一种软岩隧道围岩压力的计算方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 109684744 A(43)申请公布日 2019.04.26

(21)申请号 2018116078.0(22)申请日 2018.12.27

(71)申请人 石家庄铁道大学

地址 050043 河北省石家庄市北二环东路

17号

申请人 中铁第一勘察设计院集团有限公司(72)发明人 刘志春　李国良　李雷　李宁　

朱永全　王光英　(74)专利代理机构 北京汇信合知识产权代理有

限公司 11335

代理人 孙民兴(51)Int.Cl.

G06F 17/50(2006.01)

权利要求书3页 说明书9页 附图5页

()发明名称

一种软岩隧道围岩压力的计算方法(57)摘要

本发明提供一种软岩隧道围岩压力的计算方法，包括以下几个步骤：确定软岩隧道围岩压力计算的可能影响因子；建立软岩隧道实测围岩压力数据库；确定软岩隧道围岩压力计算的关键影响因子；确定垂直围岩压力计算表达式；确定侧压力系数取值范围。其中所述可能影响因子包括隧道形状、围岩重度γ、隧道开挖跨度B、隧道开挖高度Ht、隧道埋深H、支护刚度K、围岩等级或变形等级S。所述洞室形状包括马蹄形、椭圆形、圆形和近似圆形。本发明提出影响垂直围岩压力的隧道开挖跨度、隧道埋深与变形等级3个关键影响因子，这3个影响因子对围岩压力的单因素影响规律与实际工程相符。本发明不仅适用于挤压性围岩隧道，同样适用于一般软岩隧道。

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1.一种软岩隧道围岩压力的计算方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤一：确定软岩隧道围岩压力计算的可能影响因子；步骤二：建立软岩隧道实测围岩压力数据库；步骤三：确定软岩隧道围岩压力计算的关键影响因子；步骤四：确定垂直围岩压力计算表达式；步骤五：确定侧压力系数取值范围。

2.根据权利要求1所述的软岩隧道围岩压力的计算方法，其特征在于，

所述步骤一中影响垂直围岩压力和侧压力系数的可能影响因子包括隧道形状、围岩重度γ、隧道开挖跨度B、隧道开挖高度Ht、隧道埋深H、支护刚度K、围岩等级或变形等级S。

3.根据权利要求1所述的软岩隧道围岩压力的计算方法，其特征在于，

所述步骤二中软岩隧道实测围岩压力数据库中的数据包括垂直围岩压力q、侧压力系数λ、洞室形状、围岩重度γ、隧道开挖跨度B、隧道开挖高度Ht、隧道埋深H、支护刚度K和围岩等级或变形等级S。

4.根据权利要求3所述的软岩隧道围岩压力的计算方法，其特征在于，所述洞室形状包括马蹄形、椭圆形、圆形和近似圆形。5.根据权利要求1所述的软岩隧道围岩压力的计算方法，其特征在于，

所述步骤三中关键影响因子包括影响垂直围岩压力的关键影响因子以及影响侧压力系数的关键影响因子，所述影响垂直围岩压力的关键影响因子包括隧道开挖跨度B、隧道埋深H、围岩等级或变形等级S；影响侧压力系数的关键影响因子包括隧道形状、围岩等级或变形等级S。

6.根据权利要求5所述的软岩隧道围岩压力的计算方法，其特征在于，所述步骤四具体包括：

通过对步骤二数据库中实测数据的散点拟合，优化步骤三中垂直围岩压力3个关键影响因子与围岩压力的线性或非线性关系式，寻求3个关键影响因子组合表达式中相关系数最大的表达式，获得垂直围岩压力得计算关系式：

式中，q——垂直围岩压力，单位MPa；

B——隧道开挖跨度，单位m；H——隧道埋深，单位m；S——变形等级或围岩等级；e——自然常数，e＝2.718281828；ααββ1、2、1、2——拟合常数。

7.根据权利要求5所述的软岩隧道围岩压力的计算方法，其特征在于，所述步骤五具体包括：

通过对步骤二数据库中实测侧压力系数统计，分析步骤三中侧压力系数2个关键影响因子与侧压力系数的关系，获得侧压力系数取值范围如下表所示：

侧压力系数λ取值

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λ＝e/q，其中e水平围岩压力，单位MPa，q为垂直围岩压力，单位MPa；隧道形状为马蹄形或椭圆形时取表中λ较小值，隧道形状为圆形或近似圆形时表中λ较大值。

