展，隧道埋深已从浅埋逐步向深埋甚
程度高、施工安全快速等优点，特别是在地层条件
差、地质条件复杂、地下水位高等情况下具有明显的 优势，在城市隧道、越江、海隧道中广泛采用。盾构 管片要承受施工荷载，还将承受长期作用下的水土 压力，是保障隧道安全的最重要的支护措施,因此安
至深部地层发展,如北京、广州、深圳等地新建的城 市地铁，埋深最深处已近50m；现今大量规划的城
市排水深隧，规划深度50〜80m,最深可达100m；中 国多条采煤、输油、气隧道,埋深近千米叭深埋盾构隧道一般穿越风化岩层，在构造应力
全、经济、合理地进行盾构管片设计具有重大意义。荷载一结构法因具有受力明确、计算简单等优 点在工程设计、研究中大量应用，至今仍是盾构隧
场与自重应力场作用下，盾构隧道的荷载模式有别 于浅埋盾构隧道（弹性自重应力状态）。《铁路隧道 盾构法技术规程（TB 10181）》中规定了垂直压力的
道结构分析的主要手段。对于盾构隧道的荷载，一 般是指隧道正常运营期间作用在衬砌结构上的作
计算方法，岩石地层按《铁路隧道设计规范（TB 10003）》计算;土质地层，当覆土厚度W2D（D为盾 构隧道开挖外轮廓直径）时，按全土柱计算;当覆土
用力总称，包括围岩压力、水压力、地层抗力、衬砌 自重等叫其中围岩压力的确定是其中的重难点叫盾构法长期多应用于浅埋隧道的修建,围岩压 厚度＞2D时，按卸载拱效应下的全土柱计算删。然
68铁道勘测与设计 RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2019(4)而盾构法隧道的特点(切削开挖、装配式衬砌)决定 了其荷载模式与矿山法隧道有很大不同，尤其是深
埋软弱围岩，在相对较大的地应力作用下围岩的变
形较大，同时允许的位移较小，导致围岩与管片衬 砌之间产生了较大的形变压力，规范中对此没有明
确的规定。肖明清认为当盾构法修建的隧道处于 破碎、风化严重的硬岩中，应该计算这部分松散压
力，具体的计算方法可以采用铁路隧道中的塌方统
计公式，并辅以普氏理论校核叫何川等研究表明深 埋盾构隧道围岩的形变荷载在衬砌所受荷载中占 比较大，呈现出“少量松散荷载+形变荷载”受荷形
式叫齐春研究了深埋煤矿斜井管片衬砌的荷载特
征，并提出了可压缩层联合支护的方案叭既有研 究表明，深埋盾构隧道的荷载区别于浅埋，以往常
用的荷载计算方法(全土柱法、太沙基公式、隧规统 计法等)将不再适用于深埋盾构隧道，因此有必要 通过弹塑性理论研究深埋盾构隧道围岩、支护的力 与位移的协调关系,为深埋盾构隧道穿越风化岩质
地层荷载取值提供参考。2深埋盾构隧道的位移与荷载形式2.1 一般深埋隧道围岩压力的计算方法一般情况下，对于深埋盾构隧道的荷载采用 《铁路随道设计规范》推荐的统计公式，是通过对大 量铁路隧道塌方资料的统计分析叫这种统计公式
也只能在一定程度上反映围岩压力的真实情况：q=yh
(1)方=0.45 X 2»匕
(2)式中：S为围岩级别;3为宽度影响系数,G)=l+Z
(5-5)；B为坑道宽度(m)；Z为B每增加lin时围岩压 力的增减率:当B<5m时,取i=0.2 ； B>5m时，取=0.1。不过盾构隧道有别于矿山法修建的山岭隧道,
矿山法修建隧道开挖之后可以允许围岩位移以充 分发挥围岩的自承载能力，且喷锚支护是柔性支护， 洞周应力可以接近100%的释放，从而支护所受的
形变压力可以忽略不计，仅承担塌落荷载。盾构隧
道开挖到管片拼装间隔时间较短，围岩在应力释放 的过程中产生形变，盾构刀盘切削外轮廓到管片的 距离一般为Au=30〜40mm,如果围岩形变大于上述
间隙，管片由于可以看作为刚性支护，此时管片还 应承担围岩形变荷载。因此采用铁路隧道设计规
