雙連拱隧道結構內力分析與圍巖穩定性試驗研究

劉小玲

摘要：雙連拱隧道模型的相似性試驗是進行隧道結構力學研究的主要方法。文章基于相似性試驗原理，以廣西馬江隧道的實際工程為例，對雙連拱隧道的結構內力和圍巖穩定性進行了模型試驗研究，并通過三導坑法及雙導坑法對隧道洞室周邊的徑向位移進行了測試分析。試驗結果表明：洞室周邊徑向位移的峰值出現在拱頂處，其次是腰部位置。

關鍵詞：隧道;雙連拱;結構;穩定性;圍巖

0 引言

隨著我國山區高速公路的不斷建設，隧道工程的數量在逐漸增多。山區環境下地形較為復雜，長度較短（<500m）的山區隧道通常使用連拱結構，這種新型的隧道結構設計復雜，施工難度較大，施工過程容易引發各類問題，例如中墻頂部結合處的漏水情況對于隧道的結構安全具有不利影響。為此，對連拱隧道結構內力進行分析顯得十分必要，這對于研究隧道圍巖的穩定性也具有重要意義[1]。

1 隧道工程概況

廣西桂梧（桂林—梧州）高速公路馬江A匝道隧道為一座上、下行共建的4車道連拱隧道，位于廣西蒼梧縣沙頭鎮境內。隧道全長210m，限凈寬22.0m×5.0m;使用單圓心模式作為內輪廓，中墻設置為直墻，邊墻設置為曲墻;進、出口的設計高程分別為37.365m和40.251m，最大埋深為45m，隧道平面線型為曲線，半徑為305m偏左;路面橫坡進口為雙向坡3%，出口為單向坡4%，縱坡為“人”字型，進口縱坡i1=+3.0%，出口縱坡i2=1.5%;變坡點樁號為K0+185，豎曲線半徑為3050m。隧道的覆蓋層多見紅褐色黏土，包括基巖碎塊，隧道的軸線兩側和鞍部南緣基巖外露，殘破積層厚度為2.0～5.0m，平均厚度為2.85m。強風化層為灰、黃褐和紫紅色砂巖，弱風化層為淺灰、黃褐色砂巖，節理發育[2]。馬江雙連拱隧道支護參數如下頁表1所示。

2 試驗原理與方法

2.1 試驗的相似性

2.1.1 力學參數的相似性

該模型試驗的幾何比例為1∶25，依據相似性原理得出各力學參數原值與模值的相似比如下：幾何相似比CL=25，容重相似比為Cγ=1，泊松比、應變和摩擦角的相似比為Cv=Cε=Cφ=1，強度、應力、粘聚力以及彈性模量的相似比CR=Cσ=CC=CE=25。

2.1.2 地應力場模擬

由地質勘測數據可知，隧道區域附近地應力殘存較小，且在地質長期構造過程中應力已釋放，因此，在模型試驗過程中，地應力場根據自重應力場模擬。

2.2 試驗設備及試驗內容

2.2.1 試驗設備

使用立式加載試驗臺進行隧道模型試驗，在位于模型上部的兩端布置千斤頂以模擬豎向荷載，隧道模型在中墻頂部填充與圍巖成分同等的材料，在隧道模型左右兩側布置傳感系統和測量系統，用來對隧道模型結構內力試驗中的數據進行采集和測量，提高試驗的精準度[3]。隧道模型結構內力試驗設備如圖1所示。

2.2.2 試驗內容

試驗內容包括：洞室周圍徑向位移情況，圍巖與支護結構之間的接觸壓力，破壞過程和破壞程度的監測、記錄。

2.2.3 模型試驗組合

本次隧道模型結構內力試驗主要進行了Ⅱ、Ⅲ類圍巖在各種施工情況下的超載破壞試驗，包括三種不同類型的施工方法，即三導坑法、中導坑法以及雙導坑法，共進行了12組模型系列組合試驗，隨機抽取其中的3組試驗數據，對試驗結果進行分析，如表2所示。

3 模型材料準備和隧道開挖、襯砌模擬

3.1 模型材料的準備

3.1.1 圍巖

馬江雙連拱隧道的圍巖力學參數如表3所示。

依據各類圍巖的原始參數以及所應滿足的相似性關系，經過正交試驗多次比選，最終選取一定比例的重晶石粉、石英砂以及凡士林熱融混料來作為各種圍巖類別情況下的同等材料，如表4所示。

3.1.2 噴射混凝土

使用特質材料按一定比例配置后，可進行C20噴射混凝土的模擬過程，配置后應立即灌注，當完成初凝后可拆除外模，使混凝土表面均勻散熱，20h后進行試驗。噴層同等材料的力學特性模擬分析如表5所示。

3.2 加載試驗

3.2.1 豎向應力和水平應力模擬

通過兩個千斤頂施加并模擬豎向應力σ2，由不同類型圍巖的側向壓力系數求得水平應力σ1，具體量值為：σ1=λσ2=vσ2/（1-v），其中，λ代表側向壓力系數，v代表泊松比。

3.2.2 破壞試驗

應盡可能在模型上施加與原型相似的荷載，每次試驗在加到荷載峰值之后，可按原型應力的25%～50%進行加載，當模型被破壞后進行卸載。應注意的問題是，在試驗過程中，每次施加載荷之后，應及時檢查洞室附近圍巖以及結構體的支護情況，將裂紋的產生及發展過程詳細記錄[4]。

