大斷面公路隧道二次襯砌受力特性模型試驗(yàn)

伍　超， 黃　磊， 陳中天， 方　勇

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都　610031)

0　引言

我國(guó)西部多山，為了滿(mǎn)足高速公路對(duì)線路和坡度的要求，隧道已成為高速公路越嶺的最優(yōu)方案[1]。隨著客貨運(yùn)量的增加和隧道設(shè)計(jì)施工技術(shù)的進(jìn)步，近年來(lái)越來(lái)越多的高等級(jí)高速公路通過(guò)以前認(rèn)為的“工程禁區(qū)”。現(xiàn)代高速公路隧道正向著大斷面、長(zhǎng)距離、大埋深方向快速發(fā)展[2]。

西部山區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，修建深埋大斷面隧道工程極易引發(fā)塌方、涌水突泥、巖溶塌陷和瓦斯爆炸等工程事故[1]，主要原因是對(duì)此類(lèi)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力認(rèn)識(shí)不足。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)大斷面隧道工程中可能遇到的問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并取得了豐碩成果。文獻(xiàn)[3-5]對(duì)大斷面隧道受力、隧道斷面結(jié)構(gòu)、施工方法及施工技術(shù)等進(jìn)行了研究，并應(yīng)用于工程實(shí)際；文獻(xiàn)[6-9]采用模型試驗(yàn)、理論研究和數(shù)值模擬等手段，對(duì)巖溶富水地層下襯砌外水壓力和結(jié)構(gòu)力學(xué)特征進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[10-12]采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬手段對(duì)二次襯砌結(jié)構(gòu)以及不同級(jí)別圍巖條件下初期支護(hù)、二次襯砌間的接觸壓力等問(wèn)題進(jìn)行了研究，分析了襯砌結(jié)構(gòu)的受力特性及二次襯砌設(shè)計(jì)。

綜上，已有對(duì)隧道襯砌受力的研究，采用的手段主要為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬，且研究結(jié)果尚不統(tǒng)一。因此，本文采用模型試驗(yàn)，對(duì)運(yùn)營(yíng)期大斷面隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力特征做進(jìn)一步研究。事實(shí)上，隨著隧道開(kāi)挖斷面的擴(kuò)大和埋深的增加，襯砌受力已經(jīng)發(fā)生了從量變到質(zhì)變的轉(zhuǎn)化。因此研究支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，特別是二次襯砌受力，對(duì)于隧道設(shè)計(jì)和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)都有積極的意義。基于此，本文以重慶雙碑隧道工程為背景，通過(guò)模型加載試驗(yàn)?zāi)M隧道在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中承受的圍巖壓力，對(duì)隧道二次襯砌的受力、變形和破壞特性進(jìn)行研究。

1　工程背景

依托工程位于重慶市沙坪壩區(qū)雙碑，為西部新城聯(lián)系江北區(qū)及北部新區(qū)的城市快速主干道。工程全長(zhǎng)4 373 m，雙向6車(chē)道，線路中線間距為20 m，隧道埋深普遍超過(guò)200 m。隧道主體穿越觀音峽背斜，沿線地層以泥質(zhì)巖和砂巖為主。受背斜構(gòu)造力作用影響，局部地層節(jié)理裂隙發(fā)育，隧道穿越地層涵蓋Ⅲ—Ⅴ級(jí)圍巖。其中左線隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖段占左線總長(zhǎng)的比例分別為40.1%、43.7%、16.2%。本文主要針對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖段3車(chē)道和加寬帶2種斷面襯砌結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行研究，斷面設(shè)計(jì)參數(shù)如圖1所示。

2　模型試驗(yàn)

2.1　相似關(guān)系及試驗(yàn)材料配制

2.1.1相似關(guān)系

試驗(yàn)研究加載壓力作用下襯砌結(jié)構(gòu)的受力變形規(guī)律，屬于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)范疇，試驗(yàn)以力學(xué)相似為準(zhǔn)則。根據(jù)相似第二定理，彈性力學(xué)模型相關(guān)參數(shù)表達(dá)式[13-14]為：