范中的塌方统计荷载不能包络管片施工、运营期间 承受的外荷载。2.2弹塑性理论位移解析解求解方法采用弹塑性理论的对圆形隧道位移解析如下:C4=—1 [^+(i-^)^/(0)]x2{sin(pLpo(l + X) + 2c-cot 为支护力，计算时取0；p。为围岩初始应力，自重应 力场为主时,p円h; c为围岩粘聚力; 凡为隧道开挖半径。需要说明的是，上述公式假定塑性状态岩体在 变形过程中体积保持不变进行位移求解，该方法未 考虑塑性区体应变的影响，也没有反映围岩卸载变 形破坏的特征。即当△”时，采用铁路隧道设计规范中的围 岩压力公式是合适的，当s<△”时，管片衬砌限制 了围岩位移，结构承受额外的荷载，会导致设计趋 于不安全。一般地勘资料中岩石地段的参数没有具体的符 合Mohr-Coulomb准则的c、(p值，只有岩石的饱和单 轴抗压强度以及对岩层的定性描述，因而可以通过 Hoek-Brown准则得出岩体Mohr-Coulomb准则的 相关计算参数，即通过由大小主应力表示的直线型 Mohr-Coulomb准则(式6)与广义非线性Hoek- Brown准则(式7)拟合来计算内摩擦角和粘聚力。Q] = tan2(45° + y)-ct3+2c-tan(45° + ^) (6)6 = — + —(叫玉+创 (7)当采用Hoek-Brown准则估计节理化岩体强度 与力学参数时，需用3个基本参数，即:岩块的单轴 抗压强度6、岩块的Hoek-Brown常数mi以及岩体 的地质强度指标GSI；E.Heok提出估计GS7的两个主要因素:岩体结 2019 No. 4深埋盾构隧道穿越风化岩层荷载取值研究徐晨69构类型和岩体的风化状况％我国《铁路隧道设计 表2岩体风化系数与风化等级关系结构 类型规范》中关于围岩分级中指出：岩体完整性系数K” 表示,K”为评价区域岩体与岩石的弹性纵波波速之 未风化微风化弱风化强风化全风化比;《岩土工程勘察规范》（GB50021）将风化系数％） Kv0.9-1.00.8-0.90.4-0.80.2-0.4<0.2定义为风化岩石与新鲜岩石饱和单轴抗压强度之 比［7］= K”与笃分别与GS7指标两个主要因素的对 应关系如表1、表2给出。选取典型的地层，由强度低到高分别选取了 角砾岩、含砾砂岩、石灰岩、花岗岩四种典型围岩, 并选取了不同的风化等级。根据地勘报告提供的 参数通过Hoek-Brown准则换算等效的Mohr- Coulomb 参数。通过弹塑性解析解计算15m直 表］岩体结构类型及相应的岩体完整系数对应关系结构 类型块状层状镶嵌碎裂 破碎状 散体状 结构结构结构径隧道开挖无支护情况下的位移值，计算结果如 Kv0.55-0.750.47-0.550.35-0.470.15-0.35<0.15表3所示。表3不同岩性与风化程度下隧道的最大位移序号岩性HRc Y(m)(kN/m3)(MPa)Vkv0.18-0.40岩体 完整性霍克-布朗准则换算位移解c(MPa) 岩位移较小;强风化岩层的围岩位移大于30mm；中 风化岩层需要根据岩性和具体的工程地质条件进 行判定;（2）如果围岩开挖切削稳定后的位移大，盾 构管片必然承受部分形变压力，在设计时需要根据 管片整体的抗弯性能需要乘以刚度折减系数\"，进 而可以近似看作厚壁圆筒问题，其支护刚度的计算 公式如下：K 一 耳优。”（才一彳） .1 ZOX盾构隧道的赋存环境与工程因素对围岩压力做针 对性分析。\"（1+7”）［（1-加8”）卅+旳彳能够提供的最大支护力为：人ax = *S（l-*） （9）3收敛约束法求解盾构隧道围岩压力收敛约束法又称为弹塑性极限平衡分析法，基 上两式中:心为管片的支护刚度;为管片可 以提供的最大支护阻力;民„为混凝土的弹性模量; %”为混凝土的泊松比\"1为管片外净空半径;旳为 于理想弹塑性模型和岩石破坏后体积不变假设可 以得到圆形巷道的围岩特征曲线，用于分析圆形隧 管片内表面半径;6为混凝土的抗压极限强度。洞在弹塑性极限平衡稳定状态下的围岩应力、位移 与支护阻力之间的关系。