隧道工程物理模拟试验技术现状与趋势分析

李元海， 杜建明,*， 刘 毅

0 引言

国内隧道及地下工程自20世纪80年代以来得到了前所未有的发展，21世纪是隧道工程建设的黄金时期，铁路隧道、公路隧道、地铁隧道、水电隧洞以及跨江、跨海通道的建设都将进入高峰期。与此同时，隧道工程面临巨大的机遇与挑战，山岭隧道工程的地质条件越来越复杂，煤矿巷道向深部不断发展，城市地铁建设如火如荼，海底隧道与输油气工程隧道方兴未艾，城市地下管廊隧道悄然兴起。大规模复杂的隧道工程修建势必带来诸如隧(巷)道软岩大变形机制、长大深隧道的突水突泥机制、深部复合地层TBM隧道稳定性原理与控制、城市地铁隧道交叉重叠及穿房过河引起的地层与周围环境风险等诸多基础科学与工程技术问题，这些问题的进一步研究和解决可为未来隧道工程建设中的设计和施工提供更加可靠的理论依据与技术保障。

洪开荣[1-2]总结分析了我国隧道及地下工程的现状及其在各个方面的技术发展与创新； 王梦恕[3]通过典型案例对我国盾构掘进技术存在的问题进行了总结分析； 马建等[4]对我国隧道工程建设的发展历程、现状、技术发展与创新进行了总结，并对未来发展趋势进行了分析； 何川等[5]对我国盾构法修建地铁隧道的技术问题及未来发展趋势进行了阐述分析； 邓涛等[6]系统论述了国内外山岭隧道振动台模型试验的研究现状及发展趋势； 叶飞等[7]对模型试验在盾构隧道相关研究工作中的进展和成果进行了系统归纳和阐述。

当前隧道工程设计与施工中的诸多理论和技术难题都需要进行深入的探讨和研究，物理相似模拟试验作为研究解决隧道工程相关问题行之有效的方法必将得到进一步的应用和发展。一般来说在满足相似原理的前提下，隧道物理模拟试验能够利用相似材料较为有效地模拟实际工程施工、结构稳定以及地层与周围环境效应等问题，可以较真实地反映地质构造与工程结构之间的空间关系以及隧道施工过程对工程本身和周围环境的影响规律。

本文主要针对当前国内隧道工程物理模拟试验系统及其发展趋势进行了较为全面细致的总结、分类和阐述，并对当前隧道工程物理模拟试验系统关键技术进行了对比分析。最后，提出了以模型体积大小为依据的试验系统分类方法，可为隧道工程物理模拟试验系统的应用及后续建设提供参考。

1 试验系统分类与特点

隧道工程物理模拟试验系统的分类对于系统使用与建设规模确定、技术难度分析、建设周期与费用估算等都具有明确的指导意义，但目前尚无一个权威或统一的分类标准。试验系统分类是一个科学问题，需综合考虑多方面的因素。通过查阅文献和总结分析，提出了一种试验系统分类方法，如图1所示。即按试验模型体积将试验系统分为小型、中型、大型和超大型4类； 按模型体荷载分为自重型和离心型； 按加载动力来源分为重力型(含自重)、电机型、液压型(千斤顶或液压枕)、气压型和复合型(如气液结合)5类； 按加载的静动力状态可分为静力型和动力型； 按模型端面加载维数分为单轴型、双轴型和三轴型3类。

隧道工程物理模拟试验系统的研制与应用多以大专院校、研究院所和企业技术中心为主。据相关单位研究文献可知，隧道模型断面多以正方形或接近正方形的矩形为主，通常按模型断面最大尺寸(长或宽l)将试验系统分为小型(l≤0.5 m)、中型(l=0.5～1.0 m)、大型(l=1.0～2.0 m)和超大型(l>2.0 m)。然而，随着隧道工程物理模拟试验系统的发展，圆柱体及不规则形状体的模型越来越多，模型断面已不局限于正方形或近似正方形，仅仅按模型断面尺寸很难对现有试验系统的多样类型进行准确划分。

图1 隧道工程物理模拟试验系统分类

Fig. 1 Classification of physical simulation experiment system for tunnel engineering