(1)

選擇體力X和幾何尺寸L作為基本量綱，定幾何相似比CL=30，容重相似比Cγ=1。由于應(yīng)變、泊松比為量綱一的量，相似比為1。相似準(zhǔn)則為：

(a) 3車(chē)道

(b) 加寬帶

(2)

根據(jù)式(2)得到其余各物理參數(shù)的相似比：CE=Cσ=Cc=30；CN=27 000(軸力相似比)；CM=810 000(彎矩相似比)。

2.1.2試驗(yàn)材料配制

2.1.2.1圍巖配制

依托工程試驗(yàn)段圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，其參數(shù)選取結(jié)合雙碑隧道地質(zhì)勘查資料和JTG D70—2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》。圍巖模擬的控制參數(shù)為彈性模量E、容重γ、泊松比μ、黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。圍巖模擬以河沙為基材，通過(guò)添加一定比例的石英砂、機(jī)油、粉煤灰和松香酒精溶液配制而成。圍巖的彈性模量和泊松比通過(guò)壓縮試驗(yàn)獲得，容重由環(huán)刀取樣測(cè)量密度獲得，黏聚力和內(nèi)摩擦角由直剪試驗(yàn)獲得，試驗(yàn)如圖2所示。通過(guò)調(diào)節(jié)石英砂、機(jī)油、粉煤灰和松香酒精溶液的加入比例，多次進(jìn)行壓縮試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，直到獲得期望的物理力學(xué)參數(shù)。最終獲得的圍巖的各項(xiàng)物理參數(shù)和配比如表1和表2所示。

(a) 壓縮試驗(yàn)　 　　　　　　　　　　(b) 直剪試驗(yàn)

項(xiàng)目γ/(kN/m3)E/GPaμc/MPaφ/(°)原型　21～2330.3～0.35233～41模型　210.10.310.0638相似比1301301

表2　圍巖材料配比(質(zhì)量比)

2.1.2.2襯砌模擬

實(shí)際工程初期支護(hù)由錨桿、型鋼支撐、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土構(gòu)成，二次襯砌主要由二次襯砌鋼筋和模筑混凝土構(gòu)成。模型試驗(yàn)對(duì)初期支護(hù)鋼支撐和噴射混凝土以及二次襯砌主筋和模筑混凝土分別進(jìn)行了模擬。鋼支撐的模擬以抗彎剛度(EI)相似為準(zhǔn)則，采用φ1.96 mm和φ2.34 mm的鐵絲模擬型鋼支撐。二次襯砌鋼筋的模擬通過(guò)抗拉剛度(EA)相似模擬，模型試驗(yàn)采用φ0.81 mm和φ0.91 mm的鐵絲模擬二次襯砌主筋。混凝土采用水和石膏硅藻土來(lái)模擬，為確定材料配比以及對(duì)應(yīng)的彈性模量和抗壓強(qiáng)度，進(jìn)行了一系列的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，如圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

雙碑隧道初期支護(hù)采用C25混凝土、二次襯砌采用C30混凝土，參數(shù)如表4所示。根據(jù)表3的結(jié)果，當(dāng)3種材料的質(zhì)量比為2∶1∶0.2時(shí)，模型材料的彈性模量和抗壓強(qiáng)度與噴射混凝土原型基本滿(mǎn)足相似關(guān)系；當(dāng)這3種材料的質(zhì)量比為1.9∶1.0∶0.4時(shí)，二次襯砌模型材料的彈性模量基本滿(mǎn)足相似比，而抗壓強(qiáng)度則為理論值的2倍。

(a) 試件　　　　　　　　　　　(b) 壓縮試驗(yàn)

試驗(yàn)序號(hào)材料配比水石膏硅藻土彈性模量/GPa抗壓強(qiáng)度/MPa1210.10.840.3652210.20.7320.5653210.30.750.874210.40.9051.3255210.51.111.3162.110.40.951.04572.210.40.730.86582.310.40.6950.8191.910.41.1251.43101.810.41.131.47112.410.40.630.61

