关于铁路隧道、公路隧道设计规范中对分界埋深定义、分界埋深计算公式的学习|隧道及地下工程

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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2023-06-23

主要有1点疑惑希望能请教各位老师：
TB 110003-2016条文说明/P187说明表5.1.6中数值除以对应的深埋隧道垂直荷载计算高度ha，得到一张“倍数表”，可看出中等跨度、大跨度隧道的浅埋隧道覆盖厚度值大致为对应ha的3~3.3倍，而小跨度隧道的浅埋隧道覆盖厚度值大致为对应ha的2.5~2.9倍。此外，同一围岩级别，跨度上限“倍数”大于下限。即跨度越大，按越不利考虑，这符合感性认知。
但总体来说，随围岩级别越高，围岩条件越不利，但“倍数”是下降的。这点不太理解。
能确定是【围岩级别】不是【围岩类别】，在公路隧道设计规范90版到04版是有【围岩类别】到【围岩级别】的调整的，但是铁路隧道设计规范01版一直到16版都没有，而且一直使用的【围岩级别】。

JTG 3370 1-2018/附录D/D.0.1浅埋隧道分界埋深：
Hp=(2~2.5)hq
hq=q/γ
q——用式（6.2.3）算出的深埋隧道垂直均布压力（kN/m2）；
经复核，P33/6.2 永久荷载一节中，无式（6.2.3），涉及q只有式（6.2.2-1）~式（6.2.2-5）
经复核JTG D70-2004/P29/6.2 永久荷载一节中。式（6.2.3）为垂直均布荷载计算公式。
结论：JTG 3370 1-2018附录D中关于式（6.2.3）的引用为笔误，实际指JTG D70-2004/P29的式（6.2.3）。

JTG D70-2004/P29的式（6.2.3）中：
q=γh
h=0.45*2^(S-1)*ω
S——围岩级别；
ω——宽度影响系数，ω=1+i(B-5)；

从计算公式可以看出，围岩级别越高，土层越软，需要按照全土柱理论计算的埋深分界埋深越大。即当土层较软时，及时埋深增大了，也应该按照偏保守的全土柱理论计算结构顶竖向土压力，应将结构顶土柱考虑为松散体。

荷载等效高度在JTG 3370 1-2018条文说明/P194/6.2.2中提到：
“深隧道松散荷载计算是在《公路隧道设计规范》 (JTG D70-2004)规定6.2.2的基础上，根据对大跨度隧道的围岩压力增减率进行的专题研究分析结果，做了调整和补充。
式(6.2.2-1)式(6.2.2-2)是围岩压力为松散荷载时垂直均布压力的经验公式围岩压力计算高度(h)为隧道拱顶以上围岩可能形成松散体的厚度。”

经复核JTG D70-2004条文说明/P161/6.2.1~6.2.4：
“6.2.1~6.2.4深埋隧道和浅埋隧道的围岩压力计算系原规范的规定。但原计算公式中的“围岩类别”按照国家标准《工程岩体分级标准》(GB 50218)和本规范第3章岩分级的规定,修正为相应的“围岩级别”。”