众所周知，在相似模型试验分类中，相似比作为一个重要的分类指标，可以用来准确计算模型体积的大小，但相似比为原型与模型尺寸之比，是一个相对概念。在隧道物理模拟试验中，模型体积越大，所需相似材料越多，费用越高，难度越大，制备周期越长，故模型体积能够较为全面地反映试验系统的规模、试验实施难度以及费用成本等关键要素，概念更为直观。因此，本文根据模型体积提出了一种新的试验系统分类方法，即按模型体积(V)的大小将隧道工程物理模拟试验系统分为小型(V<0.125 m3)、中型(V=0.125～1.0 m3)、大型(V=1.0～8.0 m3)和超大型(V≥8.0 m3)试验系统。

1.1 小型试验系统

目前国内主要的小型隧道物理模拟试验系统见表1。其中，中国矿业大学研制的透明岩体隧道物理模拟试验系统[8]如图2所示，其试验机本质上是一套小型的单轴10 t加载设备，使用透明岩体相似材料，考虑到加载能力与模型透明度的问题，采用的模型尺寸较小(0.40 m×0.35 m×0.15 m)，配合数字照相量测技术可实现模型内部变形的直接量测； 解放军理工大学研制的深长隧道突水地质灾害三维模型试验系统[9]中，模型尺寸(径×高)为0.4 m×0.3 m，该系统通过水压加载技术将压力水经管道注入积水腔中，以模拟地下水体压力。

此外，纽约大学Ahmed等[13]自制了透明土盾构隧道物理模拟试验系统，模型尺寸为0.31 m×0.25 m×0.20 m，隧道直径为0.025 m，利用该系统可对盾构隧道掌子面的土体变形进行试验研究； 英国伦敦大学研发了由2个组合式铜制圆环、18根长螺丝和12根短螺栓组成的小型组合式隧道衬砌模型，通过长螺丝可对内圆环进行均布加载，进而模拟隧道衬砌的受力情况，Standing等[14]利用该模型对隧道衬砌(外径47.29 mm)在不同受力状态下的变形进行了研究分析； 美国伦斯勒理工学院研制的离心试验机，加速度高达70g(g为重力加速度)，美国曼哈顿大学Anirban等[15]利用该离心机对作为地下隧道衬砌保护层的聚氨酯泡沫在地表爆破冲击作用下的效果进行了研究分析，试验模型尺寸为61.3 m×27.6 m×(17～20) m，几何相似比为1∶70。

一般来说，小型试验系统的模型尺寸较小、制作方便，研究、设计和制作周期相对较短，研制成本和制造费用较低，占地空间较小，使用方便。

表1 国内主要小型隧道物理模拟试验系统

图2 透明岩体隧道物理模拟试验系统

1.2 中型试验系统

国内主要的中型隧道物理模拟试验系统见表2。山东大学研制的高地应力真三维加载模型试验系统[16]的模型尺寸为0.6 m×0.6 m×0.6 m，该系统采用双缸回油卸压方式，可进行加卸载试验，并可通过分时控制实现模型一维、二维和三维加载； 清华大学研制的土工离心机振动台试验系统[18]通过振动台可用于模拟隧道工程地震动力响应； 中国矿业大学研制的深部隧道物理模拟试验系统[23]如图3所示，其采用框架式结构+分布式真空回油的扁油缸液压加载方式，模型端面最大加载量为100 t，结构紧凑、占地空间较小，由于模型加载与稳压时间较短，并没有采用复杂的伺服系统，而采用气驱增压泵自动控制加载与稳压系统。

此外，伊朗大不里士大学研制的隧道模型离心试验系统模型尺寸为0.7 m×0.5 m×0.4 m，Kiani等[26]利用该系统对隧道垂直正断层时的变形破坏机制进行了研究分析； 英国诺丁汉大学研制的砖砌隧道试验系统中先进的激光扫描和摄影摄像技术可以实现隧道变形的精细化量测和衬砌破坏的有效观测，Chen等[27]利用该系统(模型尺寸2.0 m×0.33 m×1.5 m)对砖砌隧道的稳定性进行了试验研究。

