既有隧道上方挖方承载拱效应模型试验研究

龚 伦，马相峰，敖维林，梁振宁，章慧健，仇文革，王希元

(1.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；2.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)

随着铁路建设规模的不断扩大，既有隧道的上跨和下穿近接工程越来越多[1-7]。在隧道近接施工中，新建工程对既有隧道的影响可以通过承载拱的范围进行界定。目前关于隧道近接施工的影响范围主要基于承载拱效应得出[9-11]。仇文革[12]基于隧道开挖后应力重分布的范围提出了地下工程近接施工的分区、分区指标表达式、近接度与对策等级概念以及分区、分度准则。张自光等[13]通过青岛地铁M3号线区间隧道工程实践，验证了岩质地层地铁隧道近接建筑工程影响分区的划分符合工程实际情况。胡海英等[14]认为基坑开挖期间对于隧道不一定是卸载影响，有时也会增加隧道围压，这与基坑开挖深度以及隧道与基坑的位置关系有关，也与基坑支护结构施工方法有关。张玉成等[15]认为基坑开挖对开挖面以下土体具有显著的垂直方向卸荷作用，不可避免地引起坑底土体发生变位，带动土体中的隧道产生位移。赵旭峰等[16-17]提出新建盾构隧道的施工对于既有运营地铁隧道有一定的影响，但只要严格进行盾构施工参数的控制，并加强对新建和既有隧道的现场监测，可将新建盾构隧道对既有隧道的影响程度降到最小。可以发现这些研究主要是针对某一工程的应用，并未展开隧道上方挖方对隧道承载拱效应影响的研究。

本文通过室内模型试验，采用在既有隧道上方挖方的方式，考察挖方过程中既有隧道围岩压力、衬砌变形和结构内力的变化规律，以反映对承载拱的影响。研究结果可为评估隧道在近接施工时的安全性提供参考依据。

1 承载拱

在隧道开挖后，围岩的应力状态发生重分布，径向应力降低，切向应力升高。一般来说，若围岩性质差时，从开挖面到岩体内部形成松动区(塑性软化区)、塑性强化区和弹性区。与开挖前的应力相比，塑性强化区的应力会高于初始应力，则塑性强化区与弹性区中高于初始应力的区域合称为隧道承载拱[8]。在隧道修建完成后，随着时间的推移，围岩会发生微弱变形而产生程度极小的应力释放，且在一段时间后趋于稳定，处于深埋条件下的既有隧道承载拱真实存在并将趋于稳定。

随着既有隧道上方岩土体的不断挖方，挖方面会逐渐接近并侵入承载拱，进而破坏承载拱。承载拱受到扰动及破坏的过程，必然导致既有隧道围岩压力的改变，从而引起既有隧道结构产生位移和内力变化。故本文通过考察挖方后不同覆跨比(覆跨比=隧道埋深H/隧道跨度D)时既有隧道围岩压力、位移和内力的变化来对承载拱范围及其变化规律进行探讨。

2 试验方案

2.1 模型相似比

(1)

2.2 试验模型

2.2.1 模型箱

地铁隧道大多数是直径为5.6 m的圆形隧道，试验中以此隧道作为原型隧道设计模型。由几何相似比得出模型衬砌尺寸直径为160 mm。隧道开挖影响范围约为隧道洞径的3～5倍，故试验模型箱的长×宽×高为1 600 mm×500 mm×1 600 mm，如图1所示。

图1 模型箱(单位：cm)

模型箱正面设置800 mm×800 mm的镂空区域，用2 mm厚的钢化玻璃替换该处钢板，用于进行隧道开挖、衬砌安装等试验操作和观察隧道周围土体的变化。为了满足平面应变条件，前、后板外侧采用肋板加固以提高其刚性，并在边界上设置双层塑料膜以改善边界条件。

2.2.2 围岩

隧道围岩取Ⅴ级和Ⅵ级2种围岩，提取郑西高铁阌乡隧道上方施工现场中的原状沙质黄土，将其与石英砂配制，得到这2种基本的围岩材料，通过剪切试验和三轴试验测试得到其参数见表1。

表1 围岩的物理力学参数

2.2.3 隧道衬砌模型

一般情况下，铁路隧道衬砌厚度为250～450 mm，根据几何相似比，模型中衬砌厚度应为7.1～12.9 mm。若采用原型的混凝土材料，会因为结构过薄而难以满足要求。故试验中以材料抗弯刚度为控制指标对相似条件放宽，即模型衬砌的抗弯能力应与原型隧道满足相似关系。

同时，为了在模型试验中更好地考察隧道健全度对承载拱效应的影响，采用刚度相差较大的2种材料作为衬砌材料。基于相似比换算结果和实际情况，决定选用Φ160 mm×2 mm钢圆管作刚性支护，模拟隧道健全度较好的情况；选用Φ160 mm×2.8 mm硬聚氯乙烯(PVC)圆管作柔性支护，模拟隧道健全度较差的情况，如图2所示。试验中2种衬砌材料的物理力学参数见表2。

