土質隧道考慮時空效應的施工力學行為分析

楊軍平，王沾義，李盛南，唐偉

(1.桂林理工大學 廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004;2.賀州市住房和城鄉建設局，廣西 賀州 542800)

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土質隧道考慮時空效應的施工力學行為分析

楊軍平1，2，王沾義1，李盛南1，唐偉1

(1.桂林理工大學 廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004;2.賀州市住房和城鄉建設局，廣西 賀州 542800)

通過對膨脹土隧道開展動態施工力學的物理模型試驗，得出各測點在洞室開挖和襯砌支護條件下的圍巖應力—時間響應曲線。根據響應曲線對施工過程中圍巖隨時間及空間條件的變化而呈現的力學響應及行為表現進行分析，并將響應曲線的發展變化趨勢按開挖和支護分為不同階段，其中開挖過程分為零增長、微增長、急劇下降 、緩慢減小和相對平穩5個階段；支護過程分為急劇增長和緩慢下降2個階段。此外，通過對隧洞豎向線及水平腰線上距洞室邊緣不同距離測點的分析，表明隨著距離的增大，由隧洞開挖導致的圍巖應力釋放量減少，釋放速率減緩，力學響應敏感度降低，襯砌支護對圍巖力學特性的影響也逐漸減弱。

土質隧道；時空效應；應力釋放；回彈位移；響應曲線

隧道屬于地下結構的一種，較之于一般地面建筑物具有明顯的區別。該區別主要表現在其施工修筑及后期工作一般都是處在具有一定應力歷史和應力場的圍巖環境中[1]。隧道在開挖施工前，巖體中本身客觀存在著一個經歷長期固結過程而形成的初始應力場，且隨應力場深度的不同其應力勢能各不相同。隧道尤其是軟弱土質圍巖隧道的開挖，使得初始地層應力場的平衡狀態遭到較大程度的破壞[2]。隧道開挖將原本承受一定荷載的巖體挖出，致使洞室周邊圍巖的邊界條件由原來初始地應力狀態下的固定穩態邊界轉變成擾動后的自由動態邊界，從而引起圍巖發生相應的力學響應及行為表現，這一方面表現在圍巖應力釋放引發應力重分布，另一方面使洞周圍巖產生向洞室內空方向的位移。但因開挖面具有一定的空間約束效應，使得應力釋放及圍巖位移現象不會在瞬間完成也不會無休止進行下去直至隧洞坍塌[3]，因為隧道會充分利用這種空間效應及結合洞室頂部的壓力拱效應[4]形成自承能力。而當襯砌施筑并形成有效的圍巖支護體系后，邊界條件再次變化，圍巖的位移發展將受到限制，但是在軟弱圍巖的流變時效特性下，整個隧道結構系統中的圍巖應力，還將繼續發生調整尋求新的平衡穩定狀態。

目前，在上述圍巖位移及應力釋放的隧道施工力學的研究過程中，大部分都集中于隧道開挖對圍巖位移的影響研究，如陳建勛等[5]對黃土隧道的施工變形進行了現場測試；扈世民等[6]結合數值模擬和現場試驗，分析了臺階法施工時的圍巖變形特征；蔣樹屏等[7]對二車道公路隧道的圍巖位移開展了模型試驗研究；Hwang等[8-9]通過數值模擬的方式對基于時空效應的隧道施工進行了相關研究，并取得了不少具有實際價值的研究成果。在圍巖應力的研究方面，吳夢軍等[10]開展了連拱隧道的模型試驗研究，繪制了應力釋放比率的歷時曲線，并認為開挖面前方存在圍巖壓力增壓區。趙勇等[11]通過對隧道施工過程中荷載變化規律的研究，發現開挖面的推進對洞周圍巖徑向荷載的釋放起主要影響。此外，王清標等[12-13]，還對膨脹土區域的隧道進行了一定的研究，也得出了一些頗具價值的理論成果。然而美中不足的是，上述研究少有對整個施工過程中應力釋放的發展變化過程進行描述和分析。而對軟弱土質隧道在整個應力釋放過程中的施工力學行為進行深入研究，有利于了解該類隧道在隧洞開挖及襯砌支護的動態施工過程中，圍巖隨邊界條件的改變而做出的基于時空效應的施工力學響應及行為規律[14]。本文擬通過開展以膨脹土隧道為代表的軟弱土質隧道的物理模型試驗，考慮開挖面空間支撐效應和流變時效特性的耦合效應，對軟弱土質隧道的施工力學特性進行分析，描述洞室開挖和襯砌支護時圍巖的應力發展變化規律及力學響應和行為表現，并對各階段圍巖應力釋放率、應力影響深度進行分析，以對同類地質條件下的隧道施工提供借鑒和參考。