表4　襯砌力學(xué)參數(shù)

試驗(yàn)最終確定的襯砌模型材料及厚度如表5所示。

為保證試驗(yàn)中二次襯砌強(qiáng)度能夠達(dá)到試件強(qiáng)度，二次襯砌模型采用預(yù)制方法制作。限于試驗(yàn)加載設(shè)備尺寸，模型高度設(shè)計(jì)為0.3 m，模型如圖4所示。

2.2　試驗(yàn)加載裝置

試驗(yàn)在西南交通大學(xué)專(zhuān)門(mén)研制的主動(dòng)加載臥式試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行。試驗(yàn)臺(tái)尺寸為5.44 m×5.34 m×2.4 m，試體尺寸為3.0 m×3.0 m×0.3 m。試體置于4塊25 mm厚的錳鋼蓋板之間，下部采用厚約80 cm的混凝土作為剛性體約束，上部用箱梁蓋板約束。為保證試體在整個(gè)加載過(guò)程都處于平面應(yīng)變狀態(tài)，在蓋板上配置6臺(tái)試驗(yàn)用液壓千斤頂，并通過(guò)豎向反力梁提供支反力。試驗(yàn)臺(tái)架如圖5所示。

表5　襯砌模型材料及厚度

(a) 3車(chē)道　　　　　　　　　　　(b) 加寬帶

圖5　模型加載裝置

圍巖壓力通過(guò)四周8臺(tái)(每邊2臺(tái))試驗(yàn)用液壓千斤頂獲得，加載精度≥98%，加載能力為60 t。整個(gè)加載過(guò)程由數(shù)字控制臺(tái)控制，壓力的傳力路徑為千斤頂—荷載分配梁—圍巖。為減少?lài)鷰r與鋼板之間的摩擦，事先在與圍巖接觸鋼板上涂刷潤(rùn)滑油，并將聚乙烯塑料膜置于兩接觸面之間，最大程度降低側(cè)摩阻力對(duì)傳力效果的影響。

2.3　試驗(yàn)加載

試驗(yàn)加載步驟如下：

1)加載，固結(jié)圍巖；

2)開(kāi)挖隧道輪廓線內(nèi)的土體，施作初期支護(hù)；

3)待初期支護(hù)達(dá)到預(yù)期強(qiáng)度后(約8 h)，將預(yù)制好的二次襯砌放入開(kāi)挖好的隧道內(nèi)，并在二次襯砌外圍包裹1層PE防水塑料布，以實(shí)現(xiàn)對(duì)防水層的模擬；

4)逐級(jí)施加千斤頂壓力，并保證加壓過(guò)程側(cè)壓力系數(shù)為0.45(取現(xiàn)場(chǎng)勘查設(shè)計(jì)資料建議值)。

為保證傳力充分，每級(jí)加載后都穩(wěn)定5～10 min再進(jìn)行下級(jí)加載。模型加載至二次襯砌裂縫明顯增多、變形急劇增大時(shí)，認(rèn)為二次襯砌己經(jīng)失效，對(duì)試體卸載，試驗(yàn)結(jié)束。

2.4　測(cè)量項(xiàng)目

模型試驗(yàn)主要對(duì)加載過(guò)程中二次襯砌內(nèi)力及變形進(jìn)行了量測(cè)。

2.4.1二次襯砌內(nèi)力量測(cè)

通過(guò)在二次襯砌模型內(nèi)外表面12對(duì)測(cè)點(diǎn)位置粘貼電阻120 Ω、靈敏系數(shù)2.08的應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變，二次襯砌內(nèi)力由式(3)和式(4)計(jì)算得出。為減小邊界效應(yīng)對(duì)測(cè)試效果的影響，選取隧道縱向中間斷面作為目標(biāo)斷面粘貼應(yīng)變片，應(yīng)變片布置如圖6所示。

