地下工程中压力拱研究

摘要：在地下工程的建设中，由于压力拱的存在，上部土压力往往小于全覆土压力。压力拱对于我们土木工程来说无疑是一种非常有用的东西。它可以应用于很多地下结构建造中，是区分地下结构深浅埋的重要标志。压力拱是围岩自稳的一种表现形式。压力拱范围的确定对地下工程中的土压力计算起着至关重要的作用，是土木工程的重要研究对象。通过查阅相关文献可知，在隧道工程中影响压力拱的形成和范围的有三大因素：地质条件、地下结构埋深、地下结构的跨度。

关键词：自稳；压力拱；地质；埋深；跨度

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/ki.16723198.2017.01.096

1压力拱的论述

我们都应坐过火车，很多的火车隧道是穿山隧道或者地下隧道，这些隧道建在海拔成百上千米的山岭中或者地下几十米的岩土中，可是在这么大压力的山体和地面下，是如何设计支撑与开挖的呢？同样的，西北的窑洞在非常简单的支护情况下是如何保证不会坍塌的呢？这是因为围岩有一种非常特殊的性质―围岩自稳。围岩自稳是指在不受外力支护的情况下能保持自身结构自我稳定的一种力学现象。正是由于围岩自稳现象的存在使围岩自身就能承受很大一部分力，从而使支护结构能够保证地下结构的安全。

压力拱就是一种围岩自稳现象，正是由于压力拱的存在才使地下结构保持自稳状态。隧道开挖后，洞壁岩体失去原有岩体的支撑，在重力和初始应力场的作用下，原有的受力平衡状态和荷载传递路径会被破坏，隧道上部岩石或土体会坍塌掉落。若隧道的埋深使开挖作用局限在地表以下时，上覆地层的变形一松动一坍塌过程会在地表以下某个相对稳定的范围内终止，就好像在这个坍塌范围的周边出现一架能够承受以上底层全部重量的压力拱结构。这种现象被称作地层的成拱作用，似拱结构被称为压力拱，如图1，压力拱不仅只在隧道上部形成，在隧道的底部和腰部也能形成，压力拱有内外两个边界。压力拱的形成改变了介质中原有的荷载传递状态，它能够把作用于拱后或拱上的压力传递到拱脚及周围稳定介质中去，充分发挥了岩土材料良好的受压性能。作为一种具有拱的力学特性的效应，压力拱中的围岩承担着自身荷重和周边围岩的压力，它的存在能够确保隧道洞室的稳定性，并减少衬砌的受力。压力拱对地下结构的开挖是有很大的好处，首先压力拱是可以自然形成，不需要人为加力，这个自然的“力学结构”可以比人工操作更为省力，压力拱还可以应用于其他领域，如房屋建设的支梁等。

2压力拱的研究方法及研究因素

压力拱对隧道的开挖意义不言自明，但并不是所有隧道开挖都能形成压力拱。压力拱的形成受到很多因素的影响。围岩成拱的条件有三种：地理环境与土质、拱形的埋深程度、拱的跨度。

地理环境与土质―不同土质对于成拱是一种较为重要条件，土质大致分为粘土，沙，石，这些土质的硬度和塑性都不同，往往沙土之间的性质比较松散，而岩石则比较紧密。压力拱的形成本质上是把隧道上部土体的重量通过拱效应分散到周围土体，所以需要周围土体岩型较好。就像在松散的沙土里挖洞往往会形成塌陷，而在岩石里面很容易挖洞一样。所以说土质对压力拱的形成起重要作用。

埋深程度也会影响，当埋深程度较浅时，隧道开挖造成的作用效应超出了地表面，那么就形成不了压力拱，围岩上部的岩石就会完全作用在支护结构上，发生地表沉降，所以埋深程度很重要，当埋深程度达到一定时才可形成拱形结构。

隧道的跨度也同样影响着拱的形成，因为跨度决定着上方的岩石质量，而压力拱的形成是上方土压力和侧摩擦力保持平衡的一种状态，隧道开挖跨度越大，上方土压力就越大就越不容易形成压力拱。

我们对压力拱的研究有三种方法：理论研究、数值模拟、模型试验法。理论研究方面，俄国学者提出普氏理论，但由于地下环境的复杂性，理论研究还存在非常多的局限。1946年，Terzarghi通过实验证实拱效应在砂体中的存在，并对其进行了力学分析，但模型试验成本太高不适合大范围的研究。数值模拟就是把需要研究的对象通过有限元手段反映到计算机上面进行研究的一种方法。数值模拟在当前具有操作简单、成本低且能有效的模拟隧道开挖的外部环境而受到当下研究者的喜爱。本文研究方法为收集高校硕士论文里数值模拟的数据进行分析总结。所得结果见表1。

压力拱的外边界越大则越不容易成拱，从以上数据可知隧道埋深对压力拱的影响较大，埋深越大越容易形成压力拱，当隧道埋深小于一定程度就形成不了压力拱；跨度对压力拱的形成也有很大影响，跨度越大越不容易形成压力拱，并且跨度和外边界曲线近似于比例函数曲线，由此关系可近似得知当埋深和岩土性质一样的情况下，不同隧道跨度下的外边界距离，这对隧道施工中上部土压力的计算有积极的指导意义；岩土性质好的围岩如岩石比岩土性质差的围岩如沙土更容易形成压力拱，岩性越好，围岩内部的粘聚力就越大，上部压力就容易分散到周围，就越容易形成压力拱。

3结语

本文主要研究了压力拱的形成、定义以及影响因素，通过研究可以得出埋深越大、跨度越小、围岩性质越好越容易形成压力拱。压力拱可以作为一种“探索仪器”通过研究压力拱应力的转移变化来寻找矿石开采；西北的窑洞也运用了压力拱的特点，使房屋（窑洞）不易塌陷；当然在土木工程学中压力拱最大作用就是对隧道开挖所带来的意义和方便之处，压力拱的形成是区别隧道埋深的一个标志，可以形成压力拱的隧道称之为深埋隧道，这对隧道施工计算上部土压力具有积极地意义。

由于地下工程的复杂性，监测数据的缺失，对压力拱的研究尚不能形成比较明确的理论，本文的研究也具有一定的局限，希望不久的将来可以对压力拱做更深入的研究！

参考文献

[1]Terzaghi K.Theoretieal Soil mechanies[M].New York：John Wi2ley&Sones，1943.

[2]曲世.深埋城市地铁隧道对地层变形的影响及压力拱形成规律研究[D].北京：北京交通大学，2009.

[3]吴子树等.土工的形成机理及存在条件的探讨[J].成都科技大学学报，1995.