1　模型試驗

1.1工程資料

某隧道由左右2個單洞雙車道隧道組成，隧洞凈寬為9.75 m。隧道圍巖為第三系弱膨脹性亞黏土，穩定性較差，隧洞施工開挖時，拱部及側壁時有坍塌或失穩現象發生。隧道圍巖膨脹土物理力學指標見表1所示，土樣命名為高液限黏土，具有弱膨脹性。

1.2圍巖材料

本模型試驗所用圍巖材料均為取自廣西南寧畜牧研究所水牛養殖場附近的膨脹土，取土深度為50～70 cm，外觀棕黃色，呈硬塑狀態，并夾有灰白色黏土，含水量較大。以膨脹土代替相似材料制作隧道模型，其優勢在于有效降低相似材料與實際工程材料之間的差異，使試驗結果更接近于實際。此外，該地區的膨脹土主要由第三系湖相沉積泥巖、粉質砂巖及其風化殘積物形成，局部則由上述巖土風化物經流水搬運沖積形成。其基本物理力學指標見表1，表中密度、凝聚力、摩擦角、泊松比及變形模量均是在模型成型后取樣測得。從表1可知，隧道模型的圍巖各物理力學指標均與原型較為接近。根據文[15]中各級土質圍巖的基本物理力學參數表可知成型后的圍巖等級為Ⅴ級，且由自由膨脹率知其具有弱膨脹性。

1.3試驗設備簡介

本試驗所有測點的圍巖應力均是通過高速靜態應變測試系統而獲得，該測試系統主要由電阻應變式土壓力盒、高速靜態應變儀和計算機3部分組成，可對圍巖應力變化值實施自動連續的實時采集。其中高速靜態應變儀型號為DH3818-2，該應變儀可廣泛用于土木、交通、機械等領域，若配接其他合適的應變式傳感器，還可對位移、溫度等物理量進行量測。該儀器測試應變范圍±19 999 με；分辨率為1 με；自動平衡范圍±15 000 με；靈敏度系數K=2。土壓力盒采用長沙翔昊電子科技有限公司生產的XHZ-403型電阻應變式土壓力盒(見圖2)，其和DH3818-2采用全橋方式連接。土壓力盒外觀尺寸為Φ30×13 mm，量程為0.3 MPa，分辨率為≤0.05%F·S。該系列土壓力盒較為適用于隧道等地下結構工程的動、靜態測試，又因其體積小、靈敏度高的特點在室內模型試驗或較小比例的模型試驗中的工作性能尤為突出。

表1　材料的物理力學參數Table 1 Physical and mechanics parameters of material

1.4模型箱設計

模型箱由前、后大面板和左、右側面板通過螺栓栓接而成，其中各板均為100 mm厚的高強鋼板且端部焊接有角鋼。模型箱主要是作為隧道模型夯筑時的模具以及為圍巖提供邊界約束條件。由于本試驗模擬的是平面應變問題，故模型箱沿隧洞軸線方向的設計厚度取40 cm。另外，按試驗要求隧洞直徑設計為18 cm，取圍巖深度為3～5倍洞徑，從而確定模型箱其他兩個方向凈空尺寸為110 cm×110 cm。根據原型尺寸和模型設計尺寸并參照文[16]，可以得出幾何相似比Cl=54.17，容重相似比Cγ=1.01，Cc=1.97，CE=1.35。

1.5隧道模型成型

膨脹土取回后，經翻曬、風干、碾細、過2 mm篩等工序測得風干含水率，通過分層灑水、均勻混合的方法配成所需含水率的重塑土。并按控制干密度1.6 g/cm3和重塑土實測含水率26.43%進行模型的夯筑。