与小型试验系统相比，中型试验系统模型尺寸适中，使用率较高，但其研究、设计和制作周期较长、费用较高。

表2 国内主要中型隧道物理模拟试验系统

表2(续)

(a) 二维模型台架 (b) 平面模型系统 (c) 真三维模型系统

图3深部隧道物理模拟试验系统(单位： mm)

Fig. 3 Physical simulation experiment systems for deep tunnels (unit: mm)

1.3 大型试验系统

目前国内主要大型隧道物理模拟试验系统见表3。其中，山东大学研制的超高压智能数控真三维加载模型试验系统[28]模型尺寸为1.5 m×1.5 m×0.5 m，其超高压加载系统由33个独立加载单元(1个5 000 kN的液压千斤顶和1个传力块组成)构成，可对超埋深隧道的变形破坏机制进行试验研究； 同济大学研制的准平面隧道工程物理模型试验系统[31]模型尺寸为2.0 m×2.0 m×0.4 m，该系统可提供多组荷载分布施加方案，但仅能进行二维准平面应变的模型试验； 山东大学研制的另一个海底隧道流-固耦合模型试验系统[33]模型尺寸达到2.4 m×2.4 m×0.8 m，该系统采用新型流-固耦合相似材料及高强度可视化玻璃组成可视箱，为模拟地下水及岩体的真实耦合作用提供可视条件。

大型试验系统能较真实地反映工程地质条件，但研究、设计和制作周期长、费用高，且大多数试验台架整体尺寸较大，利用率偏低。

表3 国内主要大型隧道物理模拟试验系统

表3(续)

1.4 超大型试验系统

目前国内主要超大型隧道物理模拟试验系统见表4。其中，山东大学研制的组合式三维地质力学模型试验系统[38]模型最大尺寸为4.0 m×3.0 m×6.0 m，台架装置可根据试验需要自由组合，顶部完全开放，可用于模拟隧道工程中实际的地形地貌特征； 上海隧道股份公司研制的盾构掘进物理模型试验系统[39]，可对盾构隧道地质适应性、土压平衡等关键技术进行试验研究； 西南交通大学研制的盾构掘进试验系统[40]可实现盾构始发、刀盘切削和渣土排放等基本功能的模拟；盾构及掘进技术国家重点试验室研制的盾构施工模态试验系统主要由机械、液压加载、水压调节和计算机控制及辅助系统组成。

超大型物理模型试验系统的优点是能最大程度地减小边界效应，试验结果接近实际工程效应，但超大型试验系统的研究、设计和制作周期漫长，模型制作困难，需耗费大量的人力和物力，且试验系统的长时间闲置问题比较突出。

表4 国内主要超大型隧道物理模拟试验系统

综上所述，超大型、大型物理模拟试验系统能最大程度地模拟工程实际条件，但试验费用高、周期长； 中小型试验系统不仅费用低、周期短，而且容易实现模型制作的精致化、加载控制的精确化以及测量的精细化。因此，在新系统建设中可将中小型试验系统作为一个主要的比选方案。

2 试验系统关键技术

试验系统的关键技术包括： 相似材料的选取、加载控制系统的稳定性、应力与应变量测的准确性以及开挖支护方式的选择等。

2.1 相似材料

模型试验成败的前提条件是相似材料的选取是否合理，材料的性质是否能够准确地反映研究对象的主要物理力学特征。相似材料按功能一般可以分为骨料、胶结剂和调节剂3部分，骨料和胶结剂对材料性能起“总体控制”作用，调节剂对材料某项参数的性能起“单项调节”作用。为方便分析，本文将相似材料按标准试件的单轴抗压强度σc大致分为高强度(σc>1.5 MPa)、中强度(σc=0.7～1.5 MPa)、低强度(σc≤0.7 MPa)3类。目前隧道工程模拟常用的普通相似材料和透明相似材料分别见表5和表6。

2.2 加载控制

物理模型试验的顺利进行与加载控制系统是否稳定密切相关。根据模型试验加载边界条件，加载方式可分为刚性加载和柔性加载2种；根据加载动力来源可分为重力加载、电机加载、液压加载、气压加载和复合加载5种。隧道模拟试验常用的加载方式见表7。

