双连拱隧道结构内力分析与围岩稳定性试验研究

刘小玲

摘要：双连拱隧道模型的相似性试验是进行隧道结构力学研究的主要方法。文章基于相似性试验原理，以广西马江隧道的实际工程为例，对双连拱隧道的结构内力和围岩稳定性进行了模型试验研究，并通过三导坑法及双导坑法对隧道洞室周边的径向位移进行了测试分析。试验结果表明：洞室周边径向位移的峰值出现在拱顶处，其次是腰部位置。

关键词：隧道;双连拱;结构;稳定性;围岩

0 引言

随着我国山区高速公路的不断建设，隧道工程的数量在逐渐增多。山区环境下地形较为复杂，长度较短（<500m）的山区隧道通常使用连拱结构，这种新型的隧道结构设计复杂，施工难度较大，施工过程容易引发各类问题，例如中墙顶部结合处的漏水情况对于隧道的结构安全具有不利影响。为此，对连拱隧道结构内力进行分析显得十分必要，这对于研究隧道围岩的稳定性也具有重要意义[1]。

1 隧道工程概况

广西桂梧（桂林—梧州）高速公路马江A匝道隧道为一座上、下行共建的4车道连拱隧道，位于广西苍梧县沙头镇境内。隧道全长210m，限净宽22.0m×5.0m;使用单圆心模式作为内轮廓，中墙设置为直墙，边墙设置为曲墙;进、出口的设计高程分别为37.365m和40.251m，最大埋深为45m，隧道平面线型为曲线，半径为305m偏左;路面横坡进口为双向坡3%，出口为单向坡4%，纵坡为“人”字型，进口纵坡i1=+3.0%，出口纵坡i2=1.5%;变坡点桩号为K0+185，竖曲线半径为3050m。隧道的覆盖层多见红褐色黏土，包括基岩碎块，隧道的轴线两侧和鞍部南缘基岩外露，残破积层厚度为2.0～5.0m，平均厚度为2.85m。强风化层为灰、黄褐和紫红色砂岩，弱风化层为浅灰、黄褐色砂岩，节理发育[2]。马江双连拱隧道支护参数如下页表1所示。

2 试验原理与方法

2.1 试验的相似性

2.1.1 力学参数的相似性

该模型试验的几何比例为1∶25，依据相似性原理得出各力学参数原值与模值的相似比如下：几何相似比CL=25，容重相似比为Cγ=1，泊松比、应变和摩擦角的相似比为Cv=Cε=Cφ=1，强度、应力、粘聚力以及弹性模量的相似比CR=Cσ=CC=CE=25。

2.1.2 地应力场模拟

由地质勘测数据可知，隧道区域附近地应力残存较小，且在地质长期构造过程中应力已释放，因此，在模型试验过程中，地应力场根据自重应力场模拟。

2.2 试验设备及试验内容

2.2.1 试验设备

使用立式加载试验台进行隧道模型试验，在位于模型上部的两端布置千斤顶以模拟竖向荷载，隧道模型在中墙顶部填充与围岩成分同等的材料，在隧道模型左右两侧布置传感系统和测量系统，用来对隧道模型结构内力试验中的数据进行采集和测量，提高试验的精准度[3]。隧道模型结构内力试验设备如图1所示。

2.2.2 试验内容

试验内容包括：洞室周围径向位移情况，围岩与支护结构之间的接触压力，破坏过程和破坏程度的监测、记录。

2.2.3 模型试验组合

本次隧道模型结构内力试验主要进行了Ⅱ、Ⅲ类围岩在各种施工情况下的超载破坏试验，包括三种不同类型的施工方法，即三导坑法、中导坑法以及双导坑法，共进行了12组模型系列组合试验，随机抽取其中的3组试验数据，对试验结果进行分析，如表2所示。

3 模型材料准备和隧道开挖、衬砌模拟

3.1 模型材料的准备

3.1.1 围岩

马江双连拱隧道的围岩力学参数如表3所示。

依据各类围岩的原始参数以及所应满足的相似性关系，经过正交试验多次比选，最终选取一定比例的重晶石粉、石英砂以及凡士林热融混料来作为各种围岩类别情况下的同等材料，如表4所示。

