隧道洞周土體加固條件下壓力拱分布規律試驗研究

邢心魁，張家文

(1.桂林理工大學廣西礦冶與環境科學實驗中心，廣西桂林 541004;2.建材桂林地質工程勘察院，廣西桂林 541002)

地下洞室開挖后，初始重力場分布發生改變，開挖面周圍一定厚度范圍內圍巖中主應力方向發生偏轉，其最大主應力流線形成一個環狀體[1-4]，這就是壓力拱。壓力拱雖具有結構拱的一些特性，但它不像結構拱那樣“看得見，摸得著”并“主動存在”[5-9]。壓力拱是由于洞室開挖而被動形成的，受隧道施工的影響較大，容易發生塌落等問題。采用錨桿加固圍巖土體，能夠使圍巖的強度大幅增加，容易形成穩定的壓力拱[10-12]。由于地下工程的隱蔽性，施工方法的多變性，錨桿支護作用對圍巖壓力拱效應的影響的現場試驗研究資料較少，因此，開展無錨桿和有錨桿壓力拱的大尺度模型試驗研究對壓力拱理論發展和工程應用都具有重要意義。

1 模型試驗

1.1 試驗原理

模型試驗采用人工堆砂模擬圍巖，采用鐵絲作為洞周土體加固材料，用來模擬錨桿。在圍巖堆填過程中，按照設定位置埋置土壓力計，并在設定位置放置鐵絲模擬錨桿。用事先置入土體的充水圓環狀橡膠內胎模擬隧道洞體，通過控制胎內壓力水頭的大小模擬隧道襯砌的不同支護力。通過卸載支護力來模擬隧道開挖過程，分階段卸載圍巖支護力，量測無錨桿和有錨桿時圍巖每一階段的土壓力數值，經對數據統計分析，研究壓力拱拱體在荷載釋放過程中的動態變化規律以及圍巖加固作用對壓力拱效應的影響。

1.2 試驗方法

1.2.1 模型尺寸

根據相似理論和實際試驗條件，堆載模型體垂直方向深度為1.2 m，平面堆載尺寸為頂部直徑3.3 m，底部直徑4.0 m的圓臺體。洞室形狀近似為圓形，直徑0.34 m，模擬開挖路徑為與堆載模型上下表面平行的圓，整個圓環直徑1.4 m，圓心處于模型底部中心。試驗過程中，洞體和圍巖受力狀態保持為平面應力狀態。土體堆載模型如圖1所示。

圖1 土體堆載整體模型

1.2.2 堆載試驗模型的制作

1)模型體密度控制

圍巖密度對壓力拱特性有重要影響，為此在圍巖堆填過程中按預定的夯填方案填筑，以保證填料密實均勻，并達到預設密實度要求。

2)洞周土體物理力學參數量測

圍巖物理力學參數對壓力拱特性有重要影響，為此對純砂與加筋砂進行大型直剪試驗，測定不同圍巖的力學參數，結果如表1所示。

表1 圍巖的物理力學參數

3)土壓力計的布置

無錨桿土壓力計在測試斷面上的位置按照極坐標分布如圖2所示。設計一條豎直方向測線，測線上自內向外在不同位置設觀測點;相鄰觀測點間隔5 cm，每個觀測點埋設兩只土壓力計，一只沿徑向埋設，另一只沿環向埋設。

圖2 土壓力計斷面布置示意(單位:mm)

有錨桿時土壓力計埋設位置與無錨桿時基本相同，但由于錨桿的影響，土壓力計從加固區范圍之外開始埋設，并在隧道與圍巖接觸處埋設一只壓力計，量測徑向壓力，以便分析加固前后洞壁圍巖應力變化情況。

在各部分土體堆載夯實過程中，按照土壓力計極坐標位置，通過測設儀器進行定位放樣。在同一個觀測點埋設徑向和環向兩只土壓力計很不方便，量測時相互影響，因此，考慮到土壓力分布的對稱性，實際埋設時將兩類壓力計安放到不同斷面。

4)土體加固設計

無錨桿時的松動圈厚約15 cm，據此將圍巖加固鐵絲長度設計為30 cm，鐵絲直徑為1.5 mm。根據均勻分布原則，鐵絲環向間距×縱向間距=5 cm×6 cm，布置鐵絲總根數為26×17=442根。

土體加圍設計與壓力計布置如圖3所示。

1.2.3 初始應力量測及洞室開挖

試驗裝置安裝完畢后的應力狀態相當于天然狀態。讀取各壓力計讀數，根據各壓力計初始讀數和標定系數即可得初始環向和徑向土壓力。隨后將洞室分15次開挖，每一荷載步卸載10 cm水頭(1 kPa)，記錄相應土壓力數值。