夯筑前，根據控制干密度和重塑土實測含水率計算每2 cm厚為一層所需的土量，并通過人工進行分層夯實。夯筑過程中，各土壓力盒均根據預先設計好的測點位置，按要求依次埋置于相應部位，因模型及試驗條件左右對稱，故只對圍巖中的測試元件進行單側布置，見圖1所示。其中各土壓力盒的埋設是將其受力面垂直于隧洞徑向線的方式埋置，如圖2所示。夯筑完畢后，蓋上頂板并以混凝土澆筑塊作為等效靜載，在頂板上均勻施加載荷約2.3 kN，折算成土層厚度相當于1.5倍洞徑的厚度。隨后接通測試系統，將模型靜置3 d，觀察圍巖應力的變化情況，待其發展穩定后，進行隧洞開挖。

圖1　土壓力盒布置圖Fig.1 Layout drawing of soil pressure cells

圖2　土壓力盒及其埋設Fig.2 Soil pressure cell and embedding

1.6隧道開挖

本模型試驗的隧道設計洞徑為18 cm，截面形式為圓形截面。隧洞施工采取全斷面開挖方式以人工開挖的方法來進行模擬開挖過程。施工共分為20個開挖段，每段進尺2 cm，開挖行進方向為自左向右，從上午10∶20開始持續至下午12∶53完成，如圖8所示。圖中10∶20為開挖開始時刻，10∶49為第5開挖段結束(10 cm處)時刻，11∶35為開挖至監測斷面(20 cm處)時刻，12∶14為第15開挖段結束(30 cm處)時刻，12∶53為洞室貫通時刻。此外，因膨脹土對水分的變化極為敏感[17]，在隧道貫通后，為防止圍巖長時間暴露于大氣中引起吸水膨脹或失水收縮而造成圍巖穩定性問題，應在開挖完成后適時將襯砌施作于隧洞內，本試驗在隧洞貫通后30 min開始施作襯砌。襯砌施作完畢后，采用注漿器及時注射水泥凈漿將襯砌和圍巖之間的間隙填充密實，以保證圍巖和襯砌之間的壓力正常傳遞，成型后的隧道模型見圖3。

圖3　隧道模型Fig.3 Tunnel model

2　試驗結果及分析

2.1初始地應力計算

模型成型后隧道上覆土層的厚度可參考圖1中的尺寸來計算，由圖中可知，隧洞上覆土層的厚度應為0.61 m，但由于土量不足上部有0.12 m的厚度留余。另外，因試驗要求，模型頂部有0.10 cm厚土層的壓實度按原來的一半密實度進行夯筑。同時，在模型頂部均勻對稱布置了2.30 kN的等效靜載以折算成等量巖體厚度。

計算所需參數如下：

模型箱尺寸：l=1.1 m，b=0.4 m，土體重度γ=19.47 kN/m3

原巖厚度：

h靜1=0.61 m-0.12 m-0.05 m=0.44 m

等效靜載應力：

等效靜載折算厚度：

上覆土層總厚度：

h=h靜1+h靜2=0.44 m+0.269 m=0.709 m

洞頂土層自重應力：

σ靜=0.709 m×19.47 kN/m3=13.80 kPa

2.2試驗結果

施工力學行為包括隧洞開挖和襯砌支護2個部分，本試驗對2個部分在施工過程中圍巖應力的變化數據進行了采集，并將采集到的12個測點的圍巖應力值和時間的關系繪制成圖4～7所示的應力—時間響應曲線，其中應力值均是由土壓力盒所輸出的實測值按出廠標定系數轉換而得。

圖4　豎向線上(隧洞下側)各測點應力—時間響應曲線Fig.4 Stress-time response curves of each measuring points on vertical line (beneath the tunnel)

圖5　水平線上各測點應力—時間響應曲線Fig.5 Stress-time response curves of each measuring points on horizontal line

圖7　洞周環向各測點應力—時間響應曲線Fig.7 Stress-time response curves of each measuring points around the tunnel