(a) 3車(chē)道

(b) 加寬帶

(3)

(4)

式中：b為襯砌截面寬度；h為襯砌厚度；E為襯砌彈性模量；ε1、ε2分別為應(yīng)變片測(cè)得的襯砌內(nèi)、外表面應(yīng)變；N、M分別為計(jì)算得到的軸力和彎矩。

2.4.2二次襯砌變形量測(cè)

試驗(yàn)采用精度為0.01 mm的差動(dòng)式數(shù)顯位移計(jì)分別對(duì)二次襯砌內(nèi)表面拱頂、左右拱肩、左右邊墻和仰拱的變形進(jìn)行了實(shí)時(shí)量測(cè)，并對(duì)加載過(guò)程中二次襯砌裂縫發(fā)展情況進(jìn)行觀察記錄，位移計(jì)布置如圖7所示。

(a) 位移計(jì)

(b) 位移計(jì)布置示意圖

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

利用前文提到的加載裝置，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行過(guò)較多的模型試驗(yàn)[6-9]，已有了很好的經(jīng)驗(yàn)積累。針對(duì)本文的研究，共進(jìn)行了2組試驗(yàn)，2組試驗(yàn)結(jié)果均較為理想，且規(guī)律類(lèi)似，本文選取其中1組結(jié)果進(jìn)行論述。

3.1　二次襯砌內(nèi)力

由于在試驗(yàn)過(guò)程中不可忽略邊界摩擦的作用，邊界壓力傳至襯砌時(shí)會(huì)有一定程度的衰減。模型試驗(yàn)時(shí)通過(guò)在初期支護(hù)背后埋設(shè)一定量的應(yīng)變式土壓力盒，對(duì)傳力效果進(jìn)行了校正。土壓力量測(cè)結(jié)果顯示，在該加載方式下，拱頂處土壓力約為仰拱處的1/3，左右邊墻處土壓力的平均值約為拱頂和仰拱處土壓力平均值的1/2，這和加載側(cè)壓力系數(shù)(0.45)較接近。因此，模型試驗(yàn)以拱頂和仰拱處土壓力的平均值作為襯砌承受的豎向圍巖壓力，以左右邊墻處土壓力的平均值作為襯砌承受的水平圍巖壓力。基于上述說(shuō)明，為方便敘述，后文中所述壓力均為豎向圍巖壓力。

3.1.1二次襯砌軸力

不同圍巖壓力作用下，二次襯砌軸力分布如圖8所示，圖中所示圍巖壓力及軸力為通過(guò)相似關(guān)系換算到實(shí)際工程中的數(shù)值(下同)。從圖8可看出： 3車(chē)道二次襯砌能夠承受的最大圍巖荷載(襯砌出現(xiàn)第1條裂縫所對(duì)應(yīng)的前一級(jí)圍巖壓力)為405.2 kPa，為設(shè)計(jì)荷載210.86 kPa的1.92倍。加寬帶二次襯砌能夠承受的最大豎向荷載為640.9 kPa，為設(shè)計(jì)荷載229.997 kPa的2.79倍。說(shuō)明按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)的襯砌結(jié)構(gòu)，在不考慮外界環(huán)境對(duì)襯砌耐久性影響的情況下，襯砌結(jié)構(gòu)安全，開(kāi)挖斷面越大，現(xiàn)行設(shè)計(jì)越保守，襯砌安全儲(chǔ)備越高。當(dāng)加載壓力較小時(shí)，二次襯砌軸力較小，軸力分布較均勻。隨著作用在襯砌結(jié)構(gòu)上荷載的增加，3車(chē)道軸力分布變成“鐘型”，拱腳和仰拱處軸力明顯增加，加寬帶拱肩、拱腰、邊墻處軸力也明顯增加，軸力分布均勻性變差。可見(jiàn)，隨著作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力的增加，襯砌結(jié)構(gòu)承受軸力整體增大，但分布均勻性變差，結(jié)構(gòu)破壞主要是由襯砌局部受力過(guò)大引起。