圖3 土體加固設計與壓力計布置示意

2 試驗結果分析

為了重點研究圍巖加固前后壓力拱的變化規律，對洞周土體應力變化選取具有代表性的荷載步3，5，9和11進行分析。分析壓力拱邊界時選取具有代表性的荷載步11。為了便于分析洞壁處應力變化情況，采用全部模擬開挖步對應的應力值。

2.1 洞壁處徑向應力變化(圖4)

圖4 洞壁處徑向應力變化

圖4表明，洞周土體未加固時，洞壁處圍巖卸荷速度較快，在荷載步5時圍巖卸荷基本結束;而洞周土體在加固條件下(圍巖c，φ值增大)，圍巖強度增加，使得洞壁處圍巖卸荷速度減小，直至荷載步11時，卸荷才基本完成。

2.2 拱頂環向應力分析

荷載步15時拱頂環向應力變化曲線見圖5。

圖5 荷載步15時拱頂環向應力變化曲線

由圖5可知:洞周未加固時，隨著支護應力不斷減小，環向應力不斷變化。在荷載步15，環向應力在洞頂處為1.73 kPa，小于初始環向應力(7.28 kPa);隨著距洞壁距離增大環向應力逐漸增大，在距洞頂約15 cm處與初始環向應力直線相交，應力為5.92 kPa，在距洞頂25 cm處增大至峰值8.12 kPa，此后隨著遠離洞頂而逐漸減小直至60 cm處基本趨近于初始環向應力，說明洞室開挖影響范圍在60 cm左右。

在0～15 cm區域圍巖應力已經低于初始環向應力，并隨著距洞壁距離的減小，環向應力越來越小，說明洞周圍巖進入塑性狀態，失去了承載能力，不能作為壓力拱拱體承載區，因此距離洞壁15 cm處可作為壓力拱內邊界分界點。

在15～60 cm，環向應力相對于初始環向應力是增大的，只是增大幅度不同而已，說明15～60 cm為壓力拱拱體范圍，這部分圍巖均有承載能力。

洞周加固條件下，隨著支護應力不斷減小，環向應力也在不斷變化，在所測范圍內變化趨勢與未加固時基本一致，不同的是在距洞頂40 cm處增大至峰值7.46 kPa，洞室開挖影響范圍擴大至75 cm左右。

2.3 不同開挖步對圍巖的影響

為了便于分析，加固和未加固圍巖條件下測試數據采用距洞壁30～80 cm區域內的數據。兩種工況下部分荷載步拱頂應力變化曲線見圖6。由圖6(a)、圖6(b)可知，當洞周土體未加固時，圍巖徑向應力隨著洞體內壓力的卸載而不斷減小，洞周土體未加固時，模擬開挖至9步以后，應力減小的幅度降低;環向應力在洞壁處逐漸變小，隨著距洞壁距離的增加，應力不斷增加;當模擬開挖至9步以后，應力也基本保持不變。由圖6(c)、圖6(d)可知，洞周土體加固后應力變化趨勢與未加固時基本一致，不同的是，其應力變化要慢，應力值基本保持不變是在模擬開挖至11步以后。

圖6 未加固、加固兩種工況下部分荷載步拱頂應力變化曲線

圖7 荷載步15應力變化曲線

荷載步15應力變化曲線見圖7。由圖7可知，由于支護力的卸荷，在40 cm以內，洞周未加固時應力變化較加固條件下大，40～75 cm應力變化較小。30～60 cm洞周加固后圍巖環向應力變化率不斷增加，而在60～75 cm是減小的;洞周未加固時，環向應力變化率不斷減小。

2.3.1 不同開挖步對未加固時壓力拱的影響

由圖6(c)可知，從荷載步3至荷載步9時，拱體內邊界從距洞壁10 m發展至15 cm，外邊界從距洞壁45 cm發展至60 cm;壓力拱拱體厚度從35 cm發展至45 cm。這說明壓力拱拱體內外邊界隨著支護壓力的減小而不斷上移，逐漸遠離隧洞洞壁，最終達到厚度為45 cm左右的穩定壓力拱拱體。

2.3.2 不同開挖步對加固作用下壓力拱的影響

由圖6(d)可知，從荷載步3至荷載步9時，壓力拱外邊界從距洞壁60 cm發展至75 cm，說明壓力拱拱體內外邊界隨著支護壓力的減小而不斷上移，逐漸遠離隧洞洞壁，最大主應力峰值位置從距洞壁30 cm移至40 cm，說明塑性范圍隨著支護壓力的減小而不斷擴大。

