淺埋大跨隧道預加固措施相似模型試驗研究

李化云，張志強，王志杰，凌云鵬，張 浩

（西南交通大學 土木工程學院地下工程系，成都 610031）

1 引 言

隨著客運專線整個技術標準的提高，隧道挖方高度受到限制，出現了大量的客運專線淺埋隧道。淺埋隧道圍巖一般風化較重，具有大量的軟弱破碎帶，這些隧道工程施工難度大，風險大，施工中極易塌方和變形，特別是在圍巖破碎的不良地層中。在淺埋隧道洞口段不穩定圍巖中，特別是大斷面隧道中，因開挖寬度和高度都大，隧道上部地層不能很好地形成承載拱，地層松弛將達到地表，為了控制圍巖的松弛必須采取一定的工程措施。對此，國內外先后提出了許多預加固措施，并且開展了一些的研究，其中應用較廣的有注漿加固、管棚加固和小導管加固。

原蘇聯全蘇運輸建筑工程科學研究所和莫斯科汽車公路學院采用物理模型試驗[1]，研究了在管棚預加固支護下隧道周圍土體的應力狀態。日本米山秀樹等[2]、足立紀尚等[3]通過模型試驗，對管棚超前支護效果及機制進行了研究。國內孔恒等[4－6]研究認為，小導管或管棚具有承載和傳遞荷載以及加固圍巖力學參數的作用。此外，陳煒韜[7]對土質圍巖隧道開挖過程中注漿、小導管、正面錨桿及其相互組合等預加固措施的支護效果進行了室內模型試驗研究。

本文采用室內相似模型試驗，通過分析隧道開挖過程中圍巖應力和位移的變化規律，研究預加固措施對隧道開挖過程中圍巖穩定性的影響，并且，對管棚和雙排小導管預加固措施的加固機制進行探討。

2 模型試驗概況

2.1 物理力學參數的相似關系

以幾何相似比和重度相似比為基礎相似比，實現在彈性范圍內控制各物理力學參數的相似性，根據相似準則[8]可得各物理力學參數原型值與模型值的相似比。幾何相似比 Cl=25，重度相似比Cγ=1，泊松比、應變、內摩擦角相似比：Cμ=Cε=Cφ=1，強度、應力、黏聚力、彈性模量相似比：CR=Cσ=Cc=CE=25。

2.2 相似材料選取

本次試驗以京滬高速鐵路最大規模巖堆體的西渴馬1號隧道Ⅴ級圍巖為依托工程。圍巖原型、模型的物理參數按規范[9]取值，見表 1。相似圍巖材料由重晶石粉、粉煤灰、細砂以及機油按一定比例配置而成，含量百分比見表2。

表1 圍巖原型和相似材料物理力學參數Table1 Physico-mechanical parameters of prototype of surrounding rock and similarity material

表2 相似材料配合比（重量百分比）Table2 Mixing proportion of similarity materials(weight percentage)

噴射混凝土按規范[9]取值，相似材料采用比例為水：石膏 = 1:1.5的石膏材料人工現場噴涂模擬。

管棚和小導管通過采用等效抗彎剛度方法模擬。管棚采用外徑為6 mm，內徑為5 mm的銅管模擬，銅管的長1.5 m，管棚位置在拱頂120°的范圍內，并在管棚的起始端模擬施做了套拱。小導管采用直徑為3 mm銅桿模擬，長30 cm，彈性模量E約為120 GPa。在拱頂120°的范圍內布置，第一排為5°，第二排為15°。使用之前，都用環氧樹脂作膠結劑并沿桿長粘一層細粒石英砂，以模擬構件與圍巖間摩擦力，開挖之前預埋到設計位置。

2.3 試驗設計

2.3.1 試驗裝置及量測設備

全部試驗在專門制作的臺架式鋼板試驗模型槽內進行，試驗模型槽的尺寸為 3.0 m×3.0 m×0.9 m，臺架背面為反力墻，正面由數個大型鋼架及槽鋼和角鋼組成的剛度較大的結構，并引入鋼化玻璃便于觀察模型的破壞部位和破壞過程，試驗裝置實物見圖1，試驗模型具體尺寸見圖2。數據采集系統由位移計、土壓力盒、應變片等傳感元件及數據采集儀和計算機等構成，量測數據均由靜態應變數據采集儀自動采集。