经复核原规范JTJ 026-90/P11/第二节荷载计算：
“第3.2.1条用矿山法施工的深埋隧道，围岩压力按松弛荷载考虑，其垂直均布压力可按下式计算：
q=0.45*2^(6-S)*γ
式中：q——垂直均布压力（kN/m2）；
          S——围岩类别；
          γ——围岩容重（kN/m3）；
        KB——跨度影响系数，按下式计算：
                    KB=B/8
          ω——宽度影响系数，ω=1+i(B-5)；
          B——隧道开挖跨度（m）；”
JTJ 026-90 条文说明/P94/第二节荷载计算：
“第3.2.1条深埋公路隧道直接采用铁路隧道规范的围岩压力计算公式，经可行性分析结论是肯定的，但也应看到这个公式用千公路隧道围岩压力的计算有其明显的不足之处。公路隧道与铁路隧道相比，在限界、跨度、高跨比等方面有其且身的特点，铁路隧道经验公式是通过对127座单线铁路隧道的417个塌方资料的统计分析，以5m为基本跨度整理而成的，这与公路隧道的8m基本跨度差数较大，为此规范编写组仍以铁路的塌方调查资料为基础，经过多方面的论证，找出了更适合于公路隧道围岩压力的计算公式:
P=0.8*γ*KB*e^(0.62*(6-S))
式中：P——深埋隧道垂直均布围岩压力（kPa）；
          γ——围岩容重（kN/m3）；
          S——围岩类别；
        KB——跨度影响系数，按下式计算：
                    KB=B/8
          B——隧道开挖跨度（m）；
          e——自然对数底；
经分析，式《3.1)用于公路隧道围岩压力计算方面比莱用规范式(3.2.1)要优越、合班，但专家们认为目前缺乏足够的公路隧道坍方调查资料对以上两式进行验证评估，因此规范中以采H式(3.2.1)为宜。建议在使用过程中对以上两式进行对比分析以求更加完善。”
上述条文说明中引用的“...直接采用铁路隧道规范的围岩压力计算公式...”应当指TBJ 3-85 铁路隧道设计规范。

综上所述，90版规范曾尝试对公路隧道竖向围岩压力公式以TBJ 3-85 铁路隧道设计规范的竖向围岩压力计算方法为基础做出过改进，90年发布时因缺乏足够的公路隧道坍方调查资料仍选择沿用铁路隧道方法，最终在04版和18版规范中仍采用了铁路隧道的竖向围岩压力计算公式。

公路隧道规范在围岩压力计算方面更多参考铁路隧道规范，故下文搜寻铁路隧道规范中关于计算公式和深埋分界埋深的由来。

经搜索，仅获取TB 10003-2001、2005、2016，TB 10003-2001提及更早版本仍有TB 10003-99和TBJ 3-85，未能搜索到。

铁路隧道设计规范关于深埋单洞隧道拱顶竖向围岩压力计算公式：

2001和2005版本关于深埋单洞隧道拱部竖向围岩压力计算均采用了两种计算方法（均在正文“4 作用（荷载）”中编排，并未放到附录），一种是采用概率极限状态法，一种是采用破损阶段法或容许应力法。
顾大师在《求索岩土之路》/第六篇规范之尊/4 《地基规范》的‘插曲’和回归”提及的GBJ 68-84《建筑结构设计统一标准》发布后规定采用概率极限状态设计，用分项系数表达，而当时GBJ 7-89《地基规范》被主管部门要求采用可靠度设计。铁路隧道设计规范的这一情况与地基规范类似。
01版和05版在条文说明中对4.3.3深埋单洞隧道竖向围岩压力的经验公式的描述为：
“系沿用原隧规（TBJ 3-85）的规定。”
2016年版铁路隧道规范中，在正文“5 设计荷载”为编排公式，仅引用附录D，并在P131/附录D 深埋隧道荷载计算方法中编排了采用容许应力法的经验公式，废止了套用“可靠度”的设计方法。
16版在条文说明中，对深埋隧道荷载计算方法由来做了解释：
“本附录的内容自《铁路隧道设计规范》TB 10003--2005 第4.2.4 及第 4.3.3 条。深埋隧道的围岩压力按松散压力考虑,假定隧道开挖后不加约束自由坍塌，将坍塌的岩土体的重量作为确定围岩压力的依据，式（D.0.1）系根据成昆、贵昆、川黔等铁路共127 座单线隧道 417 个施工方资料，经整理换算得出的。”

深浅埋隧道分界埋深：

铁路隧道设计规范99版、01版和05版对于浅埋深埋隧道分界埋深均采用表格形式，16版规范中才调整为公式计算形式。
01版规范中分界埋深采用P17/表4.1.4 浅埋隧道覆盖厚度值来界定深浅埋隧道，P113关于此条的条文说明阐述了出处：
“4.3.4 系沿用原隧规（TB 10003-99）附录B的规定...”
其【列分类】为围岩级别Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共3项，【行分类】为单线隧道和双线隧道共2项，其本质分类特征即隧道跨度B。
05版规范中分界埋深规定采用P19/表4.1.4 浅埋隧道覆盖厚度值划分，数值完全一致，表述略有调整，提出有不利于山体稳定的地质条件时应适当加大。