3.3 隧道開挖模擬與襯砌模擬

3.3.1 隧道開挖模擬

在模型試驗過程中的隧道開挖部分，主要通過開洞來實現。模型常見的開洞方式有兩種，分別是“開洞后加載”和“加載后開洞”。第一種方式是模型制作時洞室已做好，第二種方式是指對模型整體施加荷載時進行的開洞。依據不同的試驗目的使用具體的開洞方式。例如在進行彈性模量分析時，應使用“開洞后加載”的方式;而在研究開挖過程中對洞室的圍巖應力場以及位移場的實際影響時，應使用“加載后開洞”的方式。本試驗中擬使用后者來進行隧道的開挖模擬。

3.3.2 襯砌模擬

在模型的試驗過程中，模擬了復合式襯砌中的初次襯砌。初次襯砌通過澆筑的方法來實現[5]。

4 試驗過程與結果分析

4.1 洞室周邊的徑向位移

在進行洞室周邊徑向位移的試驗中，計劃測量8個點，每個測點使用30mm量程的位移測量計進行直接度數，精度在±0.01mm以內。與此同時，分別在拱頂處、水平及仰拱處設置電測傳感器，用來監測位移的變化，并通過高精度轉換接口實現數據的精準采集和傳送。隧道洞室附近的徑向位移分析屬于隧道開挖支護中的主要工作，與單拱隧道不同的是，雙連拱隧道在徑向位移和收斂速率閾值方面尚未有較為明確的標準規定，僅可在實際工程的實踐中進行研究和探索。本文對于雙連拱洞室附近徑向位移的相關討論可為國內該領域的研究提供一定的參考。當載荷σ=1.0MPa時，洞室周圍的徑向位移如圖2所示。由表3中數據可知，試驗5表示三導坑法施工，試驗8表示雙導坑法施工，而試驗11代表中導坑法施工，根據上述3種施工方法來研究圍巖的穩定性。Ⅱ、Ⅲ類圍巖中，圍巖所受的擾動因施工方法的不同而相應變化，擾動范圍越大，洞室周邊的徑向位移也越大。當埋深<45m時，若使用三導坑法或雙導坑法進行施工時，洞室周邊的徑向位移的峰值出現在拱頂，具體數值分別是9.68mm和1.155mm，而拱腰的位移為4.257mm和0.366mm，但邊墻位移變化程度不明顯。故此，在淺埋隧道中，洞室周邊的徑向位移多見于拱頂，其次是拱腰位置，實際施工過程中應加強這兩個位置的支護。當位移超過10mm時，隧道模型受到破壞，可將此數值作為徑向位移收斂閾值。使用中導坑法施工時，洞室周邊徑向位移的變化程度較小，拱頂處位移為0.125mm，拱腰處位移為-0.589mm，邊墻位移為-1.524mm，即此種施工方法對圍巖的擾動程度較小，發生的徑向位移值較小，此種方法經過本次試驗而提出，但需要在實際的施工過程中進一步驗證。

4.2 圍巖與支護結構之間的接觸壓力

使用0.5級的SGT-8型壓力傳感器對圍巖與支護結構間的接觸壓力進行測量，在噴射混凝土和模筑前，將壓力傳感器置于圍巖和噴層之間，以完成圍巖與支護結構之間徑向的接觸壓力測試，且壓力傳感器與測量系統相連接，經過多次預壓后進行標定，分析試驗5的壓力測試結果可知，其壓力范圍是0.006～0.025MPa，壓力最大值出現在中墻底部。

4.3 破壞過程和破壞程度的監測、記錄

試驗中荷載加到峰值后卸載，隨后對隧道模型結構的破壞情況進行監測并記錄，條件允許時亦可記錄相關的試驗圖像或視頻數據，便于洞室周邊圍巖以及支護結構的觀察，記錄裂紋的產生和變化全過程[6]。

5 結語

本文通過對雙連拱隧道模型的深入研究，詳細分析了雙連拱隧道結構內力以及圍巖穩定性的變化，主要得出以下結論：

（1）本試驗較好地模擬了雙連拱隧道實際施工過程中的徑向位移變化情況，通過三導坑法及雙導坑法對洞室周邊的徑向位移進行了測試和分析，得出結論：在埋深<45m情況時，徑向位移的峰值出現在拱頂，而腰部的位移次之，因此在實際施工過程中應加強拱頂及腰部位置的支護。

（2）本文提出了中導坑法的新型施工方法，并針對此施工方法進行了模擬試驗。試驗結果表明，其徑向位移的變化程度較小，此種方法的具體優勢需要在雙連拱隧道的實際施工過程中進一步驗證。

參考文獻：

[1]姚振凱，黃運平，彭立敏.公路連拱隧道工程技術[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2]申玉生，趙玉光.偏壓連拱隧道圍巖變形的現場監測與分析研究[J].公路，2005（4）：194-198.

[3]金豐年，王 波，蔣美蓉.雙連拱隧道穿越破碎山體圍巖穩定性數值分析[J].巖土力學，2008，28（增刊1）：227-231.

[4]賓城華.明挖隧道穿越河道鋼板樁圍堰倒邊施工技術研究——以佛山樂從鎮英雄河為例[J].黑龍江科學，2020，11（2）：48-49.

[5]何 川，林 剛，汪會幫.公路雙連拱隧道[M].北京：人民交通出版社，2006.

[6]JTGD70-2004，公路隧道設計規范[S].