地形偏壓連拱隧道模型試驗襯砌受力研究

董昌周，曲 晨，楊建輝

(浙江科技學院，杭州 310023)

1 試驗概述

隨著相似理論的發展和完善，到20世紀70年代，地下洞室模型試驗也得到發展，特別是交通、水電等工程中一些地下洞室的規模越來越大，需要認真研究其圍巖穩定性及隧道結構的力學行為［1］。近年來，隨著高速公路的大量建設，連拱隧道由于減少征地面積、便于管理、視覺上的美觀等優點經常被設計采用。但是，連拱隧道的結構特殊性，如中隔墻修筑不理想，直接導致洞室圍巖跨度增大，對設計和施工會出現新的技術問題［2-4］，因此，采用物理模型試驗進行研究是必要的。考慮滿足相似原理的條件下，能真實反映地質構造和工程結構的空間關系，并對數值計算結果進行一定程度的對比。

2 模型試驗方案

2.1 相似材料與及相似比的確定

連拱隧道模型模擬的巖體為V級圍巖，巖體模擬材料選用重晶石粉與細砂為1∶1、松香占松香酒精溶液的百分比為8%、酒精與松香為膠結劑，其含量占相似材料總質量6%。根據相似準則［5］，推得各物理力學參數原型值與模型值的相似比如下:幾何相似比CL=20，重度相似比Cγ=1，泊松比、應變、摩擦角相似比Cμ=Cε=Cφ=1。強度、應力、凝聚力、彈性模量相似比CR=Cσ=CC=CE=20。根據上述相似關系，圍巖通過凝聚力 C、內摩擦角 φ、重度 γ、彈性模量 E、單軸抗壓強度R與原型進行相似模擬。襯砌模型材料主要考慮EI(I為截面慣性矩)相似，同時考慮材料厚度。

2.2 模型試驗箱設計

考慮平面應變問題，模型試驗箱內凈空尺寸長×寬×高為4 000 mm×40 mm×2 000 mm，此裝置采用鋼質框架結構，由上橫梁、移動橫梁、底梁及兩側的豎梁組成。

2.3 隧道模型斷面考慮

模型的斷面設計時考慮當前連拱隧道的常用洞形斷面［6］(圖1)，模型的尺寸則考慮模型箱的大小和加載系統的能力，具體的偏壓連拱隧道試驗尺寸見圖2。

圖1 傳統連拱隧道

圖2 偏壓連拱隧道試驗尺寸(單位:mm)

2.4 測點布置

采用在襯砌內外側對稱布設環向電阻應變片方式(如圖3)，測讀內外側應變值，由此獲得內外側的應力及襯砌截面的內力。選用型號為BX120-15AA電阻應變片，布片前用環氧樹脂對布片部位設基底，應變片布設經檢查合格后作防潮處理。

圖3 應變片的布置

3 模型試驗過程

3.1 模型和相似材料的安裝

1)按所確定的模型材料配比計算各原材料的用量，將細砂、ISO標準砂與重晶石粉經稱量后，裝入攪拌機攪拌均勻，將稱量好的膠合劑加入，與上述拌合物充分攪拌均勻后裝袋待用。

2)將背面槽鋼全部安裝，在適當位置加墊片，再將10 mm厚襯板鋪平，襯聚四氟乙烯薄膜;在鋼化玻璃板及塑料板內側均勻涂上洗衣液，再用干布擦拭干凈，從而減小模型箱與地層的摩擦力。

3)將正面1號～3號槽鋼逐層安裝，襯聚四氟乙烯薄膜，將攪拌均勻的模型材料分層填入模型箱，模型制作中嚴格控制模型密度。

4)安裝4號槽鋼，填土20 mm，安裝2號壓力盒，再填土100 mm，中墻位置的土中添加強度高的材料(鋼筋網片)。

5)再拆下4號槽鋼，挖出隧道槽(具體位置由有機玻璃板孔口位置確定)，安裝1、3號壓力盒，安裝隧道模型。

6)安裝4號槽鋼，填土，安裝4、8號壓力盒。

7)拆除正面1～4號槽鋼，鋪20 mm厚塑料板與有機玻璃板。

8)安裝1～6號槽鋼，填料搗實，安裝5～7號壓力盒。

9)安裝7、8號槽鋼，鋪20 mm厚塑料板，襯聚四氟乙烯薄膜，填料搗實。

10)安裝9、10號槽鋼，鋪20 mm厚塑料板，襯聚四氟乙烯薄膜，填料搗實。

11)試驗時拆除正面4、5號槽鋼和背面6號槽鋼。

12)試驗開始前，調試運行數據采集系統。

3.2 隧道開挖過程與接線

隧道開挖采用人工開鑿方式進行，待開挖完畢后將隧道內應變片線接入應變儀上，具體開挖與接線過程如圖4、圖5所示。

3.3 試驗加載與測試

待模型開挖與接線完畢，開始模型的測試，如圖6。此次模型將在 MST-600模擬試驗臺上測試，由垂向6個千斤頂進行加載，以同步方式在圍巖上方對試體施加荷載，加載按級差20 kN分級，加載采用閉環控制，每級荷載在2 min內均勻施加完畢，穩壓10 min后開始采集各種試驗數據，試驗加載至圍巖體破壞為止。到達峰值荷載后卸除全部荷載，記錄破壞形態和數據整理。

