地形偏压连拱隧道模型试验衬砌受力研究

董昌周，曲 晨，杨建辉

(浙江科技学院，杭州 310023)

1 试验概述

随着相似理论的发展和完善，到20世纪70年代，地下洞室模型试验也得到发展，特别是交通、水电等工程中一些地下洞室的规模越来越大，需要认真研究其围岩稳定性及隧道结构的力学行为［1］。近年来，随着高速公路的大量建设，连拱隧道由于减少征地面积、便于管理、视觉上的美观等优点经常被设计采用。但是，连拱隧道的结构特殊性，如中隔墙修筑不理想，直接导致洞室围岩跨度增大，对设计和施工会出现新的技术问题［2-4］，因此，采用物理模型试验进行研究是必要的。考虑满足相似原理的条件下，能真实反映地质构造和工程结构的空间关系，并对数值计算结果进行一定程度的对比。

2 模型试验方案

2.1 相似材料与及相似比的确定

连拱隧道模型模拟的岩体为V级围岩，岩体模拟材料选用重晶石粉与细砂为1∶1、松香占松香酒精溶液的百分比为8%、酒精与松香为胶结剂，其含量占相似材料总质量6%。根据相似准则［5］，推得各物理力学参数原型值与模型值的相似比如下:几何相似比CL=20，重度相似比Cγ=1，泊松比、应变、摩擦角相似比Cμ=Cε=Cφ=1。强度、应力、凝聚力、弹性模量相似比CR=Cσ=CC=CE=20。根据上述相似关系，围岩通过凝聚力 C、内摩擦角 φ、重度 γ、弹性模量 E、单轴抗压强度R与原型进行相似模拟。衬砌模型材料主要考虑EI(I为截面惯性矩)相似，同时考虑材料厚度。

2.2 模型试验箱设计

考虑平面应变问题，模型试验箱内净空尺寸长×宽×高为4 000 mm×40 mm×2 000 mm，此装置采用钢质框架结构，由上横梁、移动横梁、底梁及两侧的竖梁组成。

2.3 隧道模型断面考虑

模型的断面设计时考虑当前连拱隧道的常用洞形断面［6］(图1)，模型的尺寸则考虑模型箱的大小和加载系统的能力，具体的偏压连拱隧道试验尺寸见图2。

图1 传统连拱隧道

图2 偏压连拱隧道试验尺寸(单位:mm)

2.4 测点布置

采用在衬砌内外侧对称布设环向电阻应变片方式(如图3)，测读内外侧应变值，由此获得内外侧的应力及衬砌截面的内力。选用型号为BX120-15AA电阻应变片，布片前用环氧树脂对布片部位设基底，应变片布设经检查合格后作防潮处理。

图3 应变片的布置

3 模型试验过程

3.1 模型和相似材料的安装

1)按所确定的模型材料配比计算各原材料的用量，将细砂、ISO标准砂与重晶石粉经称量后，装入搅拌机搅拌均匀，将称量好的胶合剂加入，与上述拌合物充分搅拌均匀后装袋待用。

2)将背面槽钢全部安装，在适当位置加垫片，再将10 mm厚衬板铺平，衬聚四氟乙烯薄膜;在钢化玻璃板及塑料板内侧均匀涂上洗衣液，再用干布擦拭干净，从而减小模型箱与地层的摩擦力。

3)将正面1号～3号槽钢逐层安装，衬聚四氟乙烯薄膜，将搅拌均匀的模型材料分层填入模型箱，模型制作中严格控制模型密度。

4)安装4号槽钢，填土20 mm，安装2号压力盒，再填土100 mm，中墙位置的土中添加强度高的材料(钢筋网片)。

5)再拆下4号槽钢，挖出隧道槽(具体位置由有机玻璃板孔口位置确定)，安装1、3号压力盒，安装隧道模型。

6)安装4号槽钢，填土，安装4、8号压力盒。

7)拆除正面1～4号槽钢，铺20 mm厚塑料板与有机玻璃板。

8)安装1～6号槽钢，填料捣实，安装5～7号压力盒。

9)安装7、8号槽钢，铺20 mm厚塑料板，衬聚四氟乙烯薄膜，填料捣实。

10)安装9、10号槽钢，铺20 mm厚塑料板，衬聚四氟乙烯薄膜，填料捣实。

11)试验时拆除正面4、5号槽钢和背面6号槽钢。

12)试验开始前，调试运行数据采集系统。

3.2 隧道开挖过程与接线

隧道开挖采用人工开凿方式进行，待开挖完毕后将隧道内应变片线接入应变仪上，具体开挖与接线过程如图4、图5所示。

3.3 试验加载与测试

待模型开挖与接线完毕，开始模型的测试，如图6。此次模型将在 MST-600模拟试验台上测试，由垂向6个千斤顶进行加载，以同步方式在围岩上方对试体施加荷载，加载按级差20 kN分级，加载采用闭环控制，每级荷载在2 min内均匀施加完毕，稳压10 min后开始采集各种试验数据，试验加载至围岩体破坏为止。到达峰值荷载后卸除全部荷载，记录破坏形态和数据整理。