2.3試驗結果分析

圖7為沿洞周環向布置的各測點的應力—時間響應曲線。從圖中可知，監測斷面的圍巖應力值，隨洞室開挖面的推進及襯砌的支護而呈不同的發展變化趨勢，其主要可分為洞室開挖及襯砌支護2個階段。

洞室開挖階段又可分為零增長、微增長、急劇下降 、緩慢減小和相對平穩5個階段。零增長階段表明離監測斷面較遠處的土體開挖對監測斷面處的巖土力學行為幾乎沒有影響，說明隧洞開挖對前方土體的影響深度有限。該階段大致在開挖面離監測斷面5個開挖段(約10 cm)處結束，說明隧洞開挖對前方土體的力學影響深度大致在5個開挖段(約10 cm)以內。

微增長階段反映了隨開挖面的推進，開挖面前方一定區域的土體發生了荷載聚集。出現這種現象的原因主要在于監測斷面后側的土體本來處于初始地應力平衡狀態，其本身承受著一定的原始土壓力，而隨洞室施工土體被挖出，其所承受的土壓力被迫轉移到周圍土體上，其中大部分轉移到洞周兩側土體上并向深部擴展，小部分轉移到掌子面前側未被挖去的土體上，致使出現荷載聚集現象。在各測點中，測點7的荷載聚集量最為明顯，這是因為洞室兩側土體是承受上部土體荷載的主要承載部位。從圖8中可知，當開挖面臨近監測面時，測點7的應力釋放率負增長量最大，這除了上述原因外，測點7的總應力釋放量較小也是一方面原因。該階段從第6開挖段初(10 cm處)延續到第9個開挖段末(18 cm處)結束。

圖8　洞周圍巖應力釋放時空效應曲線Fig.8 Space-time effect curves of stress release of wall rock around tunnel chamber

當開挖面推進到第9個開挖段初時，因監測面處的土體被挖出，圍巖應力值進入急劇下降階段或稱應力主釋放階段，說明監測面處的圍巖壓力主要由該斷面處的土體所承受，其前后兩側的土體僅能分擔很小一部分。從圖7～8中可知，應力急劇減小階段主要發生在開挖面距監測面一個開挖段到通過監測面第2個開挖段末即第9～12開挖段(18～24 cm)之間，其中測點7(拱腰)處的應力釋放速率最快，持續時間最短，測點2(底板)處速率最慢，持續時間最長，測點9(拱頂)處介于二者之間。

緩慢減小階段或稱應力次釋放階段，從第13開挖段初(24 cm)處至洞室貫通。在這個階段中，隨開挖面的推進，監測斷面的圍巖應力值呈逐漸遞減趨勢，其主要由開挖面離監測斷面逐漸變遠，所起的支撐效應越來越弱以及圍巖應力重分布2部分所致。這種支撐效應主要表現在該階段的前幾個開挖段即開挖面離監測斷面較近的幾個開挖段，這說明監測斷面前側和后側土體的開挖，對監測斷面的圍巖應力具有一定的影響，其主要表現為后側土體的開挖對監測斷面產生荷載聚集效應，前側土體的開挖會降低土體對監測斷面的支撐效應。

相對平穩階段或稱圍巖應力重分布階段，該階段持續時間為30 min，從隧洞貫通持續到襯砌施作開始，該階段主要體現了圍巖本身具有一定的自穩能力。從各測點應力變化值來看，該值在襯砌支護前已達到相對穩定狀態，說明隧洞開挖使圍巖應力得到釋放且洞周圍巖的初始應力勢能基本釋放殆盡。這可以從隧洞頂部處地層應力理論值13.08 kPa以及測點9的應力—時間響應曲線中得到解釋，測點9的總應力最大釋放值約為10 kPa，排除靜態應變測試系統的測試誤差及土壓力盒埋設時余坑的回填密實度的影響，此值已較為接近地層應力理論值13.08 kPa。