8.根据权利要求1所述的隧道围岩压力的计算方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：分析步骤二中各可能影响因子与垂直压力的线性或非线性关系表达式的相关系数，获得与垂直围岩压力相关系数最大的三个影响因子：隧道开挖跨度B、隧道埋深H、围岩等级或变形等级S，分析步骤二中各可能影响因子与侧压力系数的关系，获得对侧压力系数影响最大的两个影响因子：隧道形状及围岩等级或变形等级S。

9.一种软岩隧道围岩压力的计算方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤一：确定软岩隧道围岩压力计算的关键影响因子；步骤二：建立软岩隧道实测围岩压力数据库；步骤三：确定垂直围岩压力计算表达式；步骤四：确定侧压力系数取值范围。

10.根据权利要求9所述的软岩隧道围岩压力的计算方法，其特征在于，

所述步骤一中关键影响因子包括影响垂直围岩压力的关键影响因子以及影响侧压力系数的关键影响因子，所述影响垂直围岩压力的关键影响因子包括隧道开挖跨度B、隧道埋深H、围岩等级或变形等级S；影响侧压力系数的关键影响因子包括隧道形状、围岩等级或变形等级S；

所述步骤二中围岩隧道实测围岩压力数据库中的数据包括垂直围岩压力q、侧压力系数λ、洞室形状、隧道开挖跨度B、隧道埋深H和围岩等级或变形等级S；所述洞室形状包括马蹄形、椭圆形、圆形和近似圆形；

所述步骤三具体包括：

通过对步骤二数据库中实测数据的散点拟合，优化步骤一中垂直围岩压力3个关键影响因子与围岩压力的线性或非线性关系式，寻求3个关键影响因子组合表达式中相关系数最大的表达式，获得垂直围岩压力得计算关系式：

式中，q——垂直围岩压力，单位MPa；

B——隧道开挖跨度，单位m；H——隧道埋深，单位m；S——变形等级或围岩等级；e——自然常数，e＝2.718281828；ααββ1、2、1、2——拟合常数；所述步骤四具体包括：

通过对步骤二数据库中实测侧压力系数统计，分析步骤一中侧压力系数2个关键影响

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因子与侧压力系数的关系，获得侧压力系数取值范围如下表所示：

侧压力系数λ取值

λ＝e/q，其中e水平围岩压力，单位MPa，q为垂直围岩压力，单位MPa；隧道形状为马蹄形或椭圆形时取表中λ较小值，隧道形状为圆形或近似圆形时表中λ较大值。

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一种软岩隧道围岩压力的计算方法

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技术领域

[0001]本发明涉及一种软岩隧道围岩压力的计算方法。

背景技术

[0002]目前铁路隧道、公路隧道、水工隧道、地下铁道等地下工程结构设计时，均采用荷载结构法进行设计，即把围岩和结构分开考虑，考虑永久荷载、可变荷载、偶然荷载等多种荷载分类，围岩压力是隧道结构设计时最主要的结构荷载，特别是在深埋山岭隧道结构设计时，大多数情况下，围岩压力是唯一的结构设计荷载。[0003]隧道围岩压力或称结构荷载，从狭义上讲是围岩作用于支护上的压力(围岩和支护被看成的两个体系)；从广义上讲，支护与围岩是一个共同体，二次应力的全部作用力视为围岩压力。可分为四类：[0004]1)松动压力：松动脱落围岩，作用在支护上的岩体的自重荷载(自然拱、掉块等等)及时支护减小松动范围、控制松动区发展。[0005]2)塑性形变压力：阻止围岩塑性变形时，作用在支护上的压力。[0006]3)冲击压力：岩体中的能量突然释放(岩爆)所形成的压力。[0007]4)膨胀压力：围岩膨胀所形成的压力

[0008]目前只有松动压力及塑性形变压力能够计算，主要经验公式分类如表1 所示。另外国外还有基于Q系统、RMR系统、N值围岩分级的经验方法。[0009]表1围岩压力计算公式分类汇总表

[0010]

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最早提出围岩压力计算方法和计算公式是20世纪70-80年代，通过调研多个铁路