表2 隧道衬砌力学参数

图2 隧道模型图

2.2.4 试验工况及步骤

试验工况取4种，见表3。将模型箱用土体装填完毕，进行隧道毛洞开挖，立即放置隧道模型，然后静置24 h，以保证应力重分布。根据试验模型箱(最大埋深610 mm)及隧道模型的尺寸(直径160 mm)选取初始覆跨比为3.8。试验时每次挖方深度为50 mm，等待30 min后采集并记录试验数据，然后再进行下一层的挖方和记录，重复此过程直至挖方到隧道顶部。

表3 模型试验工况

2.3 考察参数及测点布置

2.3.1 结构位移

在隧道模型正中横断面拱顶和右边墙位置处各布置1个数字千分表，测试试验过程中隧道结构的位移随隧道上方挖方的变化。为了确保测试精度及准确性，试验中要尽量避免对数字千分表的扰动。

2.3.2 结构应变

在隧道结构上粘贴应变片采集试验过程中结构的应变。测试断面共选取3个，其中1个断面位于模型正中位置，另外2个断面分别距模型正中各200 mm处；在每个断面上选取拱顶、拱腰、拱底等处的8个测点，在每个测点处的隧道结构内、外两侧各粘贴1组应变片；横断面位置及其断面内测点布置位置如图3所示。

图3 结构应变测点布置位置

2.3.3 围岩压力

在衬砌周围布置微型土压力盒采集试验过程中围岩压力。测试断面位于正中位置，在断面上测点与结构应变外侧测点布置相同，在每个测点处布置1个压力盒(应避免与同位置应变片重叠)，横断面及其断面内测点布置位置如图4所示。

图4 围岩压力测点布置位置

3 试验结果

3.1 结构位移

3.1.1 位移

随着隧道上方土体的挖方，不同工况下结构位移随覆跨比的变化曲线如图5所示，图中位移向洞内方向为负、向洞外方向为正。

图5 拱顶和边墙处结构位移随覆跨比变化曲线

由图5中曲线的总体变化规律可知：拱顶产生向上的位移，这是因为隧道上方挖方顶部卸载，同时隧道作为一个整体，结构发生协调变形，使边墙向隧道内位移；拱顶位移大于边墙位移，这是因为在自重场下竖向荷载减小的程度大于水平荷载，由此可知拱顶受影响大于其他部位；隧道上方土体刚开挖时隧道结构未立即发生变形，在覆跨比从3.8减小到2.5时才开始发生变形，当覆跨比小于1.4后进入加速变形阶段。根据位移变化快慢可将整个试验过程的结构位移变形曲线分为3个阶段，对应地可将上方土体挖方对既有隧道的影响也分为3个阶段，即无影响阶段(覆跨比大于2.5)、弱影响阶段(覆跨比处于2.5～1.4)、强影响阶段(覆跨比小于1.4)。

3.1.2 位移增量

为了更清楚地了解结构位移变化快慢，选取受影响较大的拱顶处，计算相邻2层挖方的位移之差作为位移增量，得到2种隧道模型在不同围岩级别下拱顶位移增量随覆跨比的变化曲线，如图6所示。

由图6可知：对于钢管模型，Ⅴ和Ⅵ级围岩的结构位移增量开始变化点在覆跨比为3.4和3.2时，加速变化点在覆跨比为1.5和1.9时；对于PVC管模型，Ⅴ和Ⅵ级围岩的结构位移增量开始变化点在覆跨比为3.2和2.8时，加速变化点在覆跨比为1.9和2.2时。

图6 钢管和PVC管拱顶位移增量随覆跨比变化曲线

隧道结构和围岩共同承载荷载，且在形变压力作用下按刚度分配，当承载拱随挖方遭到破坏会引起围岩自承能力下降，使隧道结构承受更大的压力，因此结构产生更大的位移，故而导致结构位移加速变化；在相同的衬砌刚度时，围岩级别越好，结构位移加速变化越晚，即承载拱效应随围岩级别的差异而不同，围岩级别越好，形成的承载拱范围越小；在围岩级别相同时，衬砌刚度小的结构(PVC管模型)比衬砌刚度大的结构(钢管模型)位移加速变化更早，即承载拱效应随衬砌刚度而差异，刚度越大，形成的承载拱范围越小。

3.2 结构内力

为了减小边界效应的影响，选取隧道模型中间截面的结构内力进行分析。

3.2.1 弯矩

选取拱顶处弯矩，计算相邻2层挖方的弯矩之差作为弯矩增量，得到2种隧道模型在不同围岩级别下拱顶弯矩增量随覆跨比的变化曲线，如图7所示。

由图7可知：对于钢管模型，Ⅴ和Ⅵ级围岩的弯矩增量开始变化点在覆跨比为3.4和3.2时，加速变化点在覆跨比为1.3和1.6时；对于PVC管模型，Ⅴ和Ⅵ级围岩的弯矩增量开始变化点在覆跨比为3.2和2.8时，加速变化点在覆跨比为1.6和1.9时。得到与结构位移分析大致相同的结果，只是弯矩增量加速变化的覆跨比稍小于位移增量的覆跨比。