襯砌支護階段可分為急劇增長和緩慢下降2個階段。急劇增長階段主要反映了襯砌對圍巖的擠壓效應。隧洞開挖的洞室直徑是按照襯砌外徑尺寸而確定的，在隧洞土體挖除到襯砌支護這一圍巖應力重分布的過程中，圍巖產生了向洞室內空的位移，使得洞室毛洞直徑減小。但隨襯砌被緩慢施作于洞室內，因圍巖位移而減小的洞室直徑又被擴大到初始洞徑，此時造成圍巖土體被擠壓，所產是擠壓效應致使應力值急劇增大；緩慢下降階段主要反映的是由于襯砌的施作而導致圍巖產生2次應力重分布，該階段的產生是局部的，主要表現在洞周附近的圍巖中。從圖5及圖6中距洞室邊緣不同距離的各測點的響應曲線中可以看出，隨距離的增大，襯砌的施作對圍巖應力的影響逐漸減弱。

另外，從圖4～6可知，隧洞豎直線及水平腰線上距洞室邊緣不同距離布設的測點，隨距離的增大，不管是隧洞開挖還是襯砌支護均對各測點圍巖應力的影響逐漸減弱。這種減弱主要表現在以下幾個方面：1)隨距離的增大，由隧洞開挖導致的各測點的圍巖應力釋放量逐漸減少。由圖9可知，圍巖應力釋放量的比率從洞周向圍巖深部逐漸減小，且釋放量主要表現在2倍洞徑范圍內，說明隧洞開挖對圍巖應力的影響深度大致在2倍洞徑范圍以內。此外，從圖5來看，測點7的應力釋放值約為6 kPa，測點6約為3.5 kPa，測點5約為3 kPa，而測點4幾乎不受影響，也表現出了逐級遞減的規律，其中測點6的釋放值較測點7大幅減少，這主要是因為在洞室土體被挖除后，洞室頂部土體通過壓力拱將其自重應力轉移至洞室兩側土體中，而這種轉移過來的應力的水平分力正好能給測點6處的圍巖應力釋放起到一定的阻止效果，因此有效的減小了該處的應力釋放。2)隨距離的增大，襯砌支護對各監測點的應力影響也表現出逐漸減弱的規律，同樣從圖5中可知，測點7受襯砌支護影響的應力突變值約為9 kPa，測點6約為5.5 kPa，測點5約為1 kPa，而最遠的測點4無任何影響。3)洞周圍巖受洞室開挖和襯砌支護影響的巖土力學響應及行為表現最為敏捷，越往圍巖深處的測點，其相應的力學響應及行為表現呈現出不同程度的遲滯效應。這從圖5中可知，受洞室開挖的影響，測點7最先進入應力急劇下降階段，隨后測點6及測點5才依次出現相應的力學響應。而受襯砌支護的影響，測點7也最先進入應力急劇增長階段，隨后測點6和測點5依次進入該階段。4)洞室開挖導致各測點圍巖應力釋放速率不同，且釋放的持續時間也不同。其主要表現為洞周圍巖應力釋放速率較快，而隨深度的增加，其應力釋放速率逐漸減緩。從圖4～6中均可以看到，洞周各測點的響應曲線中急劇下降階段的斜率最大，越往圍巖深部這種斜率越小。從圖7～8中可知，洞周各測點的應力一般在15 min之內(2～3個開挖段內)釋放80%，而圖4～6中諸如測點1，測點5，測點6，測點10和測點11等測點的應力釋放的持續時間都表現出不同程度的延長現象。5)隧洞上部各測點的圍巖應力受襯砌施作的影響稍小。其原因在于上部圍巖在隧洞土體開挖后產生了向洞室內空方向的較為明顯的位移，此位移一般包括2部分即因土體的固結而產生的回彈位移以及在重力場作用下土體自重而引起的豎向位移。由于這種位移相對較大，且影響范圍較廣，促使圍巖深部的土體結構變得松弛，又因重力的作用使得襯砌支護對圍巖土體產生的擠壓效應難以延伸到圍巖深部，因此僅表現在洞周圍巖區域內，這從圖6中測點9及測點10的響應曲線中可得到印證，其中測點9的圍巖應力突變值為8 kPa，而測點10的僅為2 kPa。