2.3.3 兩種圍巖參數條件下的對比分析

由圖6(c)、圖6(d)可知，洞周土體在加固后，開挖卸載支護力影響范圍要較未加固時大，從60 cm擴大至75 cm;兩者相比，加固后圍巖變形塑性區范圍擴大，從原來的25 cm增至40 cm，最大主應力從8.16 kPa減小至7.46 kPa，說明加固作用對圍巖影響范圍增加了，同時增大了圍巖的承載能力。

由圖7可知，土體加固后，在距洞壁30～60 cm圍巖環向應力增長率在不斷增加，在60～80 cm圍巖壓力增長率減小，最終接近圍巖初始應力值;未加固時，圍巖壓力雖然在增加，但增加的幅度不斷減小，最終在60 cm處接近圍巖初始應力值。這說明加固后距洞壁30～80 cm圍巖不僅僅承受上部荷載釋放的力，還承受由于加固措施約束塑性區變形破壞而產生的力;而未加固時圍巖只承受上部荷載釋放的力。

伴隨著支護力的不斷卸載，圍巖徑向應力不斷減小，在30～40 cm區域加固后圍巖徑向應力的減小率要快于未加固時;40～60 cm區域加固后圍巖徑向應力的減小率要緩于未加固時。

從變化率的角度判斷，未加固時圍巖開挖影響范圍為65 cm;加固后圍巖開挖影響范圍為75 cm。

3 結論

1)洞周圍巖力學參數的增加使得洞壁處徑向應力卸載速率減小得非常快，卸載完成所需時間基本是洞周土體未加固時的2倍左右。

2)洞室開挖后，圍巖徑向應力減小，環向應力在承載塑性區范圍及以外開挖影響范圍相對于初始環向應力是增加的，通過分析應力分布曲線，把環向應力達到初始環向應力的點作為壓力拱的內、外邊界的分界點;把環向應力高于初始環向應力的區域，作為壓力拱的拱體范圍。

3)本次試驗條件下，洞周土體未加固時壓力拱拱體內外邊界隨著支護壓力的減小而不斷上移，最終穩定壓力拱拱體厚度約為1.3倍洞徑，松動區厚度約為洞徑的1/3。

4)由于洞周加固作用，圍巖應力通過加固材料向圍巖加固區以外區域傳遞，致使圍巖塑性變形范圍從25 cm發展至40 cm。圍巖的彈性變形區域變小，從35 cm減至30 cm。由于圍巖力學參數的改變使得拱體外邊界上移至75 cm處。

5)隧洞開挖前期，洞周土體未加固時的應力釋放較加固后快，且環向應力增長較快，穩定壓力拱拱體形成較快。洞周土體在加固后能夠承擔更多的圍巖應力，但是形成穩定壓力拱時間較長。

6)洞周圍巖的c，φ值的增加使得壓力拱的拱體范圍增大至純砂土條件下的1.3倍左右，并且提升了圍巖的承載能力。這表明通過提高隧道洞周圍巖力學參數模擬錨桿支護的方式是可行的，提高圍巖的c，φ值可以較好地達到加固圍巖的目的，對工程設計具有一定的參考價值。

[1]鄒熹正.對壓力拱假說的新解釋[J].礦山壓力與頂板管理，1989(1):67-68.

[2]俞波，王呼佳.壓力拱理論與隧道埋深劃分方法研究[M].北京:中國鐵道出版社，2008.

[3]馬小虎，李德武，馬為功.紙坊隧道壓力拱拱體的確定[J].甘肅科技，2011，27(6):136-138.

[4]梁曉丹，劉剛，趙堅.地下工程壓力拱拱體的確定與成拱分析[J].河海大學學報:自然科學版，2005，33(3):314-317.

[5]梁曉丹，宋宏偉，趙堅.隧道壓力拱與圍巖變形關系[J].西安科技大學學報，2008，28(4):647-650.

[6]王云飛，李長洪，鄭曉娟.不同開挖方式地下硐室壓力拱的演變機理研究[J].礦業研究與開發，2009，29(3):700-703.

[7]王闖.大跨度地下巖石工程壓力拱的研究[D].徐州:中國礦業大學，2003.

[8]賈海莉，王成華，李江洪.關于土拱效應的幾個問題[J].西南交通大學學報，2003(4):398-402.

[9]吳子樹，張利民，胡定.土拱的形成機理及存在條件的探討[J].四川大學學報:工程科學版，1995(2):15-19.

[10]黃醒春.巖石力學[M].北京:高等教育出版社，2005.

[11]張向東，張樹光，賈寶新.隧道力學[M].徐州:中國礦業大學出版社，2010.

[12]李志業，曾艷華.地下結構設計原理與方法[M].成都:西南交通大學出版社，2003.