隧道塌方资料而得出深埋隧道围岩压力计算公式，写入《铁路隧道设计规范》，一直沿用至今。公路隧道、深埋石质地下铁道均采用《铁路隧道设计规范》围岩压力计算公式。该计算公式适用于深埋隧道，围岩压力按松动压力考虑，假定隧道开挖后不回约束自由坍塌，将坍塌的岩土体重量作为确定围岩压力的依据，是根据成昆铁路、贵昆铁路、川黔铁路等共127座单线隧道417个施工坍方资料，经整理换算得出。[0013]上述《铁路隧道设计规范》中推荐的深埋隧道围岩松动压力计算公式。[0014]其规定为：[0015]单线、双线及多线铁路隧道按破坏阶段设计时垂直压力公式为：[0016]q＝γ×hq＝0.45×2S-1×γω[0017]式中hq——等效荷载高度值；[0018]S——围岩级别，如Ⅲ级围岩S＝3；(目前铁路、公路等围岩分级，均将围岩分为6个等级)

[0019]γ——围岩容重；

[0020]ω——宽度影响系数，其值为：ω＝1+i(B-5)[0021]其中B——坑道宽度(m)；[0022]i——B每增加1m时，围岩压力的增减率(以B＝5m为基准)，当B<5m 时取i＝0.2，B>5m时，取i＝0.1。

[0023]其适用条件为：[0024](1)Ht/B<1.7(Ht为隧道开挖高度)；[0025](2)深埋隧道；[0026](3)不产生显著的偏压力及膨胀压力的一般围岩；[0027](4)采用钻爆法施工的隧道。

[0012]

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随着现代隧道施工技术的发展，可将隧道开挖引起的破坏范围控制在最小限度

内，所以围岩松动压力的发展也将受到控制。[0029]在上述产生垂直压力的同时，隧道也会有侧向压力出现，即水平围岩压力e，e可按表2中的经验公式计算(一般取平均值)，其适用条件同垂直压力公式。[0030]表2水平均布松动压力

[0031]

围岩级别 Ⅰ～Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 水平围岩压力 0 <0.15q (0.15～0.3)q (0.3～0.5)q (0.5～1.0)q [0032]在围岩压力的4个分类(松动压力、形变压力、冲击压力、膨胀压力) 中，松动压力和形变压力为隧道围岩中普遍存在的压力，冲击压力和膨胀压力是指特定围岩或特定情况下存在的压力。目前只有松动压力和形变压力可用公式计算，松动压力大多采用上述《铁路隧道设计规范》推荐公式计算，而形变压力计算还没有公认的普遍适用的计算公式，目前用于形变压力计算的芬纳公式和卡斯特耐尔公式，因公式包括了太多围岩物理力学参数，在实际工程中很难获取，而未能得到推广应用。[0033]所以，相比较而言，目前还没有方便结构设计应用的形变压力计算公式。而实际工程中，对于围岩分级(全部围岩分为6级，Ⅰ-Ⅲ级为硬岩、Ⅳ-Ⅵ级变软岩)中的Ⅳ-Ⅵ级软岩，以及目前大量涌现的挤压性围岩大变形隧道而言，围岩压力以形变压力为主。因此，实际工程中，对于一般软岩及挤压性隧道，仍按常规围岩松动压力进行隧道结构设计，造成支护刚度不足而变形侵入隧道净空而反复拆换、支护开裂、钢架扭曲，甚至坍塌和二次衬砌压溃等严重问题的工程案例大量涌现。其核心问题之一是隧道结构设计时采用的围岩压力计算公式中仅考虑了松动压力，而实际上这些隧道围岩压力以形变压力为主。当设计人员试图考虑围岩形变压力时，又无据可依。[0034](挤压性围岩是隧道工程建造中一种典型的不良地质，是在高地应力条件下，隧道周边一定范围内产生显著塑性变形或流变的岩体，具有节理裂隙发育、层间粘结力差，抗剪强度低的显著特征。围岩变形剧烈，变形量大，持续时间长，极易出现变形侵限、塌方，甚至二次衬砌压溃现象，使变形控制异常困难，施工风险极高。目前隧道结构设计时仍采用常规围岩压力进行结构设计，造成支护刚度不足而反复拆换，投资飙升，影响工期等严重问题)。发明内容