(a) 3車(chē)道

(b) 加寬帶

為比較各測(cè)點(diǎn)位置處軸力變化的差異，作出二次襯砌右半部分各測(cè)點(diǎn)軸力隨豎向圍巖壓力的變化曲線,如圖9所示。從圖9可看出: 2種斷面二次襯砌軸力基本都為負(fù)值(受壓)，襯砌軸力隨圍巖壓力的增大而增大，且增加的速率越來(lái)越快(曲線越來(lái)越陡)。3車(chē)道拱肩軸力變化平緩，加寬帶拱肩軸力變化曲線則較陡，且軸力量值大，說(shuō)明開(kāi)挖斷面大小對(duì)拱肩受力有一定影響，斷面越大，拱肩承受軸力越大。加寬帶邊墻處的軸力在圍巖壓力超過(guò)485 kPa后快速增加，拱腳軸力增加則較3車(chē)道平穩(wěn)，說(shuō)明隨著開(kāi)挖斷面擴(kuò)大，最大軸力出現(xiàn)的部位和量值均發(fā)生了改變。從加載后期軸力量值看，3車(chē)道二次襯砌最危險(xiǎn)的部位為仰拱和拱腳，加寬帶則為拱肩、仰拱和邊墻，結(jié)合圖8可以看出，隨開(kāi)挖斷面擴(kuò)大，軸力控制截面增多，軸力分布越不均勻，對(duì)設(shè)計(jì)施工要求越高。

(a) 3車(chē)道

(b) 加寬帶

3.1.2二次襯砌彎矩

不同圍巖壓力作用下，二次襯砌彎矩分布如圖10所示。從圖10可看出： 3車(chē)道和加寬帶二次襯砌的彎矩分布形狀均類(lèi)似“蝴蝶型”，在加載壓力較小時(shí)，襯砌彎矩分布較均勻，隨加載壓力增加，拱腳和仰拱處彎矩明顯增大，彎矩分布均勻性變差。相對(duì)于3車(chē)道斷面，加寬帶斷面二次襯砌拱頂處正彎矩加大，仰拱正彎矩減小，襯砌左右邊墻及拱腰處負(fù)彎矩量值較3車(chē)道明顯增加。

列出襯砌開(kāi)裂前2種斷面左邊墻、左拱腳、仰拱、右拱腳、右邊墻、拱頂?shù)淖畲髲澗兀绫?所示。從表6可看出： 開(kāi)挖斷面擴(kuò)大后，襯砌承受彎矩水平整體提高，拱腳、邊墻受彎最明顯。從彎矩相對(duì)大小看，3車(chē)道拱頂與仰拱彎矩比為0.25，加寬帶為0.62； 3車(chē)道左拱腳、仰拱、右拱腳彎矩比為1∶1.06∶1.59，加寬帶為1∶0.34∶0.59。因此，隨開(kāi)挖斷面擴(kuò)大，拱頂和仰拱彎矩差異在減小，兩拱腳與仰拱彎矩分布不均勻性增加。

(a) 3車(chē)道

(b) 加寬帶

位置最大彎矩/(kN·m)加寬帶3車(chē)道2種斷面最大彎矩比左邊墻-1 981.5-370.25.35左拱腳3 837.8-1 586.42.42仰拱　1 309.81 754.70.75右拱腳-2 281.8-2 524.70.90右邊墻-2 263.0-1 060.92.13拱頂　817.6442.91.85