表5 隧道工程模拟常用的普通相似材料

表6 隧道工程模拟常用的透明相似材料

表7 隧道模拟试验常用的加载方式

2.3 应力与应变量测

应力与应变是隧道物理模型的重要力学参数，也是试验中需要获取的基础数据。应力值一般可通过测量元件直接量测，也可利用元器件测得的应力-应变关系求解得到。应力的量测方法主要有应变片电测法、电阻应变块、光纤光栅法、光弹法和微型土压力盒(包括薄膜土压力计、膜式土压力盒等)。试验中常用的应力与应变量测技术见表8。

表8 主要应力与应变量测技术

2.4 位移、变形量测

位移或变形是隧道工程围岩与其所处应力环境及环境变化相互作用的结果，是分析和评价隧道工程安全稳定性最常用的指标，也是试验中最重要的量测内容。位移量测方法主要有千分尺、网格法、LVDT位移传感器、微型多点位移计和数字照相变形量测技术等。隧道模型试验中主要位移量测方法见表9。

表9隧道模拟试验中主要位移量测方法

Table 9 Main displacement measurement methods for tunnel simulation experiment

名称优点缺点位移计或千分尺应用范围大，精度较高 对模型扰动大，测点数量有限网格法网格绘制简单 需手工绘制网格与量算，精度较低LVDT位移传感器使用简单，精度高 对模型存在干扰，测点数量有限微型多点位移计 可测内部位移，受外界影响小 器件结构复杂，制作困难 数字照相变形量测技术 非接触，全域精细化，精度高，可计算应变 要求能通过相机镜头可视观测面

2.5 开挖支护

目前，隧道模拟开挖一般有人工和机械2种方式。人工开挖可以比较灵活地调整隧道形状，但成型效果差，开挖效率低； 而机械开挖操作简单、成型好、效率高，但形状多局限于圆形。李利平等[41]研制的由可伸缩式长铲、锚杆定位器以及混凝土施作器组成的开挖装置以及李浪等[9]研制的步进电机驱动切削刀盘，对隧道开挖装置的研制有着重要的借鉴意义。

对于隧道支护结构来说，一般根据等效抗拉或抗弯刚度原则选用铝丝、铜丝或铁丝等模拟锚杆或钢架，选用石膏和硅藻土或塑料等混合料模拟混凝土或衬砌。例如： 李术才等[45]利用几何和力学相似比接近的铜丝、铁丝等模拟锚杆(索)，李元海等[23]采用石膏模拟隧道开挖后的二次衬砌。

2.6 加载与开挖方式

根据研究问题的不同，加载与开挖方式主要有“先加载后开挖”和“先开挖后加载”2种方式。一般而言，若研究隧道开挖和地应力影响问题，推荐采用“先加载后开挖”的方式，这种方式更加接近实际工程施工条件； 若研究采动应力对矿山巷道的影响问题，则可以采用“先开挖后加载”的方式，因为采动应力一般多在巷道开挖支护完成之后出现。

3 试验系统研究问题分析

3.1 围岩变形规律与机制

围岩变形规律与机制一直是国内外学者研究的主要问题。通过物理模拟试验系统可以有效研究隧道围岩变形的时空演化过程与变形模式和机制。目前的相关研究主要有： 李树忱等[46]采用大型三维模型试验系统对深部多组裂隙岩体在开挖强卸荷作用下的围岩变形破坏规律进行了研究； 李为腾等[47]对压型锚索箱梁支护系统作用下的巷道围岩变形破坏机制进行了大比尺模型试验； 林志斌等[48]采用透明岩体试验方法对深埋软岩巷道围岩内部变形规律与机制进行了试验研究。