圖9　不同圍巖深度處的應力釋放比率Fig.9 Stress release ratio of different wall rock depth

除上述規律外，沿洞周環向布置且處于不同位置的測點，所受隧洞開挖和襯砌施作的影響也不同。從圖7中可以看到，由隧洞開挖而引起圍巖應力急降的各測點中，測點2急降值約為9 kPa，測點3約為7 kPa，測點7約為6 kPa，測點8約為5 kPa，測點9約為8 kPa。各測點急降值不同的原因主要由2個方面組成，一方面是因各測點處的初始地層應力不同所導致；另一方面是因土壓力盒按其受力面垂直于隧洞徑向線方向而埋設，致使3號，7號和8號土壓力盒和土體自重應力成一定的角度，使得監測到的應力值相比于2號和9號土壓力盒有所折減。由襯砌支護而引起的圍巖應力變化值激增的各測點中，測點2所受的影響最為明顯其突變值為14 kPa，這是由于該處圍巖位移量最小，僅由固結回彈位移組成，土體結構仍較為密實，受到襯砌擠壓后，土體的壓力傳遞仍較為敏感。測點7的突變值為8 kPa，該值小于測點2的突變值，其原因在于土體開挖后的圍巖位移量是由土體向洞室內空固結回彈位移和因上部土體壓力引起的向洞室外側的外鼓位移兩者疊合組成，因二者位移方向相反，所以減小了圍巖位移量，減弱了襯砌對圍巖的擠壓效應，導致突變值稍小。測點9的突變值約為8 kPa，其值小于測點2的主要原因參見上述第5點所述。

3　結論

1)分析施工過程中膨脹圍巖隨時間及空間條件的變化而呈現出的力學響應及行為表現，得出各測點在洞室開挖和襯砌支護條件下的圍巖應力—時間響應曲線，并將響應曲線的發展變化趨勢按開挖和支護分為不同的階段，其中洞室開挖過程可分為零增長、微增長、急劇下降 、緩慢減小和相對平穩5個階段；襯砌支護過程可分為急劇增長、緩慢下降2個階段。

2)隧洞豎向線及水平腰線上距洞室邊緣不同距離的測點，其圍巖應力釋放量的比率從洞周向圍巖深部逐漸減小，且釋放量主要表現在2倍洞徑范圍內，說明隧洞開挖對圍巖應力的影響深度大致在2倍洞徑范圍以內。此外，隨距離的增大，圍巖應力釋放速率逐漸減緩，釋放持續時間增長，圍巖的巖土力學響應及行為表現的敏感度也逐漸減弱，且隨深度的增加呈現不同程度的遲滯特性。

3)因膨脹土對水分的變化極為敏感，在今后對膨脹土隧道施工力學的研究中，可考慮不同含水率條件對隧道施工的力學響應及行為表現的影響。

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Analysis on construction mechanics behavior of soil tunnelconsidering space-time effect

YANG Junping1,2,WANG Zhanyi1,LI Shengnan1,TANG Wei1

(1.Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Guilin University of Technology,Guilin 541004, China;2.Bureau of Housing and Urban-Rural Construction of Hezhou, Hezhou 542800, China)

Based on the physic model test of dynamic construction mechanics of expansive soil tunnel, the wall rock stress-time responsive curves of each measuring points were gained under the conditions of tunnel excavation and lining construction. According to the response curves, the mechanical response and behavioral expression of wall rock based on the changes of time and space condition during construction process are analyzed, and the developing and changing tendency of responsive curves are divided into different stages according to tunnel excavation and lining construction. The tunnel excavation process can be divided into five stages: zero increase, slight increase, dramatic decrease, slight decrease, relatively stable. Likewise, the lining construction process can also be divided into dramatic increase and slight decrease. Besides, through the analysis of measuring points with different distance from the tunnel chamber edge and local on vertical and horizontal line, it is indicated that with the increase of distance, the magnitude of wall rock stress release will reduce. At the same time release rate will drop and the sensitive of mechanical response will decrease because of tunnel excavation. Meanwhile, the impact that lead by lining construction for mechanical properties of wall rock will weaken gradually.

soil tunnel; space-time effect; stress release; springback displacement; responsive curve

2015-12-23

國家自然科學基金資助項目(51368014)

楊軍平(1971-)，男，湖南永州人，副教授，博士，從事地下結構及隧道工程的研究；E-mail：529454826@qq.com

U459.2

A

1672-7029(2016)10-2009-09