深埋無砟隧道涌突荷載及清淤平臺長度研究

廖 余，舒東利，余大龍，朱麟晨

(中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031)

近年來，我國鐵路隧道在修建過程中出現不少突水突泥事故，特別是在巖溶發育山區，突泥長度甚至達幾百米。對于突水突泥荷載目前沒有相關規范規定，清淤長度、處理措施也是靠經驗選擇。突水突泥荷載以及預留清淤長度的確定成為目前急需解決的難題，對我國隧道的安全施工有重大意義。

目前，有較多學者對突水突泥原因及處理措施進行了分析［1-5］，大多是基于數值模擬與工程經驗。還沒有相關學者對不同跨度、不同斷面大小的隧道預留清淤長度及突水突泥塌方荷載進行系統的理論研究，研究成果對隧道結構安全和突水突泥處理具有重大意義。

1 突水突泥軟弱帶圍巖參數

根據調研文獻研究可得出突水突泥軟弱帶圍巖參數取值如表1所示。

表1 突水突泥圍巖段落參數調研

從表1中可以看出突水突泥段落圍巖重度γ為18 kN/m3左右，粘聚力c為10～70 kPa，內摩擦角φ為13～20°。

2 理論基礎

2.1 普氏理論

普氏理論拱頂垂直壓力的計算公式為：

2.2 太沙基理論

太沙基理論是從應力傳遞原理出發推導豎向圍巖壓力的。在太沙基理論中，假設巖土體為散體，但具有一定的黏聚力，破裂角β=45°+φ/2。

根據太沙基理論，隧道開挖后垂直圍巖壓力計算公式為：

2.3 鐵路隧規理論

根據TB 10003-2005《鐵路隧道設計規范》中圍巖壓力的計算要求，深埋隧道圍巖壓力計算公式如下：

3 突水突泥塌方垂直荷載

3.1 隧道斷面跨度分類

根據我國標準參考圖的有關跨度，將不同時速單雙線無砟隧道按跨度劃分，如表2所示。

3.2 突水突泥塌方垂直荷載

固定突水突泥段落的圍巖參數，突水突泥段參數最弱時(γ=18kN/m3，c=10kPa，φ=13°)荷載最大，參數最強時(γ=18kN/m3，c=70kPa，φ=20°)荷載最小，分析三種荷載計算理論與隧道跨度的關系。

按跨度將三種理論荷載整理分類可得出不同跨度下突水突泥塌方荷載的取值范圍(圖1、圖2)。

從圖中可以得出，普氏理論與太沙基理論計算的最大突水突泥塌方荷載比較接近，普氏理論計算的最小突水突泥塌方荷載比太沙基理論計算值稍大，按鐵路隧規理論計算突水突泥塌方荷載值偏小。

整體得出不同跨度、不同時速下突水突泥荷載取值范圍，如表3所示。

表2 無砟隧道標準圖跨度分類

圖1 不同荷載理論塌方荷載與跨度關系(最大值)

圖2 不同荷載理論塌方荷載與跨度關系(最小值)

表3 無砟隧道不同跨度突水突泥塌方垂直荷載取值

4 預留清淤長度

隧道發生突水突泥后，不應貿然清淤，必須對清淤風險進行評估，計算合理的清淤長度，預留可靠的淤泥安全距離(圖3)。

圖3 清淤封堵及荷載示意

淤泥安全距離可參考計算公式(7)～(9)，計算時可不考慮隧道側壓力系數，忽略涌泥的黏結力，只計算隧道對泥土的摩擦阻力。

式中：F摩為隧道對淤泥的摩擦阻力(kN)；F滑為淤泥的下滑力(kN)；μ為隧道與淤泥之間的摩阻系數，取0.6～0.7；γ為淤泥重度(kN/m3)；A隧為隧道斷面積(m2)；L為預留清淤段長度(m)；q為淤泥的垂直壓力(kPa)；A潰為潰口斷面面積(m2)。

現場實施清淤時，原則上采取臺階法清淤，以盡量減小清淤斷面面積。清淤前應制定安全清淤施工組織，清淤過程中隨時觀察，及時進行封堵。

由于一般突水突泥潰口面積較難確定，今假定潰口面積為10 m2、30 m2、50 m2。分別計算各工況下預留清淤長度，計算結果見表4。

表4 無砟隧道不同潰口面積預留清淤長度

整理分析表中數據可得最小預留清淤長度與潰口面積的關系。預留清淤長度與潰口面積呈線性關系，潰口面積越大最小預留清淤長度越長，潰口面積在表中范圍之間時可線性差值計算。

5 結論

論文結合資料調研、理論分析等手段，對突水突泥段落的塌方荷載和預留清淤長度進行分析，得出以下結論：

(1)通過對不同隧道突水突泥參數的調研，得出淤泥重度為γ=18 kN/m3左右，粘聚力c=10～70kPa，摩擦角φ=13～20°。

(2)基于突水突泥圍巖參數，并結合普氏理論、太沙基理論以及隧規理論，對突水突泥塌方荷載進行計算分析，得出不同時速、不同跨度下無砟隧道突水突泥塌方荷載的取值范圍。

(3)基于突水突泥塌方荷載的研究，根據隧道斷面的大小，給出了不同潰口面積下預留清淤長度建議值。