支护阻力与变形特性的 曲线与围岩特性曲线的交点值可以作为支护设计 对于盾构法施工工艺来说，刀盘的开挖直径一 般会大于盾构衬砌管片直径，这就使得围岩与支护 接触之前，存在一个位移差Au, —般为30~40mm, 的重要依据,表征这支护阻力和围岩变形达到了极 该间隙一般通过浆液填充，由于管片壁后填充层受 限平衡状态。由于盾构隧道管片的装配式施工与 同步注浆使围岩允许的变形值较小，可以认为围岩 填充材料、施工工艺和施工水平等因素的影响，管 片脱环后围岩径向收敛值不能精确确定，本次研究 变形是连续的，未发生整体失稳破坏。取15〜30mm范围进行研究。对于装配式管片衬砌结构，其厚度约为外径的 70铁道勘测与设计 RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2019(4)选取中风化含砂砾岩、中风化角砾岩、微风化 含砂砾岩三种岩性条件的地层，盾构隧道内径 13.6m,外径15m,隧道埋深80m,绘制围岩特征曲 线与支护特征曲线如图1(a)所示,曲线相交区域的 细部图如图1(b)所示。围岩特征曲线与支护特征 曲线交点横坐标对应平衡体系形成时的协调位移, 也即洞周围岩发生的位移，交点纵坐标为管片衬砌 结构承担的荷载。(a)整体图0.7 -■・10.6 -1£W0.5 -r\\一■一中风化含砂砾岩0.4 -Jk \"1一•一中风化角砾岩-R\\0.3 -0.2 -r、■、0.1-0.0-11IT1、• f7・〜・15 20 25 30 35 40 45 50 55 60位移 (mm)(b)细部图图1围岩特征曲线与支护特征曲线如图1所示，微风化含砂砾岩的围岩变形值小 于15mm,所以管片不会承担形变压力，说明地层条 件较好的盾构隧道管片荷载采用松散塌落荷载的 计算方法是合适的；中风化角砾岩、中风化含砂砾 岩的围岩特征曲线与支护特征曲线存在交点，所以 均要承担一定的形变压力，形变压力的大小与管片 脱环后围岩径向收敛值有关，荷载取值范围分别在 215~604kPa、85~400kPa,采用统计公式计算得到的 松散塌落荷载为166kPa(以IV级围岩计算)，可知松 散塌落荷载无法包络最不利的荷载工况，无法满足 安全系数设计法的要求。如果埋深进一步提高，形 变荷载上限值仍会增大，所以深埋盾构隧道如果穿 越风化地层时需要考虑“让压支护”措施，通过设置 可压缩层以减小管片的荷载。4结论(1) 盾构法施工刀盘切削外轮廓到衬砌管片的 间隙一般为30~40mm,这就使得围岩与支护接触之 前，存在一个位移差，如果围岩稳定时的形变大于 3070mm,此时管片还应承担一定的形变压力。(2) 一般情况下，微风化岩层的围岩位移则较 小;强风化岩层的围岩位移大于30mm；中风化岩层 需要根据岩性和具体的工程地质条件进行判定；(3) 通过收敛约束法研究了深埋盾构隧道穿越 风化岩层的荷载取值范围，并与隧规统计法松散塌 落荷载进行了对比，结果表明，当围岩较差时,统计 法荷载无法包络最不利的荷载工况，隧道结构趋于 不安全，设计时需要考虑形变压力。参考文献[1] 肖明清.大型水下盾构隧道结构设计关键问题研究 [D].西南交通大学,2014.[2] 何川，张景，封坤循构隧道结构计算分析方法研究[J]. 中国公路学报,2017,30(08):1-14.⑶TB 10181-2017,铁路隧道盾构法技术规程[S].北京： 中国铁道出版社，2017.[4] TB 10003-2016,铁路隧道设计规范[S].北京：中国铁 道出版社，2016.[5] 齐春.大埋深盾构斜井衬砌结构力学性能研究[D].西 南交通大学,2017.[6] 王可意，徐东强.定量化GSI在估计岩体力学参数中 的应用研究[J1.铁道科学与工程学报，2016, 13 (11): 2168-2173.[7JGB50021，岩土工程勘察规范[M].中华计划出版社， 2002.收稿日期：2019-3-6
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