全斷面開挖條件下隧道噴混結(jié)構(gòu)力學(xué)模型試驗

陳禹豪， 周嘉洋， 蒲 倩， 趙玉秀， 吳邦雨

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

距統(tǒng)計，截至2020年底，中國鐵路營業(yè)里程達(dá)14.5萬 km，其中，投入運營的鐵路隧道共16 798座,總長約19 630 km[1]。隨著隧道設(shè)計理念、施工技術(shù)、施工裝備的逐漸成熟，隧道開挖方法逐漸從分部開挖轉(zhuǎn)向全斷面開挖。

張新尚等[2]通過三維數(shù)值模擬仿真和現(xiàn)場實測對機械化施工隧道爆破振動特征和空間分布規(guī)律進(jìn)行了研究。李志業(yè)等[3]采用模型試驗和有限元計算方法探討了不同施工方法引起周圍介質(zhì)的力學(xué)行為，提出了判斷優(yōu)化施工方法的依據(jù)。王明年等[4-5]依托鄭萬高鐵機械化施工現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，明確了全斷面機械化施工超前支護體系設(shè)計方法和大型機械化和絲攻隧道位移控制基準(zhǔn)。張冶國等[6]基于類矩形截面隧道開挖收斂位移模式，建立類矩形隧道開挖引起土體自由場位移的模型試驗系統(tǒng)。劉少峰等[7]基于圍巖開挖擾動時應(yīng)力響應(yīng)原理，分析隧道縮尺模型的邊界條件及試驗方案。通過模型試驗，建立巖質(zhì)隧道的縱向變形規(guī)律曲線，獲得隧道開挖最大徑向位移與施工工藝的變化規(guī)律。馮冀蒙等[8]通過室內(nèi)模型試驗，采用可劣化的石膏模型制作初期支護的各構(gòu)件，對其劣化失效過程進(jìn)行模擬，記錄二襯結(jié)構(gòu)的狀態(tài)變化，再通過增加荷載確定隧道結(jié)構(gòu)整體承載力的變化情況。楊志浩等[9]開展了公路隧道下穿傾斜煤層采空區(qū)室內(nèi)相似模型試驗,考慮了不同開挖進(jìn)尺和初期支護參數(shù)的影響,通過埋設(shè)位移計、土壓力盒及電阻應(yīng)變片，測量了隧道開挖過程中采空區(qū)附近地層的移動和初期支護的內(nèi)力。楊忠民等[10]通過相似模型試驗,采用自行設(shè)計的隧道模型開挖裝置和圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測裝置,研究了隧道開挖和埋深增大過程中圍巖漸進(jìn)性破壞過程及位移和應(yīng)力變化規(guī)律，揭露出預(yù)防隧道大變形的重點支護部位,并進(jìn)一步研究了大變形出現(xiàn)后處治過程中襯砌的破壞規(guī)律，明確了大變形處治時的支護措施。

現(xiàn)有研究表明，全斷面開挖相比于分部開挖，對支護時機、支護強度要求更高。噴射混凝土結(jié)構(gòu)作為隧道洞身支護作為常用的支護手段之一，其受力特征成為了國內(nèi)外研究學(xué)者的研究重點。本文利用模型箱模擬實驗確定了全斷面開挖條件下隧道噴混結(jié)構(gòu)力學(xué)行為，通過對模型施加豎向應(yīng)力，直至噴混結(jié)構(gòu)破壞。確定了IVK1支護條件下，噴射混凝土的極限承載能力，為實際的工程施工提供重要的依據(jù)。

1 工程背景

宜昌至鄭萬高鐵聯(lián)絡(luò)線正線全長108.3 km，全線設(shè)站3個，設(shè)計時速350 km，總投資約195.3億元。線路由宜昌東站引出，經(jīng)伍家崗區(qū)、西陵區(qū)、夷陵區(qū)，進(jìn)入興山縣，接入鄭萬高鐵興山站，預(yù)計2025年前建成。全線隧道23座，總長83.452 km，占全線的76.925%，高風(fēng)險長大隧道多，施工難度大，其中長、特長隧道7座，總長71.105 km，占比為65.5%。施工采用全斷面開挖，開挖面積約150 m2。宜昌至鄭萬高鐵聯(lián)絡(luò)線正線施工總平面布置如圖1所示。

圖1 宜昌至鄭萬高鐵聯(lián)絡(luò)線正線施工總平面布置

2 模型箱試驗

2.1 相似材料

為探究全斷面開挖隧道噴射混凝土結(jié)構(gòu)極限承載能力，本文以實際工程的IVK1型支護為原型，開展了模型箱試驗。宜昌至鄭萬高鐵聯(lián)絡(luò)線IVK1型橫斷面如圖2所示。

圖2 宜昌至鄭萬高鐵聯(lián)絡(luò)線IVK1型橫斷面(單位：cm)

根據(jù)模型箱試驗擬定的工況，應(yīng)根據(jù)相似第三定理合理選擇相似材料，確定模型箱和預(yù)留隧道模型尺寸。綜合考慮模型試驗的相似比，所選的相似模型試驗材料需要滿足要求：材料的重度大、材料的泊松比滿足不同圍巖條件的需求、材料的力學(xué)性能穩(wěn)定、材料可以重復(fù)使用、材料容易制作。