[0035]针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种软岩隧道围岩压力的计算方法，其涉及到软岩隧道围岩压力的计算方法和计算公式为松动压力和形变压力的共同作用。[0036]本发明提供一种软岩隧道围岩压力的计算方法，包括以下几个步骤：[0037]步骤一：确定软岩隧道围岩压力计算的可能影响因子；[0038]步骤二：建立软岩隧道实测围岩压力数据库；[0039]步骤三：确定软岩隧道围岩压力计算的关键影响因子；[0040]步骤四：确定垂直围岩压力计算表达式；[0041]步骤五：确定侧压力系数取值范围。[0042]优选地，所述步骤一中影响垂直围岩压力和侧压力系数的可能影响因子包括隧道形状、围岩重度γ、隧道开挖跨度B、隧道开挖高度Ht、隧道埋深H、支护刚度K、围岩等级或变

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形等级S。

[0043]优选地，所述步骤二中围岩隧道实测围岩压力数据库中的数据包括垂直围岩压力q、侧压力系数λ、洞室形状、围岩重度γ、隧道开挖跨度B、隧道开挖高度Ht、隧道埋深H、支护刚度K和围岩等级或变形等级S。[0044]优选地，所述洞室形状包括马蹄形、椭圆形、圆形和近似圆形。[0045]优选地，所述步骤三中关键影响因子包括影响垂直围岩压力的关键影响因子以及影响侧压力系数的关键影响因子，所述影响垂直围岩压力的关键影响因子包括隧道开挖跨度B、隧道埋深H、围岩等级或变形等级S；影响侧压力系数的关键影响因子包括隧道形状、围岩等级或变形等级S。[0046]优选地，所述步骤四具体包括：

[0047]通过对步骤二数据库中实测数据的散点拟合，优化步骤三中垂直围岩压力3个关键影响因子与围岩压力的线性或非线性关系式，寻求3个关键影响因子组合表达式中相关系数最大的表达式，获得垂直围岩压力得计算关系式：

[0048]

式中，q——垂直围岩压力，单位MPa；[0050]B——隧道开挖跨度，单位m；[0051]H——隧道埋深，单位m；[0052]S——变形等级或围岩等级；[0053]e——自然常数，e＝2.718281828；[00]ααββ1、2、1、2——拟合常数。[0055]优选地，所述步骤五具体包括：

[0056]通过对步骤二数据库中实测侧压力系数统计，分析步骤三中侧压力系数 2个关键影响因子与侧压力系数的关系，获得侧压力系数取值范围如下表所示：[0057]侧压力系数λ取值

[0058]

[0049]

λ＝e/q，其中e水平围岩压力，单位MPa，q为垂直围岩压力，单位MPa；[0060]隧道形状为马蹄形或椭圆形时取表中λ较小值，隧道形状为圆形或近似圆形时表中λ较大值。

[0061]优选地，所述步骤三具体包括：分析步骤二中各可能影响因子与垂直压力的线性或非线性关系表达式的相关系数，获得与垂直围岩压力相关系数最大的三个影响因子：隧道开挖跨度B、隧道埋深H、围岩等级或变形等级S，分析步骤二中各可能影响因子与侧压力系数的关系，获得对侧压力系数影响最大的两个影响因子：隧道形状及围岩等级或变形等级S。

[0059]

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本发明还提供一种软岩隧道围岩压力的计算方法，包括以下几个步骤：

[0063]步骤一：确定软岩隧道围岩压力计算的关键影响因子；[00]步骤二：建立软岩隧道实测围岩压力数据库；[0065]步骤三：确定垂直围岩压力计算表达式；[0066]步骤四：确定侧压力系数取值范围。[0067]优选地，所述步骤一中关键影响因子包括影响垂直围岩压力的关键影响因子以及影响侧压力系数的关键影响因子，所述影响垂直围岩压力的关键影响因子包括隧道开挖跨度B、隧道埋深H、围岩等级或变形等级S；影响侧压力系数的关键影响因子包括隧道形状、围岩等级或变形等级S；

[0068]所述步骤二中围岩隧道实测围岩压力数据库中的数据包括垂直围岩压力 q、侧压力系数λ、洞室形状、围岩重度γ、隧道开挖跨度B、隧道开挖高度 Ht、隧道埋深H、支护刚度K和围岩等级或变形等级S；所述洞室形状包括马蹄形、椭圆形、圆形和近似圆形；[0069]所述步骤三具体包括：

