摘要： 在城乡经济不断发展的今天，对交通基本措施的建设正在不断的加强，公路的等级也越来越高，对公路隧道的建设也越来越重视。但是，从整体上来说，我们的国家的公路隧道建设起步得比较晚，发展程度还不是很高，很多的技术和研究相比较于西方发达国家来说还有很长的一段路要走。在本篇文章中笔者将理论与实践想结合，运用地球物理学的基本原理，推导出隧道围岩环向地应力的计算表达式。该表达式把比较复杂的隧道模型精简成为一个拱进行计算，与此同时还在隧道工程实例中进行了有效的实践检验。让理论应用于实际。
Abstract： In urban and rural economic development， the construction of the basic measures of traffic is ever increasing， the level of the highway is increasing， the construction of the highway tunnel is more and more valued. However， from the whole， China"s highway tunnel construction started quite late， the degree of development is not very high， there is still a long way to go for China" lots of technologies and researches compared to the western developed countries. The author combined theory with practice， used the basic principles of geophysics， deduced the calculation expression of the tunnel surrounding rock ring crustal stress. The expression streamline more complex tunnel model to become arch to calculate， at the same time， effective practice inspection was carried out in tunnel engineering example.
关键词： 隧道工程；连拱隧道；围岩压力；中间墙
Key words： tunnel engineering；arch tunnel；surrounding rock pressure；middle wall
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）06-0068-02
0 引言
随着国家对城乡经济的重视，在公路建设方面给予了很多的资金和技术支持，公路隧道的发展势头呈现良好的趋势。国家对公路隧道不仅仅是数量上的需要，还更是质量上的要求。但是，安全的隧道工程建设才是最重要的，要做到这一点首先就是要制定一套比较有效的隧道设计方案，通常情况下隧道的设计采用的方式是隧道衬砌计算，但是随着科技的发展，各种先进的计算方式在不断的引入这一个领域，比如连续介质力学方法、数值分析方法就开始被广泛的推广，逐渐的代替过去的结构力学方法。当然，传统的还是先进的隧道工程建设方法都必须要相匹配的计算模型精确的荷载计算。笔者在该论文中主要是结合着地球物理学的基本理论和隧道围岩环向地应力的计算表达式，将隧道模型简化为拱进行计算。
1 公路隧道围岩压力计算
1.1 计算基本思路 公路隧道应沿其掘进方向每隔一段距离W（笔者在本文中简称区段）做一代表性横截面。该区段W和该横截面的之间的关系是成反比的，区段是长短主要是取决于隧道所在的地形状况和隧道的具体设计，而区段的中间部分的横截面是最具有代表性的。区段越短的话横截面的代表性就更好，这样的反比能够用来计算隧道拱周压力。通常情况下，公路隧道的区段大小的仅仅是在两米到五米这个范围内波动。
图1是一个隧道所选区段的代表性横断面。图1中BO3GFO2为隧道横断面，DO5IGO3B区域为隧道拱顶（BO3G）压力作用区域。Q为拱顶（BO3G）压力作用区域内一个微元，微元质量为dn，地心引力dn的竖向分量dn′即为微元Q对隧道拱顶的正压力。由于dε很小很小，因此cos dε=1。也就是说，由很多个结构紧凑的微元组成的拱径向压力作用区域的所有地心引力的合力就是要计算的拱的径向压力。按照刚才的分析，地心引力在很大程度上影响着隧道拱顶压力。