圖1 模型試驗裝置Fig.1 Model test equipment

圖2 試驗模型的具體尺寸（單位：mm）Fig.2 Specific size of test model (unit: mm)

2.3.2 試驗概況

本次主要研究洞口段Ⅴ級圍巖條件下采用管棚、雙排小導管預加固措施的支護效果，試驗工況見表3。每次試驗共分為3個階段：準備階段、預埋階段、將土壓力盒、管棚、位移計等預埋到指定位置。開挖試驗階段：(1) 沒有初支的情況下，每次開挖進尺為10 cm，直至采集數據大致穩定后，方可進行下個進尺的開挖，共開挖70 cm；(2) 在有初支情況下，首先開挖10 cm，待數據基本穩定后，進行第二個10 cm開挖，在開挖第三個10 cm之前，對第一次開挖的毛洞進行支護，這樣就完成一個循環，共開挖70 cm。

表3 試驗工況Table3 Test conditions

2.3.3 測點布置

位移測點布置、圍巖應力測點布置如圖 3～4所示。所有測點布設在同一縱斷面上，并在預加固支護上方，該斷面離模型邊界（玻璃）大致為15 cm左右。

圖3 地中、地表位移測點布置圖（單位：mm）Fig.3 Layout of surface and inner displacement monitoring points(unit: mm)

圖4 豎向應力測點布置圖（單位：mm）Fig.4 Layout of vertical stress monitoring points(unit: mm)

3 試驗結果及分析

3.1 預加固措施對圍巖位移的影響

3.1.1 地表豎向位移

各種工況對應的地表豎向位移隨開挖進尺的變化關系（按相似關系換算），如圖5所示。

圖5 測點1、4、7位移變化曲線Fig.5 Variation curves of displacement of monitoring points 1,4,7

通過圖5可見，在工況1、2、4中，隧道開挖段上方測點 7豎向位移最大，測點 1豎向位移次之，未開挖段上方測點4的地表豎向位移最小，表明越靠近隧道受影響越大。但是，在工況3中，測點7的豎向位移要小于測點1結果，因為在管棚起始端施做了套拱，約束了管棚起始端，減小了管棚起始端的地表沉降。

以測點7來分析不同的預加固措施中豎向位移的變化情況，工況1中豎向位移為20.3 mm，工況2中豎向位移為 7.2 mm，工況 3中豎向位移為4.0 mm，相對工況2減少了44.62%，工況4中豎向位移為2.7 mm，相對工況2減少了62.38%，說明在淺埋隧道開挖的過程中，隧道上部地層不能很好地形成承載拱，地層松弛將達到地表，而管棚和雙排小導管預加固措施則能與周邊巖土體有效形成承載拱，減少上部巖土體的松弛。

3.1.2 地中豎向位移

經幾何相似比換算后各種工況對應的地中豎向位移隨開挖進尺的變化關系如圖 6 所示。測點6在隧道開挖范圍的中間部位，在拱頂上方2 m左右，該點位置具有典型性，因此通過該點來分析不同工況下，拱頂上方圍巖豎向位移的變化。由圖 6(c)可見，隧道掘進到7.5 m之前，各種工況下測點6的豎向位移變化不大，當掌子面達到測點6正下方時（掘進到10 m），工況1、2測點6位移迅速增大，而工況3、4測點6位移變化較小。隧道開挖至17.5 m時，測點6豎向位移：工況1＞工況2＞工況4＞工況 3，表明預加固措施都能很好地控制拱頂上方巖土體的變形。

對隧道縱向上測點 6與測點 3位移的比較可得，（1）在工況1、2中，離掌子面越近的測點，其豎向位移越小，可見掌子面土體可視為支撐，約束其附近上部一定范圍巖土體的松弛，而使其變形較小。在工況3、4有預加固措施的情況下，隨著掌子面推進，測點6和測點3的位移差值很小，說明了管棚和雙排小導管支護限制了上部圍巖的變形，使上部圍巖受到隧道開挖的影響較小；（2）隨著隧道的推進，工況3中兩個測點位移始終要小于工況4，表明在縱向上管棚支護的梁效應要優于雙排小導管，究其原因可能是小導管的長度及抗彎剛度不及管棚，且小導管間搭接次數多，整體性較差，導致力在傳遞過程中出現一定的耗散。