[0070]通过对步骤二数据库中实测数据的散点拟合，优化步骤一中垂直围岩压力3个关键影响因子与围岩压力的线性或非线性关系式，寻求3个关键影响因子组合表达式中相关系数最大的表达式，获得垂直围岩压力得计算关系式：

[0071]

式中，q——垂直围岩压力，单位MPa；[0073]B——隧道开挖跨度，单位m；[0074]H——隧道埋深，单位m；[0075]S——变形等级或围岩等级；[0076]e——自然常数，e＝2.718281828；[0077]ααββ1、2、1、2——拟合常数；[0078]所述步骤四具体包括：

[0079]通过对步骤二数据库中实测侧压力系数统计，分析步骤一中侧压力系数 2个关键影响因子与侧压力系数的关系，获得侧压力系数取值范围如下表所示：[0080]侧压力系数λ取值

[0081]

[0072]

λ＝e/q，其中e水平围岩压力，单位MPa，q为垂直围岩压力，单位MPa；[0083]隧道形状为马蹄形或椭圆形时取表中λ较小值，隧道形状为圆形或近似圆形时表中λ较大值。

[0084]本发明具有的优点在于：[0085]1、本发明提供的计算方法所计算的围岩压力不仅包括松动压力，还包括了形变压力。

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2、本发明提供的计算方法不仅适用于挤压性围岩隧道，同样适用于一般软岩隧

道。

3、本发明提供的计算方法提出了影响垂直围岩压力的隧道开挖跨度、隧道埋深与

变形等级3个关键影响因子，这3个影响因子在地质勘察、设计阶段容易获取，而且在一个计算公式中3个影响因子对围岩压力的单因素影响规律与实际工程相符。[0088]4、本发明提供的计算方法中侧压力系数的取值范围，与目前规范一般软岩侧压力系数衔接，扩大了侧压力系数的取值范围，与实际工程相符。[00]5、本发明提供的计算方法与实测值对比吻合良好，满足工程需要。[0090]6、本发明提供的计算方法经过了大量的实际工程检验，满足工程安全性需要。[0091]7、本发明提供的计算方法可直接应用于软岩隧道及挤压性围岩隧道的结构设计中，可避免实际工程中因只考虑松动压力计算而导致设计支护结构强度不足，从而引起支护开裂、变形侵限、衬砌破坏等安全事故。通过本发明的软岩隧道围岩压力的计算方法，从根本上解决软岩隧道，特别是挤压性围岩隧道的结构设计问题。附图说明

[0092]图1为本发明中围岩压力分布模式图，图中垂直压力及水平压力都为均匀分布，其中q为垂直围岩压力，e为水平围岩压力。

[0093]图2为围岩压力实测值q与开挖跨度B单因素的散点分布图。[0094]图3为围岩压力实测值q与隧道埋深H单因素的散点分布图。[0095]图4为围岩压力实测值q与变形等级S单因素的散点分布图。[0096]图5为本发明的计算方法与实测值的对比图。

[0097]图6为q-B曲线(垂直围岩压力与隧道开挖跨度的关系曲线)。[0098]图7为q-H曲线(垂直围岩压力与隧道埋深的关系曲线)。[0099]图8为q-S曲线(垂直围岩压力与大变形等级的关系曲线)。[0100]图9为本发明的计算方法与《铁路隧道设计规范》的计算方法对比图。具体实施方式

[0101]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0102]本发明采用实测统计分析与数值计算分析相结合的方法，统计了国内外多个隧道案例实测结果，通过数值分析的不同影响因子的影响规律，并结合我国地质勘察现状，确定挤压性围岩隧道围岩压力影响因素为围岩等级或变形等级(注：一般软岩为围岩等级，挤压性围岩为变形等级)S、开挖宽度B，埋置深度H三个因素，并经过散点拟合及相关系数分析，得出竖向(垂直) 围岩压力的计算公式。本发明的围岩压力分布模式如图1所示。围岩垂直围岩压力实测值q与开挖跨度B单因素的散点分布如图2所示，围岩垂直围岩压力实测值q与隧道埋深H单因素的散点分布如图3所示，围岩垂直围岩压力实测值q与变形等级S单因素的散点分布如图4所示。受隧道所处地质条件及支护与围岩相互作用复杂性影响，实测围岩压