作出二次襯砌右半部分各測(cè)點(diǎn)位置處的彎矩隨圍巖壓力的變化曲線，如圖11所示。從圖11可以看出： 2種斷面各測(cè)點(diǎn)位置的彎矩隨圍巖壓力的增加呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。彎矩變化最快、量值最大的測(cè)點(diǎn)均為仰拱和右拱腳。3車(chē)道除仰拱和右拱腳外，其余測(cè)點(diǎn)彎矩隨圍巖壓力的變化曲線變化平緩，加寬帶彎矩變化曲線則較陡，彎矩量值增加較明顯。從彎矩增加速度看，加寬帶和3車(chē)道仰拱中部彎矩增加快慢基本相同，但加寬帶拱腳和邊墻彎矩在加載后期增加速度明顯比3車(chē)道快。說(shuō)明開(kāi)挖寬度對(duì)拱腳和邊墻彎矩影響較大，開(kāi)挖寬度越大，拱腳和邊墻受彎越明顯，外荷載作用下彎矩增加速度越快，襯砌越容易發(fā)生破壞，對(duì)隧道長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)越不利。

(a) 3車(chē)道

(b) 加寬帶

3.1.3偏心距

襯砌結(jié)構(gòu)在較大的軸力和彎矩作用下可能會(huì)發(fā)生材料破壞，在軸力和彎矩共同作用下還會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。偏心距(彎矩/軸力)是描述結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的最重要依據(jù)，作出2種截面結(jié)構(gòu)偏心距隨加載壓力的變化曲線，如圖12所示。

從圖12可看出： 3車(chē)道控制截面偏心距隨圍巖壓力的增大而減小，加寬帶偏心距隨圍巖壓力的增大趨于一個(gè)范圍，較加載初期，最大偏心距呈降低趨勢(shì)。從結(jié)構(gòu)破壞前襯砌偏心距量值看，加寬帶邊墻和拱腳位置處偏心距較其他控制截面處大，整體偏心距量值也大于3車(chē)道。說(shuō)明斷面越大，拱腳和邊墻處襯砌在外荷載作用下越容易受拉破壞。

3.2　二次襯砌變形

結(jié)構(gòu)內(nèi)力是造成結(jié)構(gòu)破壞的直接原因，結(jié)構(gòu)變形則宏觀地反映了結(jié)構(gòu)的受力情況。模型試驗(yàn)時(shí)通過(guò)在二次襯砌內(nèi)表面安裝位移計(jì)(見(jiàn)圖7)，對(duì)加載過(guò)程中二次襯砌變形進(jìn)行測(cè)量，由相似關(guān)系換算到實(shí)際工程，結(jié)果如圖13所示。

(a) 3車(chē)道

(b) 加寬帶

(a) 3車(chē)道

(b) 加寬帶

由圖13可看出： 3車(chē)道和加寬帶各測(cè)點(diǎn)的變形-圍巖壓力曲線近似為“喇叭型”。在加載過(guò)程中，仰拱、拱頂向隧道內(nèi)變形(位移為正)，邊墻向隧道外變形(位移為負(fù))，襯砌總體變形趨勢(shì)為豎向擠壓和橫向伸張，變形形態(tài)與二次襯砌彎矩分布較一致。從圖中也可看出，2種斷面變形量值最大，發(fā)展最快的位置都位于仰拱，其次是邊墻和拱頂。故在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)拱頂和邊墻處襯砌變形的監(jiān)測(cè)。

由于二次襯砌變形隨圍巖壓力的變化呈現(xiàn)先慢后快(曲線斜率增加)的規(guī)律。理論上存在一個(gè)加載壓力的閾值點(diǎn)，在該點(diǎn)處，結(jié)構(gòu)能夠承受較大圍巖壓力，襯砌變形小，結(jié)構(gòu)不開(kāi)裂，并具有較高的安全儲(chǔ)備，能夠滿(mǎn)足長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)要求，實(shí)際工程中可以以此作為監(jiān)測(cè)控制上限。

3.3　二次襯砌裂縫

地下結(jié)構(gòu)一般要求在無(wú)裂縫或少裂縫情況下工作。由于隧道襯砌結(jié)構(gòu)大部分位于地下水位以下，襯砌開(kāi)裂會(huì)造成鋼筋銹蝕，直接降低結(jié)構(gòu)承載力，銹脹作用還會(huì)在襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力，對(duì)隧道長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)不利。模型試驗(yàn)時(shí)對(duì)加載過(guò)程中裂縫的發(fā)展情況進(jìn)行了實(shí)時(shí)記錄，結(jié)果如表7所示。