图4 人工开挖

图5 洞内应变片接线

图6 模型试验加载

4 模型试验结果与分析

4.1 衬砌内力分析

图7是洞室特征位置的衬砌轴力变化情况，右洞(后行洞)的衬砌轴力要大于左洞(先行洞)。两洞室衬砌轴力变化都采用二阶多项式回归，右洞比左洞的相关系数要高。

图8是洞室特征位置的衬砌弯矩变化情况，总体来讲右洞的衬砌弯矩要大于左洞，采用二阶多项式回归，右洞比左洞的相关系数高。

从图9中可以看出，连拱隧道对应特征部位存在明显的受力不对称。

图7 衬砌轴力变化曲线

图8 衬砌弯矩变化曲线

图9 100 kN下模型衬砌内力分布

图9(a)是模型试验在100 kN荷载下的衬砌轴力分布图。从分布图上可以看出，左右洞室衬砌都受压力，轴力随着隧道上覆荷载的增大而增大，左洞最大轴力值分布于仰拱和边墙的结合部位;右洞最大轴力值分布于靠近中墙的左拱腰。图9(b)是模型试验在100 kN荷载下的衬砌弯矩分布图。假定洞室外侧受拉的弯矩值为正，而洞室内侧受压的弯矩值为负。从图可以看出，左右洞室有明显的被压扁的趋势，左洞最大弯矩分布于左右拱腰和拱底，只是左右拱腰外侧受拉，而拱底是洞室内侧受拉;右洞最大弯矩分布于左拱腰，左右拱腰外侧受拉，而拱顶和拱底都是洞室内侧受拉。

4.2 洞顶位移分析

图10是隧道拱顶位移图。从图中可看出:随着荷载的增加，左洞洞顶竖向位移稍有变化，右洞洞顶竖向位移变化较大。加载到200 kN时，左洞拱顶处的围岩体开始出现裂缝。随着荷载的变大，裂缝变宽，直至加载到300 kN，裂缝贯穿。拆卸槽钢前发现左洞附近有两条裂缝(如图11)，一条位于靠近拱顶处近似平行于坡度的裂缝，另一条位于靠近拱腰处近似平行于水平向的裂缝，最终导致左洞左拱腰处围岩发生侧移，左洞洞顶位移回弹。右洞洞顶的位移随着荷载的增加不断变大。从图中看出，力与位移近似呈线性关系。

图10 隧道拱顶位移

5 结语

图11 围岩体破坏实况

通过1∶20尺寸比例的模型试验结果分析，地形偏压作用下连拱隧道衬砌受力和拱顶沉降有以下变化规律:

1)在不同荷载下，左右洞室衬砌都受压力，而且压力随着隧道上覆荷载的增大而增大，左洞最大轴力值分布于仰拱和边墙的结合部位;右洞最大轴力值分布于靠近中墙的左拱腰。

2)试验过程中，左右洞室有被压扁的趋势，左洞最大弯矩分布于左右拱腰和拱底;右洞最大弯矩分布于左拱腰。

3)在偏压作用下，连拱隧道整体向浅埋侧移动，浅埋侧和深埋侧的围岩分别受被动压力和主动压力作用，隧道结构处于不均衡受力状态，浅埋侧隧道边墙水平应力大于深埋侧隧道。当连拱隧道在严重不均衡力作用下，结构将产生大变形，最终导致隧道结构出现裂缝或渗漏水。

4)随着荷载的增加，左洞洞顶竖向位移变化不大，右洞洞顶竖向位移呈线性增大。

［1］李仲奎，卢达溶，中山元，等．三维模型试验新技术及其在大型地下洞群研究中的应用［J］．岩石力学与工程学报，2003，22(9):1430-1426．

［2］陈少华，李勇．连拱隧道的结构分析［J］．中国公路学报，2000，13(1):48-51．

［3］杨建民．金竹岭公路双连拱隧道设计［J］．世界隧道，1999(1):16-20．

［4］丁文其．龙山浅埋大跨度连拱隧道施工方案优化分析［J］．岩石力学与工程学报，2005，24(22):4042-4047．

［5］杨俊杰．相似理论与结构模型试验［M］．武汉:武汉理工大学出版社，2005．

［6］朱汉华，尚岳全．公路隧道设计与施工新法［M］．北京:人民交通出版社，2002．