16版规范对于分界埋深的相关规定在P25的5.1.6，并说明了分界高度2.5ha中的ha应按照附录D规定计算，附录D并无ha计算公式，只有h（并无解释）计算公式，而h用于计算深埋隧道的垂直均布压力。结合“附录E 浅埋隧道荷载计算方法”的E.0.3~4（超浅埋隧道、浅埋隧道、深埋隧道分界埋深）来看，附录D的h和附录E的ha（深埋隧道垂直荷载计算高度）即为计算深埋隧道垂直均布压力q公式中所用的h。
又有P187条文说明5.1.6中提及说明表5.1.6中【行分类】调整为了小跨度隧道（5m~8.5m）、中等跨度隧道(8.5m~12m）、大跨度隧道（12m~14m）共3项，【列分类】与01版、05版相比未调整。
经复核，表中小跨度隧道和中等跨度隧道对应三类围岩级别的浅埋隧道覆盖厚度值与01版、05版规范厚度值一致。并说明了表中参数“大致按2.5倍塌方高度计算”，由于未找到2000年以前规范的条文说明，又有E.0.3~4中浅埋深埋分界高度为2.5ha的规定，推测深埋隧道垂直荷载计算高度ha即为所谓“塌方高度”。
上文公式分析可知，增大分界埋深，即，将更深的隧道分类为浅埋隧道进行计算，也即更为保守。
用说明表5.1.6中数值除以对应的深埋隧道垂直荷载计算高度ha，得到一张“倍数表”，可看出中等跨度、大跨度隧道的浅埋隧道覆盖厚度值大致为对应ha的3~3.3倍，而小跨度隧道的浅埋隧道覆盖厚度值大致为对应ha的2.5~2.9倍。此外，同一围岩级别，跨度上限“倍数”大于下限。即跨度越大，按越不利考虑，这符合感性认知。
但总体来说，随围岩级别越高，围岩条件越不利，但“倍数”是下降的。这点不太理解。

公路隧道设计规范自90版起，包括后续的04版和18版均使用分界埋深计算公式确定分界埋深，其公式为：Hp=（2~2.5）hq，hq为荷载等效高度。
hq计算公式与铁路隧道设计规范中深埋隧道垂直荷载计算高度ha相同，均为h=0.45*2^(S-1)*ω。
值得注意的是，90版规范中Ⅰ~Ⅲ类围岩采用Hp=2.5hq，Ⅳ~Ⅵ类围岩采用Hp=2hq，对应地Ⅰ类围岩为“石质围岩位于挤压极强烈的断裂带内，是角砾、砂、泥松软体”或“软塑状粘性土及潮湿的粉细砂等”；Ⅵ类围岩为“硬质岩石（饱和抗压极限强度Rb>60MPa）收地质构造影响轻微，节理不发育，无软弱面（或夹层），层状岩层为厚层，层间结合良好”。
04版规范及18版规范中由原90版规范中隧道围岩【分类】调整为【分级】，规范中Ⅰ级围岩为“坚硬岩，岩体完整”对应90版规范中的“Ⅵ类围岩”，Ⅵ级围岩为“软塑状粘性土及潮湿、饱和细粉砂层、软土等”对应90版规范中的“Ⅰ类围岩”。
故公路隧道规范中，对于更不利的围岩条件，采用更保守的分界埋深，符合感性认知。同时，推测铁路隧道设计规范中关于围岩级别越高，“倍数”下降的情况中，围岩级别实为围岩【类别】。待查阅勘查后99年~01年铁路隧道勘察规范是否有围岩类别到级别的调整。
并从“倍数”来看，公路隧道分界埋深采用的倍数整体上低于铁路隧道分界埋深。这也符合感性认知——公路隧道跨度整体上小于铁路隧道跨度。