3.2 隧道开挖方法优化

根据围岩条件和环境控制要求，隧道开挖方法一般有全断面法、台阶法、分部法、盾构法与TBM法等。正确选择开挖方法是隧道安全施工的前提，试验研究的主要内容是进行方法比选和优化工艺参数。对于复杂的隧道工程地质条件，合理优化现有的施工方法是保证隧道工程安全快速施工的重要前提。目前的相关研究主要有： 谭忠盛等[49]通过物理模型试验对管幕支护条件下不同的开挖方法进行了对比分析； 刘泉声等[50]以重庆轨道交通3号线为工程背景，对十字岩柱暗挖大断面隧道开挖工序进行了优化试验研究。

3.3 隧道支护方法优化

隧道支护主要包括以锚喷支护或钢拱架为主的初期支护、以模板混凝土或管片为主的二次支护以及小导管和大管棚超前支护等。合理选择支护方式、确定支护参数是确保隧道稳定的前提条件。目前的相关研究主要有： 何川等[51]对南京长江盾构隧道超大断面单层装配式管片衬砌在高水压条件下的力学行为特征、结构与周围土体的相互作用关系进行了相似模拟试验研究； 郭璇等[52]通过自主设计的平面准应变模型试验系统对管棚预支护(120°和150°布置)条件下的地表沉降规律进行了研究分析。

3.4 隧道开挖灾害问题

如何合理模拟隧道开挖过程中出现的灾害问题(突水突泥、岩爆、断层塌方等)也是物理模拟试验研究的主要内容。目前的相关研究主要有： 李浪等[9]采用深长隧道突水地质灾害三维模型试验系统对隧道突水成灾时的最小安全隔水岩层厚度进行了研究； 李天斌等[53]利用具有岩爆倾向的相似材料制作了大尺寸模型，对采取后开孔成洞方式的隧洞进行了岩爆物理模拟试验； 徐前卫等[54]对跨断层破碎带隧道施工过程中围岩的渐进性破坏过程及受力变形特征进行了试验研究。

3.5 “长大深”及海底隧道问题

模型试验主要用来合理模拟工程所处的高地应力环境影响、大型断面与超长隧道的结构稳定性以及水环境下的水压作用与流-固耦合作用。胡指南等[55]采用局部相似装配式剪力键方案，利用模型试验对超长海底沉管隧道在不均匀沉降及不均匀荷载作用下节段接头的作用机制进行了研究分析； 李利平等[41]采用研制的大型三维均匀梯度加载模型试验系统对超大断面隧道围岩随埋深逐渐增加的渐进性破坏过程进行了模拟分析； 张强勇等[28]开展了超埋深隧(巷)道的三维地质力学模型试验研究； 李术才等[33]以青岛胶州湾海底隧道工程为背景，采用新型流-固耦合相似材料对海底隧道涌水量与岩石覆盖厚度和海水深度的关系进行了研究分析。

3.6 隧道施工环境影响问题

地铁隧道施工中带来的环境问题比较突出，隧道施工过程中如何保证工程本身、地面与地下邻近建(构)筑物的安全是物理模拟试验研究的主要问题。臧宏阳等[56]对盾构隧道施工时上覆地层的沉降特点进行了试验分析； 何川等[57]对地铁盾构隧道重叠下穿施工引起的上方已建隧道围岩变形破坏规律进行了试验模拟研究； 韩立忠[58]通过离心试验对某地铁越江隧道的地基沉降规律进行了试验分析。

4 存在问题及发展方向

4.1 存在的问题

1)系统规模。目前，大型、超大型试验系统模型制作周期长、费用高、所需人员多，且存在一定的闲置问题，利用率较低。

2)试验模型。采用常用的相似材料制作的试验模型内部不可见，难以实现模型内部变形的直接观测，透明岩土材料主要以模拟软岩、砂土和黏土为主，因此需进一步研究拓展岩土材料的模拟范围。

3)加载控制。刚性加载强度大，属于“位移加载”方式，即加载面位移保持均匀，应力不均匀，使得模型边界位移一致，与实际受力不符； 柔性加载属于“应力加载”方式，即加载过程保持加载面应力均匀，位移不均匀，柔性加载有利于提高试验精度，减小边界效应影响范围，但其行程小、加载强度低。