比較隧道橫向測點 9 和測點 3 可知：（1）離地表越近，豎向位移越小，愈靠近預加固措施上方巖土體豎向位移越大，可見隧道的開挖影響了上部圍巖的穩定，越靠近地表影響越小。工況 3、4 的位移要小于工況 1、2，說明預加固措施與周邊的圍巖形成了承載拱，控制了隧道上覆巖土體的變形；（2）工況4中測點3的位移要大于工況3的，但工況4中測點9的位移卻要小于工況4，說明橫向上雙排小導管與周邊圍巖形成的承載拱效應要強于管棚支護，因為小導管具有錨桿的作用，且其在橫向上的加固范圍要大于管棚。

圖6 測點2、3、6、9位移變化曲線Fig.6 Variation curves of displacement of monitoring points 2,3,6,9

3.2 預加固措施對圍巖應力的影響

經相似比換算后得出各種工況對應的圍巖豎向應力的變化量隨開挖進尺的變化關系如圖 7所示。由圖7(a)可見，在隧道掘進到7.5 m之前，各種工況下測點豎向應力變化量很小，當掌子面達到其正下方時（掘進到10 m），工況1、2中測點應力迅速減小，而工況3、4測點應力變化很小，可見掌子面圍巖起到支撐作用限制了上部圍巖的應力釋放。隧道開挖至17.5 m時，測點3豎向應力變化量：工況1＞工況2＞工況4＞工況3，管棚和雙排小導管加固，使得應力減小量相對于僅在初期支護作用下分別減小了 65.6%和 57.8%。觀察其余測點數據變化，整體上都有相同規律，與章節3.1的位移分析結果也相吻合，說明預加固措施能改善圍巖的內部環境，將未松動的初始平衡直接轉移到已建成隧道段和前方未開挖段形成最終平衡，有效控制了拱頂上方圍巖的應力釋放，且預加固措施與周圍巖土體形成的承載拱，使下部圍巖不直接承受上部全部荷載，僅受到加固圈變形引起的形變壓力，大大減小了開挖面圍巖所承受的壓力，有利于掌子面的穩定。

圖7 測點豎向應力變化曲線Fig.7 Variation curves of vertical stress of monitoring points

通過分析各測點應力變化量隨開挖進尺的變化規律可知，（1）縱向測點3～5的豎向應力變化量相對于測點8、9、13而言，變化較大，印證了離隧道越近圍巖受影響越大；（2）工況3中各測點應力變化量小于工況4相對應測點的應力變化量，說明管棚的梁效應要大于小導管；（3）工況 3中測點3～5的豎向應力變化量要小于工況4，但測點8、9、13在工況3中的應力變化量卻大于工況4，這很好地印證了前面位移分析結果：橫向上雙排小導管與周邊圍巖形成的承載拱效應要強于管棚支護，從而更好地控制上部圍巖的應力釋放。

4 結 論

（1）在隧道軸向上，管棚和雙排小導管都能起到梁的作用，將上部荷載傳遞給后方的支護結構以及掌子面前方的巖體，很好地控制上方巖土體由于隧道開挖而導致的松動，并且減少掌子面上方圍巖應力，保證了掌子面的穩定性。

（2）在隧道橫向上，管棚和雙排小導管能與周圍的巖體形成承載拱，承受上部圍巖的重量，使下部的圍巖與支護體系只承受上部棚架體系變形引起的形變壓力。

（3）管棚的縱向梁效應要強于雙排小導管，因小導管的長度及抗彎剛度都不及管棚，且小導管間搭接次數多，整體性較差，但雙排小導管的橫向拱效應要強于管棚，因小導管具有錨桿作用同時，在橫向上的加固范圍要大于管棚。

預加固措施與周圍巖土體形成的支護體系產生的梁拱效應，減少了上部圍巖因開挖而產生的應力釋放、加快了巖土體的平衡，從而控制了地層位移、保證掌子面穩定，提高了支護結構的安全性。

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