按照模型試驗相似三定理進(jìn)行試驗的，滿足模型試驗的相似條件，其相似比分別為：幾何相似比Cl、應(yīng)力相似比Cσ、應(yīng)變相似比Cε、容重相似比Cγ、彈性模量相似比CE、泊松比相似比Cν、內(nèi)摩擦角相似比Cφ、粘聚力相似比Cc、位移相似比Cδ。考慮以上幾何、容重、內(nèi)摩擦角、粘聚力、泊松比、彈性模量、應(yīng)力、位移、應(yīng)變、彎矩、軸力等11項影響參數(shù)。其關(guān)系應(yīng)滿足：

f(l,γ,φ,c,ν,E,σ,δ,ε,W,N)=0

(1)

式(1)11項參數(shù)中，以幾何和重度為基本量綱的物理量，根據(jù)隧道實際的幾何尺寸和室內(nèi)試驗?zāi)Ｐ拖涑叽?3 m×2.5 m×0.6 m)和相似定理，本次試驗幾何相似比Cl=30，容重相似比Cγ=1，泊松比和內(nèi)摩擦角相似比為Cν=Cφ=1，應(yīng)力、彈性模量和粘聚力相似比Cσ=Cc=CE=30。實驗測得的位移δ量綱與幾何量綱相同，故有Cδ=Cl=30；應(yīng)變ε量綱與幾何量綱與泊松比量綱相同，故有Cε=Cν=1；彎矩相似比Cw=303；軸力相似比CN=302。模型圍巖的物理力學(xué)參數(shù)相似比如表1所示。

本次選用粉煤灰、河砂和機油的熱融混合料作為圍巖的相似材料。河砂和機油主要對其粘聚力C值敏感，對摩擦角φ和重度γ也起著一定作用；粉煤灰作為主要骨料，調(diào)節(jié)其密度使顆粒級配滿足試驗要求。

2.2 模型制作

根據(jù)工況設(shè)置以及鄭萬第五版圖斷面設(shè)計圖，隧道軸線與模型箱長度方向一致，橫斷面方向與模型箱寬度方向一致。考慮模型箱的邊界效應(yīng)，隧道兩側(cè)寬度應(yīng)在2～3倍隧道跨度以上。初步擬定的模型箱尺寸為3 m×2.5 m×0.6 m，開挖面采用3 cm厚的亞克力板。模型示意如圖3所示。

在現(xiàn)有模型箱尺寸和模型相似比，模型監(jiān)測元件主要包括土壓力盒、極限位移量測裝置，模型試驗量測系統(tǒng)各監(jiān)測元件位置如圖4所示。

表1 模型試驗參數(shù)相似比

圖3 模型箱示意(單位：cm)

圖4 模型試驗監(jiān)測系統(tǒng)各監(jiān)測元件布置(單位:mm)

2.3 模型開挖與支護

噴射混凝土選用石膏材料進(jìn)行模擬，按石膏∶水=3∶2的比例攪拌均勻后，施作在洞身。模型開挖及支護流程具體如圖5～圖9所示。

圖5 人工開挖

圖6 石膏配制

2.4 模型加載

通過測試臺油壓裝置，根據(jù)荷載相似比逐級增加豎向和水平壓力，為保證正面的亞克力板不破壞，千斤頂采用50 t級別，通過油壓控制以1.53 kPa為單位逐級施加的豎向壓力。忽略隧道開挖過程中，圍巖應(yīng)力的釋放造成土壓力盒讀數(shù)和百分表讀數(shù)的變化。分別記錄逐級加載過程中土壓力盒和百分表讀數(shù)，并觀察支護結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)展，當(dāng)觀察到支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生貫穿式裂縫時，判定支護結(jié)構(gòu)破壞。模型逐級加載過程土壓力盒讀數(shù)如圖10所示。

圖7 噴射石膏漿料

圖8 石膏漿抹面

圖9 開挖完成

圖10 模型加載過程土壓力盒和百分表讀數(shù)

3 試驗現(xiàn)象與分析

如圖10所示，全斷面法開挖噴射混凝土結(jié)構(gòu)在豎向荷載逐漸增加的過程中，土壓力盒和百分表讀數(shù)逐漸增加，當(dāng)豎向壓力施加到0.3 kPa時，邊墻部位首先出現(xiàn)環(huán)向裂縫，當(dāng)豎向壓力施加到0.6 kPa時，噴射混凝土結(jié)構(gòu)完全破壞。噴射混凝土支護結(jié)構(gòu)破壞過程如圖11所示。

圖11 噴射混凝土支護結(jié)構(gòu)破壞過程

4 結(jié)論

本文依托宜昌至鄭萬高鐵聯(lián)絡(luò)線工程，開展了全斷面法噴射混凝土結(jié)構(gòu)極限承載能力模型試驗，隨著豎向壓力的逐漸增加，隧道變形和土壓力讀數(shù)逐漸增加。在全斷面開挖條件下隧道噴混結(jié)構(gòu)的極限承載能力是0.6 kPa，加載到0.3 kPa時，邊墻首先出現(xiàn)環(huán)向裂縫。