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力分布离散。本发明的计算方法与实测值对比如图5所示。[0103]本发明提供一种隧道围岩压力的计算方法，包括以下几个步骤：[0104]步骤一：确定软岩隧道围岩压力计算的影响因子，通过分析现有围岩压力计算方法的影响因子、影响规律及适应性,获得影响垂直围岩压力和侧压力系数的可能影响因子，包括隧道形状、围岩重度γ、隧道开挖跨度B、隧道开挖高度Ht、隧道埋深H、支护刚度K、围岩等级或变形等级S；[0105]步骤二：建立软岩隧道实测围岩压力数据库，包括垂直围岩压力q、侧压力系数λ、洞室形状(马蹄形、椭圆形、圆形、近似圆形)、围岩重度γ、隧道开挖跨度B、隧道开挖高度Ht、隧道埋深H、支护刚度K和围岩等级或变形等级S；[0106]步骤三：确定软岩隧道围岩压力计算的关键影响因子，分析步骤二中各可能影响因子与垂直压力的线性或非线性关系表达式的相关系数，获得与垂直围岩压力相关系数最大的三个影响因子：隧道开挖跨度B、隧道埋深H、围岩等级或变形等级S(注：一般软岩为围岩等级，挤压性围岩为变形等级)，分析步骤二中各可能影响因子与侧压力系数的关系，获得对侧压力系数影响最大的两个影响因子：隧道形状及围岩等级或变形等级S；[0107]步骤四：确定垂直围岩压力计算表达式，通过对步骤二数据库中实测数据的散点拟合，优化步骤三中垂直围岩压力3个关键影响因子与围岩压力的线性或非线性关系式，寻求3个关键影响因子组合表达式中相关系数最大的表达式，获得垂直围岩压力的计算关系式：

[0108]

式中，q——垂直围岩压力(MPa)；

[0110]B——隧道开挖跨度(m)；[0111]H——隧道埋深(m)；

[0112]S——变形等级或围岩等级，S＝-1，0，1，2，3分别对应一般Ⅳ级软岩、一般Ⅴ级软岩、挤压性围岩Ⅰ级大变形、挤压性围岩Ⅱ级大变形、挤压性围岩Ⅲ大变形，一般软岩按现行规范围岩分级方法取值，挤压性围岩在勘察设计阶段按变形潜势初步判定大变形等级取值，在施工阶段根据实测变形量确认的大变形等级进行修正。[0113]e——自然常数，e＝2.718281828。[0114]ααββ1、2、1、2——拟合常数。[0115]在本实施例中，拟合常数取值为ααββ1＝0.191，2＝0.15，1＝0.445，2＝35。[0116]步骤五：确定侧压力系数取值范围，通过对步骤二数据库中实测侧压力系数统计，分析步骤三中侧压力系数2个关键影响因子与侧压力系数的关系，获得侧压力系数取值范围如表3所示：

[0117]表3侧压力系数λ取值

[0109]

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表注1：λ＝e/q，其中e水平围岩压力(MPa)，q为垂直围岩压力(MPa)；

[0120]表注2：隧道形状为马蹄形或椭圆形时取表中λ较小值，隧道形状为圆形或近似圆形时表中λ较大值。

[0121]本发明基于挤压性围岩隧道变形、力学特征数值分析及实测值统计分析，首先考虑计算方法实用性，剔除勘察隧道难以获取的内聚力c、内摩擦角φ、围岩强度应力比Rcm/P0等影响因子，然后分析围岩重度γ、隧道开挖跨度B、隧道开挖高度Ht、隧道埋深H、支护刚度K和变形等级(或围岩等级)S等影响因子与围岩压力线性或非线性关系的相关系数，再剔除相关系数小于0.10 的围岩重度γ、隧道开挖高度Ht和支护刚度K等影响因子，找出与围岩压力线性或非线性关系相关系数较大的3个影响因子，提出了挤压性围岩隧道围岩压力关键影响因子：变形等级、开挖宽度、埋置深度。