图7 钢管和PVC管拱顶处弯矩增量随覆跨比变化曲线

为了解试验中挖方对结构各部位的影响，选取隧道拱顶、边墙和仰拱3个特征部位，统计各工况下弯矩的初始值和最终值，并计算其变化量(变化量=初始弯矩-最终弯矩)，得到表4。

表4 各部位弯矩统计表

由表4可知：所有试验工况中，拱顶处弯矩变化量最大，说明拱顶受上方挖方影响最大，与结构位移分析结果相同，因此，实际挖方工程中拱顶应是重点关注部位。

3.2.2 轴力

通过分析结构轴力的变化，也可得到隧道上方挖方时既有隧道结构内力随承载拱效应的变化。各工况下拱顶和边墙轴力增量随覆跨比变化的曲线如图8所示。

图8 拱顶和边墙轴力增量随覆跨比变化曲线

由图8轴力增量的总体变化可以看出：随着隧道上方土体挖方，在埋深较大时轴力增量变化较小，随着埋深的减小轴力增量变大；根据拱顶和边墙部位轴力增量在覆跨比2.7～2.9和1.4～1.5两处有明显变大，可得到与结构位移相似的结果，即总体上可将整个挖方过程划分为无影响(覆跨比大于2.7～2.9)、弱影响(覆跨比介于1.4～2.9)和强影响(覆跨比小于1.4)的3个阶段。

3.3 围岩压力

围岩压力是隧道结构所承受围岩传递过来的荷载，由上述分析知，拱顶是该类近接工程受影响最大的部位，该处围岩压力最能表征隧道上方挖方对承载拱效应的影响。针对2种隧道模型做出2种围岩级别下拱顶围岩压力增量与覆跨比的关系曲线，如图9所示。

由图9可以看出：对于钢管模型，Ⅴ和Ⅵ级围岩的围岩压力增量开始变化点在覆跨比为2.8和3.2时，加速变化点在覆跨比为1.6和2.2时；对于PVC管模型，Ⅴ和Ⅵ级围岩的围岩压力增量开始变化点在覆跨比均为3.2时，加速变化点在覆跨比为1.9和2.5时。由此可知：衬砌刚度相同时，围岩级别越好，围岩压力增量加速变化时的覆跨比越小，说明其承载拱越小；围岩级别相同时，衬砌刚度越大，其承载拱越小。得到与结构位移和结构内力大致相同的结果。

图9 钢管和PVC管拱顶围岩压力增量随覆跨比变化曲线

3.4 承载拱效应及影响阶段划分

3.4.1 承载拱效应

根据对试验中获取的结构位移、结构内力和围岩压力等参数的分析，将各参数确定的承载拱范围列表，见表5。

表5 承载拱范围

由表5可知：衬砌刚度较大时，Ⅴ级和Ⅵ级围岩的承载拱外边界分别位于覆跨比1.3～1.6和1.6～2.2；衬砌刚度较小时，Ⅴ级和Ⅵ级围岩的承载拱外边界分别位于覆跨比1.6～1.9和1.9～2.5；衬砌刚度相同时，围岩级别越差承载拱范围越大；围岩级别相同时，衬砌刚度越大承载拱范围越小。因此，实际工程中在既有隧道上方挖方时，需要考虑结构劣化及围岩差异引起的承载拱范围的变化。

3.4.2 影响阶段划分

根据结构位移和结构轴力，分析得出深埋条件下既有隧道上方土体挖方过程中，既有隧道结构会经历无影响阶段、弱影响阶段和强影响3个阶段，各阶段的分界覆跨比见表6。

表6 影响阶段分界

由表6可知：在初始埋深为深埋的隧道上方挖方时，基于承载拱是否受影响将挖方对既有隧道的影响分为3个阶段，分别为无影响(覆跨比大于2.9)、弱影响(覆跨比处于1.4～2.9)和强影响(小覆跨比于1.4)阶段，实际工程中可参考所处的影响阶段采取有针对性的措施。

4 结 论

(1)在既有深埋隧道上方不断挖方时，会逐渐对承载拱产生影响，使既有隧道经历无影响(覆跨比大于2.9)、弱影响(覆跨比处于1.4～2.9)和强影响(覆跨比小于1.4)3个阶段。

(2)衬砌刚度较大时Ⅴ级和Ⅵ级围岩的承载拱外边界分别位于覆跨比1.3～1.6和1.6～2.2，衬砌刚度较小时Ⅴ级和Ⅵ级围岩的承载拱外边界分别位于覆跨比1.6～1.9和1.9～2.5。

(3)既有隧道衬砌刚度越大，承载拱范围越小；围岩级别越差，承载拱范围越大。

(4)既有隧道上方挖方过程中，拱顶相对其他部位受影响最大，是此类工程中需要重点关注的部位。