表7　裂縫記錄

注：X表示水平圍巖壓力；Y表示豎向圍巖壓力。

從表7可看出: 3車(chē)道和加寬帶二次襯砌各部位開(kāi)裂先后順序不同，3車(chē)道最先開(kāi)裂的部位為拱頂(受拉破壞)，加寬帶最先開(kāi)裂的部位為仰拱中部?jī)?nèi)弧面(受拉破壞)。從襯砌承受?chē)鷰r壓力看，加寬帶襯砌開(kāi)裂荷載跨度大，襯砌開(kāi)裂持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。說(shuō)明隨著開(kāi)挖斷面的不斷擴(kuò)大，二次襯砌的破壞機(jī)制和形式發(fā)生了明顯變化。由于加寬帶襯砌各部位的安全性差異較大，局部裂縫的出現(xiàn)會(huì)加快襯砌結(jié)構(gòu)破壞的速度，從而大大增加了隧道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中維修處置成本。故在實(shí)際工程中，應(yīng)對(duì)大斷面隧道襯砌邊墻、拱腳、仰拱中部等受力薄弱部位進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，避免由于局部開(kāi)裂造成襯砌結(jié)構(gòu)耐久性受到影響。

在裂縫形成過(guò)程中觀察到： 裂縫總是最先產(chǎn)生于襯砌邊緣，沿隧道軸向和徑向快速延伸，沿軸向發(fā)展速度大于徑向，說(shuō)明邊界效應(yīng)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)承載不利，施工中應(yīng)盡量減少出現(xiàn)局部應(yīng)力集中情況。從結(jié)構(gòu)失效時(shí)裂縫的分布情況看，拉裂縫主要出現(xiàn)于拱腳外側(cè)、仰拱中部?jī)?nèi)弧面以及拱頂； 壓裂縫出現(xiàn)于拱腳內(nèi)側(cè)，仰拱內(nèi)弧面靠近拱腳部位，且拱腳部位裂縫分布密集，一般形成貫通裂縫。結(jié)構(gòu)失效時(shí)，二次襯砌裂縫分布情況如圖14所示。

(a) 3車(chē)道

(b) 加寬帶

4　結(jié)論與建議

1)針對(duì)大斷面公路隧道，按現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)的襯砌結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載作用下，襯砌內(nèi)力和變形均較小，結(jié)構(gòu)具有較高的安全儲(chǔ)備，故針對(duì)大斷面公路隧道的圍巖分級(jí)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需進(jìn)一步優(yōu)化。

2)隨加載壓力增加，二次襯砌內(nèi)力(軸力、彎矩)水平整體提高，但內(nèi)力分布均勻性變差。二次襯砌內(nèi)力和變形隨圍巖壓力的增加呈現(xiàn)出先慢后快的增加規(guī)律，在高加載壓力作用下，襯砌拱腳、仰拱、邊墻內(nèi)力增大最明顯，襯砌破壞也始于拱腳、仰拱及邊墻的破壞。故在實(shí)際工程運(yùn)營(yíng)期間，必須做好相應(yīng)防排水工作，避免突發(fā)性降水造成襯砌背后圍巖壓力增加過(guò)大，威脅結(jié)構(gòu)安全。

3)隨著開(kāi)挖斷面的擴(kuò)大，襯砌結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)及破壞機(jī)制發(fā)生明顯變化。開(kāi)挖斷面越大，開(kāi)裂荷載跨度越大，襯砌破壞歷程越長(zhǎng)。故在實(shí)際工程中，應(yīng)避免采用等剛度襯砌結(jié)構(gòu)，對(duì)大斷面公路隧道拱頂、邊墻、拱腳、仰拱等受力薄弱部位應(yīng)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)和施工。