4)量测技术。以传统传感器为主的接触式位移量测方法在一定程度上会影响模型完整性，且会不同程度地干扰模型的力学行为。为了减少对模型的干扰，对于模型内部应力量测所需要的压力传感器需要在尺寸方面进一步微型化。

5)支护模拟。对于隧道支护，例如： 锚杆或锚索主要采用与其材料力学性质相近的铜丝、铝丝等模拟，混凝土或衬砌采用石膏、硅藻土和塑料等混合料模拟。支护模拟方法主要有先开挖后支护和先预埋支护体后开挖2种。先开挖后支护主要适用于锚杆(索)支护； 先预埋后开挖主要适用于管片衬砌类支护，但其会影响模型的完整性且在预压过程中可能会发生变形。

6)环境模拟。隧道工程所处地质环境复杂多变，如水环境、溶洞、地裂缝等。由于复杂地质条件的独特性，如海底隧道上覆无限水体、溶洞形状大小各异、隐伏溶洞的隐蔽性、地裂缝结构形式多种多样以及爆破振动影响的不确定性等，需要合理简化这些不利地质条件，准确模拟其主要影响特征。

4.2 发展方向

1)物理试验系统精致化。中小型试验系统由于设计制作周期短、费用低、使用方便、经济高效、利用率较高，且比较容易使试验框架结构更紧凑、模型更精致、控制更精确以及测量更精细等，有望成为使用率最高的物理模型试验系统。

2)物理试验模型透明化。随着透明岩土相似材料的进一步研究，如由均质地层到复合地层的模拟、由软岩向中硬岩的拓展，隧道物理模型透明化的方法有望不断发展，配合数字照相量测技术，将实现模型内部变形的全方位精细可视化。此外，运用3D打印技术制作模型，具有制作速度快、精度高、费用低、无需模具、形状不受限制等优点，其与透明岩土材料将成为制作透明隧道模型的2个主要技术。

3)加载控制方式灵活化。电机加载占地空间小、缆线少，利于环境整洁，且试验费用低、操作方便，配合尺寸适中的模型可对较大埋深位置的隧(巷)道进行模型试验研究。对于中小型试验系统，电机加载更加灵活且更易于精确控制，可以作为中小型试验系统加载控制的优选技术。

4)数字照相量测标配化。数字照相量测主要采用相机作为数据采集设备，利用计算机进行图像处理与分析，能够实现隧道模型全域变形的非接触精细通用量测。同时，结合专业算法研究，其也可以实现岩土材料局部化变形(如岩土裂隙、围岩松动圈和剪切带等)的专业分析[30]，将逐渐成为隧道模型试验的标配量测技术。

5)开挖支护方式合理化。目前对隧道支护开挖前预埋与开挖后安装的模拟都存在一些问题，难以准确有效地模拟支护结构的作用，需进一步研究更加合理的支护模拟方法。此外，由于盾构法和TBM法在隧道工程中的广泛应用，其开挖、支护、注浆等一体化的整体模拟装置也需进一步研究。

6)隧道多场耦合模拟法。隧道工程处于复杂地质环境中，会涉及应力场、温度场、渗流场或地震场等多场相互作用的问题。对于复杂隧道工程的试验研究，若忽略多场之间的耦合作用，试验结果与工程实际情况则会产生较大的差别。因此，多场耦合作用的模拟方法是隧道工程物理模拟试验研究的一个发展方向。

5 结论与建议

1)提出了一种基于模型体积大小的隧道工程物理试验系统分类方法，即将试验系统分为小型(V<0.125 m3)、中型(V=0.125～1.0 m3)、大型(V=1.0～8.0 m3)和超大型(V≥8.0 m3)4种类型。该分类可以较好地反映试验系统的规模、研发周期、费用、模型制作及使用率等主要问题。

2)中小型试验系统具有研发周期短、费用低、使用方便、利用率高、更易精致化、加载控制更精确与量测更精细等优点，因此，建议新系统建设中将其作为一个主要的比选方案。

3)随着透明岩土试验技术的发展，结合非接触数字照相变形量测方法与3D打印技术，可实现模型内部全域变形的直接精细量测与全面可视化，透明岩土试验有望成为隧道物理模拟试验系统发展的一个新方向。

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