石太客运专线南梁隧道进、出口段位于直线上?受太行山隧道设2条单线隧道（线间距35．0m）的影响?线路需由两条单线隧道（线间距35．0 m）逐渐过渡为一条双线隧道（线间距4．6m）。南梁隧道的坡度为单面坡?坡度为13．4‰。区段隧道穿越泥质条带灰岩、鲕状灰岩?弱风化－微风化?岩体完整?呈块状整体结构。地下水为基岩裂隙水和裂隙溶隙水?水量不大?隧道围岩分级主要为Ⅱ级；但 DI K63＋015～DI K62＋ 075段为断层破碎带及其影响带?围岩为泥质条带灰岩、页岩、鲕状灰岩、断层角砾岩、闪长岩脉?岩体破碎? 碎石角砾状散体结构?易突水?隧道围岩分级为Ⅳ级。经现场专家分析研究确定南梁隧道单、双线隧道过渡采用大跨度结构?其大跨度结构过渡方案平面示意图如图1所示。

图1 大跨度结构过渡方案平面示意图

南梁隧道大断面跨度大?约为铁路单线隧道跨度的5倍。其隧道断面（跨度23．34m、高度13．95m）?对不同级别围岩?取规范中此级别围岩参数范围内的中间值?如表1所示。

对各种理论的围岩压力进行对比分析?Ⅰ～Ⅵ级围岩地层荷载与埋深的关系曲线分别如图2～7所示。

从图2～7可以看出：在不同围岩级别条件下?全土柱理论计算的竖直地层荷载最大?其次分别是谢家烋理论荷载、比尔鲍曼理论荷载。而深埋隧规荷载、普氏理论荷载和太沙基理论荷载则由于围岩级别的不同大小而略有不同。铁路隧道规范规定的在浅埋条件下?分别采用全土柱荷载和谢家烋理论荷载是偏于安全的?但深埋条件下的规范荷载则明显偏小和不安全。

图6 Ⅴ级围岩竖直地层荷载与埋深的关系

图7 Ⅵ级围岩竖直地层荷载与埋深的关系

由各种围岩压力理论分析可知?小跨度隧道规范深埋围岩荷载较为合理?按隧道宽度修正的规范公式? 深埋时围岩压力随宽度增加后逐渐小于比尔鲍曼理论围岩压力?甚至小于普氏理论围岩压力?特别是大跨度隧道深埋围岩压力更加偏小和不安全。根据各围岩压力理论适用性和工程实践经验可知?深埋隧道全土柱围岩压力和谢家烋理论围岩压力明显偏高?普氏理论和太沙基理论围岩压力明显偏低。若修正铁路隧道规范围岩压力计算公式?使其深浅埋分界不变?当为深埋时?把铁路隧道规范围岩压力计算公式提高到谢家烋荷载曲线处?则可让围岩压力取值得到适当提高?使大跨度隧道结构设计趋于安全。

对于跨度为23．34 m 的大断面隧道?在极浅埋、浅埋情况?仍然分别采用全土柱理论荷载和谢家烋理 论荷载。对于深埋条件?推荐超大断面隧道竖直压力 采用修正的铁路隧道规范来计算围岩压力。推荐公式如式（1）所示：

式中：γ为围岩重度（kN／m3）；H 为隧道的埋深（m）；Bt 为隧道跨度（m）；θ为滑面摩擦角（°）；λ为侧压力系数；S 为围岩级别?如Ⅲ级围岩 S＝3；k 为压力增加系数k＝0．01S4－0．159S3＋0．903S2－2．28 S＋4．527?曲线拟合得到；ω为宽度影响系数?ω＝1＋ i（Bt －5）× φ●；hq ＝0．45×2S－1ω?i 为 Bt 每增减1 m 时的围岩压力增减率?以 Bt ＝5 m 的围岩垂直均布压力为准?当 Bt ＜5m 时?取 i＝0．2；Bt ＝5～15m 时?取 i＝0．1。

由现行规范、推荐公式式（1）及深浅埋分界论述可得对于当隧道跨度为23．34m 时的大断面隧道?各级别围岩（围岩各参数取规范中间值?即按表1取值）深 浅埋分界值及深埋时围岩压力取值如表2所示。

从表2可以看出：由规范与推荐公式得出的深埋时围岩压力相差较大?规范围岩压力取值偏小?用推荐公式（1）计算更为合理与安全。

由规范中的计算公式和推荐公式（1）得出的竖直围岩压力与隧道埋深的关系曲线如图8所示。作用在结构两侧的水平侧压力仍采用铁路隧道设计规范的规定来计算。

图8 竖直围岩压力与埋深的关系示意图

为了对采用推荐公式和规范进行的超大断面隧道围岩压力计算方法对比分析（荷载－结构模式）?以南梁隧道喇叭口段超大断面为例?采用荷载－结构模式进行分析。计算采用 Midas－GTS 计算软件?采用荷载－结构模式?二衬采用二维梁单元模拟?梁单元宽度为单位宽度?即1 m?梁高按结构实际厚度考虑?即0．60m。隧道结构与围岩之间的接触关系采用仅受压的弹簧单元模拟。围岩抗力采用弹簧单元模拟?在隧道洞周全部施加仅受压的弹簧单元?当围岩受拉时弹簧不起作用?围岩弹性抗力系数按规范取值。结构计算参数根据铁路隧道设计规范确定?如表3所示?计算模型见图9。

图9 计算模型

计算中采用标准断面?围岩压力按Ⅱ级考虑?围岩的侧压力系数取0。衬砌荷载分配均按10 ％考虑。二次衬砌结构的内力分布如图10、1 所示。所得关键截面内力以及安全系数如表4所示。

由图8、10和图1  及表4可知?按铁路隧道设计规范所取荷载较小?所得弯矩和轴力均小于文中推荐 公式计算值?对于超大断面隧道设计和施工可能存在 安全隐患?而按该文推荐的公式取竖向土压力计算?现 有的结构均能满足安全度要求?确保了结构的安全。

图10  规范公式计算得到的内力图

图11 推荐公式计算得到的内力图

在南梁隧道喇叭口超大断面段埋设两个监测断 面?对围岩压力及支护应力进行实地量测?以便合理确定超大断面隧道围岩压力及其分布规律。喇叭口超大断面的测点布置图如图12所示。实测超大断面围岩压力与推荐公式和规范计算的围岩压力对比见表5。

由实测围岩压力与推荐公式和规范计算值的对比可知?实测围岩压力基本小于推荐公式计算值但是却 比规范计算的围岩压力值大很多?验证了推荐公式的适用性及合理性。

图12  喇叭口段大断面测点布置

规范规定的在浅埋条件下?分别采用全土柱荷载和谢家烋理论荷载是偏于安全的?但深埋条件下的规范荷载则明显偏小和不安全。

该文对深埋隧道竖向围岩压力公式做了适当修正?将该文推荐方法运用于石太客运专线超大断面 南梁隧道设计和施工中?确保了结构的安全?并取得了良好的经济和社会效益。