圖4 人工開挖

圖5 洞內應變片接線

圖6 模型試驗加載

4 模型試驗結果與分析

4.1 襯砌內力分析

圖7是洞室特征位置的襯砌軸力變化情況，右洞(后行洞)的襯砌軸力要大于左洞(先行洞)。兩洞室襯砌軸力變化都采用二階多項式回歸，右洞比左洞的相關系數要高。

圖8是洞室特征位置的襯砌彎矩變化情況，總體來講右洞的襯砌彎矩要大于左洞，采用二階多項式回歸，右洞比左洞的相關系數高。

從圖9中可以看出，連拱隧道對應特征部位存在明顯的受力不對稱。

圖7 襯砌軸力變化曲線

圖8 襯砌彎矩變化曲線

圖9 100 kN下模型襯砌內力分布

圖9(a)是模型試驗在100 kN荷載下的襯砌軸力分布圖。從分布圖上可以看出，左右洞室襯砌都受壓力，軸力隨著隧道上覆荷載的增大而增大，左洞最大軸力值分布于仰拱和邊墻的結合部位;右洞最大軸力值分布于靠近中墻的左拱腰。圖9(b)是模型試驗在100 kN荷載下的襯砌彎矩分布圖。假定洞室外側受拉的彎矩值為正，而洞室內側受壓的彎矩值為負。從圖可以看出，左右洞室有明顯的被壓扁的趨勢，左洞最大彎矩分布于左右拱腰和拱底，只是左右拱腰外側受拉，而拱底是洞室內側受拉;右洞最大彎矩分布于左拱腰，左右拱腰外側受拉，而拱頂和拱底都是洞室內側受拉。

4.2 洞頂位移分析

圖10是隧道拱頂位移圖。從圖中可看出:隨著荷載的增加，左洞洞頂豎向位移稍有變化，右洞洞頂豎向位移變化較大。加載到200 kN時，左洞拱頂處的圍巖體開始出現裂縫。隨著荷載的變大，裂縫變寬，直至加載到300 kN，裂縫貫穿。拆卸槽鋼前發現左洞附近有兩條裂縫(如圖11)，一條位于靠近拱頂處近似平行于坡度的裂縫，另一條位于靠近拱腰處近似平行于水平向的裂縫，最終導致左洞左拱腰處圍巖發生側移，左洞洞頂位移回彈。右洞洞頂的位移隨著荷載的增加不斷變大。從圖中看出，力與位移近似呈線性關系。

圖10 隧道拱頂位移

5 結語

圖11 圍巖體破壞實況

通過1∶20尺寸比例的模型試驗結果分析，地形偏壓作用下連拱隧道襯砌受力和拱頂沉降有以下變化規律:

1)在不同荷載下，左右洞室襯砌都受壓力，而且壓力隨著隧道上覆荷載的增大而增大，左洞最大軸力值分布于仰拱和邊墻的結合部位;右洞最大軸力值分布于靠近中墻的左拱腰。

2)試驗過程中，左右洞室有被壓扁的趨勢，左洞最大彎矩分布于左右拱腰和拱底;右洞最大彎矩分布于左拱腰。

3)在偏壓作用下，連拱隧道整體向淺埋側移動，淺埋側和深埋側的圍巖分別受被動壓力和主動壓力作用，隧道結構處于不均衡受力狀態，淺埋側隧道邊墻水平應力大于深埋側隧道。當連拱隧道在嚴重不均衡力作用下，結構將產生大變形，最終導致隧道結構出現裂縫或滲漏水。

4)隨著荷載的增加，左洞洞頂豎向位移變化不大，右洞洞頂豎向位移呈線性增大。

［1］李仲奎，盧達溶，中山元，等．三維模型試驗新技術及其在大型地下洞群研究中的應用［J］．巖石力學與工程學報，2003，22(9):1430-1426．

［2］陳少華，李勇．連拱隧道的結構分析［J］．中國公路學報，2000，13(1):48-51．

［3］楊建民．金竹嶺公路雙連拱隧道設計［J］．世界隧道，1999(1):16-20．

［4］丁文其．龍山淺埋大跨度連拱隧道施工方案優化分析［J］．巖石力學與工程學報，2005，24(22):4042-4047．

［5］楊俊杰．相似理論與結構模型試驗［M］．武漢:武漢理工大學出版社，2005．

［6］朱漢華，尚岳全．公路隧道設計與施工新法［M］．北京:人民交通出版社，2002．