[0122]本发明基于实测数据散点拟合及数值计算影响规律分析结果，通过单因素分析、两两组合和三个因子组合的递进分析，优化关键影响因子与围岩压力的线性或非线性关系式，最终提出包括3个关键影响因子的围岩压力计算表达式。[0123]本发明计算公式与实测值的对比如图5所示，85％的计算值均在实测值± 0.2MPa范围内，对于受隧道所处地质条件及围岩与支护相互作用复杂性影响显著而实测值分布特别离散的情况下，本计算方法与实测值的吻合程度显得非常不易。[0124]变形等级对围岩压力影响显著，围岩压力随变形等级的增加呈指数增长趋势；开挖宽度及埋深对围岩压力的影响小，变形等级越高，开挖宽度和埋深的影响较大。[0125]如图6所示，隧道开挖宽度对围岩压力影响较小，当开挖宽度小于8m时较为明显，变形等级高时隧道开挖宽度对围岩压力的影响更为显著。这与实测统计和数值计算结果相符。

[0126]如图7所示，隧道埋深对围岩压力的影响较小，当埋深小于300m时较为明显，变形等级高时隧道埋深对围岩压力的影响更为显著。这与实测统计和数值计算结果相符。[0127]如图8所示，隧道变形等级对围岩压力的影响极为显著，变形等级越高，围岩压力越大，呈指数增长趋势。这与实测统计和数值计算结果相符。[0128]将本发明获得的计算公式与《铁路隧道设计规范》推荐公式对比，如图 9所示，当S＝-1，0，1时即常规变形情况下，本发明提供的计算公式与《铁路隧道设计规范》计算方法Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级计算结果相比，本发明计算结果均略大于规范计算结果，这是由于本发明计算方法不仅考虑了松动压力，还考虑了形变压力，这与实际工程是相符的；当S＝2、3时，本发明方法提供的计算公式的计算结果均大于《铁路隧道设计规范》计算结果，这与挤压性围岩隧道围岩压力实测结果是一致的；上述对比结果说明本发明的计算方法不仅适用于挤压性围岩隧道，同样适用于一般软岩隧道(围岩分级为Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级)。[0129]如图9所示，利用本发明提供的隧道围岩压力的计算方法得出的围岩压力，按现行

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《铁路隧道设计规范》结构计算方法进行安全性检算。采用挤压性围岩隧道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级推荐的结构设计参数，对铁路通用结构设计断面： 120km/h单线隧道、200km/h单线隧道、200km/h双线隧道、350km/h双线隧道进行结构安全性检算，以及目前已经运营的隧道个例：兰新二线乌鞘岭隧道、青藏铁路西格段关角隧道、兰渝铁路两水隧道和木寨岭隧道等不同大变形等级的衬砌断面及结构设计参数进行结构安全性检算，检算结果表明，衬砌结构均满足规范抗压及抗裂要求。

[0130]本发明提供的隧道围岩压力的计算方法中开挖跨度(或宽度)对围岩压力的影响规律：隧道开挖跨度对围岩压力影响较小；当开挖宽度小于一定跨度时影响较显著；变形等级越高，开挖跨度对围岩压力的影响越显著。

[0131]本发明提供的隧道围岩压力的计算方法中隧道埋深对围岩压力的影响规律：隧道埋深对围岩压力的影响较小；当埋深小于一定深度时埋深对围岩压力影响较显著；变形等级越高，隧道埋深对围岩压力的影响越显著。

[0132]本发明提供的隧道围岩压力的计算方法中变形等级(或围岩级别)对围岩压力的影响规律：隧道变形等级(围岩级别)对围岩压力的影响极为显著；变形等级越高，围岩压力越大，围岩压力随变形等级(围岩级别)呈指数增长趋势。

[0133]本发明提供的隧道围岩压力的计算方法尤其适用于挤压性围岩隧道，也可适用于一般软岩隧道；不仅适用于铁路隧道，也可适用于公路隧道和水工隧道。[0134]目前软岩隧道和挤压性围岩隧道结构设计时，围岩压力仅计算了松动压力，而无法计算形变压力，本发明的计算方法在大量实测统计和数值计算的基础上，提供了一种可计算形变压力的经验公式，经实践应用检验满足隧道结构设计的要求，本发明可直接应用于软岩隧道及挤压性围岩隧道的结构设计中，可避免实际工程中因只考虑松动压力计算而导致设计支护结构强度不足，从而引起支护开裂、变形侵限、衬砌破坏等安全事故。通过本发明的软岩隧道围岩压力的计算方法，从根本上解决软岩隧道，特别是挤压性围岩隧道的结构设计问题。

[0135]以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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