1.2 隧道区段拱周压力及应力计算 假设图1横断面代表的区段长为W，隧道宽为2a，隧道底部高程（图1中的A、F点）为H1，侧壁顶部高程（图1中的B、G点）为H2，拱顶高程（图1中的O3点）为H3，大地水准面对地心O的半径R为6，371，000m。
图1所示隧道区段拱顶径向压力作用区域的断面范围为DO5IGO3B，从图上可获得DO5I自然坡面线上各点的平均高程HJ，则断面面积S就等于扇形EOJ的面积减去扇形COH的面积，其表达式为：
S=R+H■■（2θ）/2-R+H■+H■/2■（2θ）/2
=R+H■■θ-R+H■+H■/2■θ （1）
如果拱顶压力作用区域的岩土体平均密度为ρ，其任一微元用Q表示，质量为dn。就可以得到则该区段隧道拱顶压力作用区域岩土体的总质量表达式就是：m=ρSW（2）
地心引力竖向分量dn′为：dn′=（dn）cos（dε）
因为cos（dε）≈cosθ≈1，所以：dn′=dn
因此，该区段隧道拱顶压力作用区域对拱顶的总压力P为：P=■dn=m=ρSW （3）
若拱顶总面积为SD，则拱顶径向应力σ为：
σ=P/SD （4）
2 某隧道工程概况
本文研究了一个双连拱结构四车道单向行驶，衬砌内轮廓为R=540cm单心圆曲墙形式，中隔墙二衬为整体全环向模筑砼的高速公路隧道。隧道位于R—∝平曲线上，竖曲线半径R—8000m，全长186m（起讫桩号为K3+576—K3+762）。设计纵坡为+3.4%和-0.385%的人字坡，变坡点桩号为K3+680。其道建筑界限为9.75m（宽）×5.0m（高）。隧道最大埋深为60m，最大开挖宽度为25m。
这个高速公路隧道位于地形有点儿起伏，有的地方有水流经过的丘陵地带，按照地质调查来看，该隧道区里面大致为基岩出露。一些隧道的表面上还存在一些杂碎的状砾岩石土。山体表面的残坡积通常达不到0.5m厚；隧道里面的化砾岩的厚度是5到10m之间。
本隧道围岩以Ⅲ、Ⅳ类为主交替变化。首先是要依据新奥法的相应规定来进行模型的设计，并将其贯穿到工程建设的整个过程之中；然后使用复合衬砌的方法，在使用钢拱架作初期支护和模筑素砼或钢筋砼作二次衬砌的之间要设置一个防水层；最后就是，除了这些主要的方法之外还有超前长管棚、超前小钢管及加固注浆等这些辅助性的方法来进行隧道的围岩。
中隔墙压力盒一般都是钢弦式的，它的主要作用之一就是接受到来自喷层表面应力测量点的可靠的测试数据。中墙内应力测试压力盒预埋在砼浇筑前的中墙内，每类岩段1个，共5个。
3 隧道中隔墙应力计算
图1中W取2m，隧道断面b为11.6m，根据各种图表可以知道：隧道底部高程H1=105.1m，侧壁顶部高程H2=108.2m，拱顶高程H3=114.0m，三类围岩γ=22KN/m3，四类围岩γ=26.2KN/m3。五个断面各区段断面的拱顶作用区域内地表的平均高程HJ、根据式（1）（2）（3）（4）计算得到洞周径向应力及将隧道模型简化为拱结构计算所得中隔墙压应力见表1。
4 隧道的实测结果
按照洞周收敛现场量测结果来看，K3+623断面在主洞开挖不到三个月的时间之后，洞周位移收敛率不超过0.15mm/d，按照相关规则定理推理，该断面围岩不会出现过大的波动，但是，K3+657、K3+696、K3+722、K3+750四个断面的情况却不是很稳定，还有待观察和测验。下面的图2、图3的曲线波动的绘制展现了K3+623、K3+657两个断面的应力变化情况。
现将各个断面的计算值和实测值比较如表2。就能够闭目了然的看到理论计算值和实测值之间的浮动大小。
5 结语
隧道的方案定制和施工建设都涉及到连拱隧道围岩压力及中隔墙压应力的计算。在工程建设的整个过程中都需要实时的进行必要的中隔墙压力的量测，这样才能在构筑隧道的时候不仅仅监督和控制着隧道围岩工作，保障工程的安全和进度，还对支护结构的合理性起着检测、监督的作用。笔者将理论计算值和实际施工过程中检测到的数值进行记录，并制成表格进行对比，最后发现这样的计算方法和计算模型是符合实际应用的，中隔墙压力的量测和计算是能够比较有效的计算出压力盒断面位置围岩的具体状况，理论研究提供原始数据。这样才能及时的为隧道施工做好监督和突发情况的警报工作，帮助隧道施工人员争取救援的时间。只是，因为岩体自身的物理特性复杂多变，以及隧道构筑过程中对围岩稳定性的影响，使得找到一个反映岩体状态的物理力学模型比较难。这也是隧道的计算模型和计算方法需要改进的地方。
参考文献：
[1]刘佑荣，唐辉明.岩体力学[M].武汉：中国地质大学出版社，1999.
[2]李晓红.隧道新奥法及其量测技术[M].北京：科学出版社，2000.
[3]JTJ042-94，公路隧道施工技术规范[S].