不同埋深對花崗巖殘積土公路隧道支護結構力學性能的影響研究

蔣凌云

（吉首大學張家界學院，湖南 張家界 427000）

0 引言

我國東南部地區(qū)分布有大量花崗巖殘積土，花崗巖殘積土的出露面積高達30%~40%[1-2]?；◢弾r屬于巖漿巖的一種，噴出或淺層花崗巖經過物理或化學風化后所形成的部分產物稱為花崗巖殘積土。因其具有碎散性、高壓縮性、低強度等特性，給地下結構的施工帶來了很大的困難。

湖南省南岳片區(qū)就分布有大量花崗巖殘積土，主要風化程度為全風化[3-4]。南岳片區(qū)的全風化花崗巖殘積土其自身顆粒較破碎，力學性能差，在其地表以下進行隧道工程施工作業(yè)，可能會面臨一些施工問題[5-6]。因此，本文以湖南省南岳片區(qū)的花崗巖殘積土為研究對象，通過改變公路隧道埋深進行室內相似模型試驗，研究不同埋深對花崗巖殘積土公路隧道支護結構力學性能的影響，為花崗巖殘積土地區(qū)的公路隧道支護結構的設計與施工提供參考。

1 材料選取

試樣過程中圍巖材料的選取方法有：原巖材料法、低彈模相似材料替代法、改變容重相似材料替代法。為使試驗結果更接近于實際值，試驗圍巖材料擬采用原巖材料，即選用湖南省南岳片區(qū)花崗巖殘積土，其物理力學指標見表1。

表1 花崗巖殘積土物理力學指標

基于相似理論，本試驗為室內縮尺試驗，模型幾何相似比Cl=40。通常隧道的襯砌結構為混凝土材質，以石膏為主的脆性材料，其彈性模量主要隨水與石膏的重量比而異。襯砌材料的應變、泊松比、摩擦角、容重相似比取1，水膏比在3.5~0.5之間時，其彈性模量一般在0.3~5.5GPa之間，容重一般為3.5~10.0kN/m3，泊松比一般為0.17~0.20[7-8]。因此，本試驗采用石膏為主輔以少量水泥作為襯砌的主要材料，水膏比為0.71，水泥摻量為4%的水泥石膏對公路隧道進行支護。其襯砌材料配比情況見表2。

表2 襯砌材料配比情況

2 試驗裝置模型

基于平面應變問題和相似理論[9-10]，確定試驗加載臺的具體尺寸為2000cm×300cm×2000cm（長×寬×高），模型結構框架體系為槽鋼材質。為了方便觀察和監(jiān)測試驗過程中圍巖的變化情況，模型箱側面選用透明的有機玻璃，有機玻璃采用亞克力有機玻璃板且厚度為9mm，通過螺栓將有機玻璃固定在槽鋼上，裝置模型箱如圖1所示。

圖1 模型箱實體圖

3 試驗過程

為研究不同埋深下花崗巖殘積土公路隧道圍巖支護結構的力學特性，在上述試驗模型箱中設置了9種不同的埋置深度，分別為700mm、800mm、900mm、1000mm、1100mm、1200mm、1300mm、1400mm、1500mm。具體試驗步驟如下：

（1）將花崗巖殘積土裝入試驗模型中，分層夯實，其埋置深度為700mm；（2）選擇量程為200kPa的土壓力盒，在隧道拱頂、拱腰（左右各一處）、拱腳（左右各一處）和仰拱各埋設一個，分別標上T201、T202、T203、T204、T205、T206；（3）拱頂和地表B1、B2、B3、B4、B5處各安裝百分表一個；（4）記錄各百分表的數值和土壓力盒的數據；（5）按步驟（1）更換埋置深度至800mm，重復步驟（2）~（4）；（6）分析不同埋深下，圍巖壓力、各點累計沉降量之間的關系。

隧道斷面及設備布置如圖2、圖3所示。試驗模型制作及百分表的安裝見圖4~圖8所示。

圖2 隧道開挖橫斷面圖

圖3 隧道斷面設備布置圖

圖4 完成填土

圖5 地表百分表布置

圖6 開挖完成整體效果圖

圖7 完成初襯整體效果圖

圖8 安裝拱頂百分表

4 試驗結果與分析

通過改變隧道埋深，直至襯砌結構破壞，襯砌破壞后的形狀見圖9。

圖9 隧道襯砌破壞形態(tài)

為方便襯砌結構的施工，本模型襯砌結構為等厚設計，通過增加上部填土的厚度，襯砌結構最后產生了破壞。從圖9可以觀察到隧道襯砌結構出現了上下左右對稱破壞，拱頂處最先產生破壞，其次是拱腰部分破壞，最后破壞的部位為仰拱，說明拱頂在埋深不斷增大的情況下，產生了過大位移致使拱腰處出現應力集中，最終襯砌結構整體產生脆性破壞。因此在進行襯砌結構設計時，應增強隧道拱頂處襯砌結構強度，同時支護結構的設計應盡可能使拱部以上圍巖產生“自穩(wěn)拱”，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，從而減少作用在支護結構上的作用力。

根據上述試驗步驟記錄各位置處百分表和土壓力盒各階段的數據，并將試驗分別繪制在埋深-圍巖壓力、埋深-累計沉降量坐標系中，具體見圖10和圖11。

圖10 圍巖壓力與埋深關系曲線圖

圖11 累計沉降量與埋深關系曲線圖

從圍巖壓力與埋深關系曲線圖不難發(fā)現，當隧道埋深為1383mm時，拱腳處圍巖壓力明顯增大，拱腳出現應力集中，說明此時襯砌已經出現微裂隙；在不同埋深作用下，拱腰處的圍巖壓力一直趨于穩(wěn)定狀態(tài)，說明埋深對拱腰圍巖壓力影響不大。

從累計沉降量與埋深關系曲線圖不難發(fā)現，當埋深≤1100mm時，B1、B4、B5處地表所產生的累計沉降量很少，而當埋深>1100mm時，B1、B4、B5處地表所產生的累計沉降量隨埋深增大而增加，可見埋深越大拱頂正上方產生的位移值也就越大。當埋深<1076mm時，B1處地表所產生的累計沉降量要小于B2和B3處地表所產生的累計沉降量，說明小埋深隧道，地表沉降以自重沉降為主；當埋深逐漸增大，上方產生較大自重荷載，襯砌結構開始出現裂縫，當埋深為1500mm時，B4、B5處地表沉降量趨于穩(wěn)定，甚至減少，說明襯砌已發(fā)生明顯破壞，致使圍巖產生較大水平壓力，最終致使地表兩側向上隆起。

5 結束語

本文基于平面應變問題和相似理論，通過改變花崗巖殘積土公路隧道埋深，開展室內縮尺模型試驗，進而揭示不同埋深下花崗巖殘積土公路隧道支護結構力學特性，結論如下：

（1）埋深越大，各點處產生的圍巖壓力值也會逐漸增大，當埋深超過1383mm時，圍巖壓力明顯增強，特別是拱腳處的圍巖壓力顯著增大，說明此埋深下，隧道拱腳處產生應力集中，因此在實際工程中可增大拱腳襯砌厚度或增強拱腳處襯砌混凝土強度，從而提高拱腳抗變形能力。

（2）不同埋深作用下，隧道地表沉降隨隧道埋深的增大而增大，當埋深超過1100mm時，拱頂處地表的沉降值明顯增大，是由于拱頂已出現裂縫，故在實際工程中也應增大拱頂襯砌厚度或增強拱頂襯砌混凝土強度。