3.1.2 喷射混凝土

使用特质材料按一定比例配置后，可进行C20喷射混凝土的模拟过程，配置后应立即灌注，当完成初凝后可拆除外模，使混凝土表面均匀散热，20h后进行试验。喷层同等材料的力学特性模拟分析如表5所示。

3.2 加载试验

3.2.1 竖向应力和水平应力模拟

通过两个千斤顶施加并模拟竖向应力σ2，由不同类型围岩的侧向压力系数求得水平应力σ1，具体量值为：σ1=λσ2=vσ2/（1-v），其中，λ代表侧向压力系数，v代表泊松比。

3.2.2 破坏试验

应尽可能在模型上施加与原型相似的荷载，每次试验在加到荷载峰值之后，可按原型应力的25%～50%进行加载，当模型被破壞后进行卸载。应注意的问题是，在试验过程中，每次施加载荷之后，应及时检查洞室附近围岩以及结构体的支护情况，将裂纹的产生及发展过程详细记录[4]。

3.3 隧道开挖模拟与衬砌模拟

3.3.1 隧道开挖模拟

在模型试验过程中的隧道开挖部分，主要通过开洞来实现。模型常见的开洞方式有两种，分别是“开洞后加载”和“加载后开洞”。第一种方式是模型制作时洞室已做好，第二种方式是指对模型整体施加荷载时进行的开洞。依据不同的试验目的使用具体的开洞方式。例如在进行弹性模量分析时，应使用“开洞后加载”的方式;而在研究开挖过程中对洞室的围岩应力场以及位移场的实际影响时，应使用“加载后开洞”的方式。本试验中拟使用后者来进行隧道的开挖模拟。

3.3.2 衬砌模拟

在模型的试验过程中，模拟了复合式衬砌中的初次衬砌。初次衬砌通过浇筑的方法来实现[5]。

4 试验过程与结果分析

4.1 洞室周边的径向位移

在进行洞室周边径向位移的试验中，计划测量8个点，每个测点使用30mm量程的位移测量计进行直接度数，精度在±0.01mm以内。与此同时，分别在拱顶处、水平及仰拱处设置电测传感器，用来监测位移的变化，并通过高精度转换接口实现数据的精准采集和传送。隧道洞室附近的径向位移分析属于隧道开挖支护中的主要工作，与单拱隧道不同的是，双连拱隧道在径向位移和收敛速率阈值方面尚未有较为明确的标准规定，仅可在实际工程的实践中进行研究和探索。本文对于双连拱洞室附近径向位移的相关讨论可为国内该领域的研究提供一定的参考。当载荷σ=1.0MPa时，洞室周围的径向位移如图2所示。由表3中数据可知，试验5表示三导坑法施工，试验8表示双导坑法施工，而试验11代表中导坑法施工，根据上述3种施工方法来研究围岩的稳定性。Ⅱ、Ⅲ类围岩中，围岩所受的扰动因施工方法的不同而相应变化，扰动范围越大，洞室周边的径向位移也越大。当埋深<45m时，若使用三导坑法或双导坑法进行施工时，洞室周边的径向位移的峰值出现在拱顶，具体数值分别是9.68mm和1.155mm，而拱腰的位移为4.257mm和0.366mm，但边墙位移变化程度不明显。故此，在浅埋隧道中，洞室周边的径向位移多见于拱顶，其次是拱腰位置，实际施工过程中应加强这两个位置的支护。当位移超过10mm时，隧道模型受到破坏，可将此数值作为径向位移收敛阈值。使用中导坑法施工时，洞室周边径向位移的变化程度较小，拱顶处位移为0.125mm，拱腰处位移为-0.589mm，边墙位移为-1.524mm，即此种施工方法对围岩的扰动程度较小，发生的径向位移值较小，此种方法经过本次试验而提出，但需要在实际的施工过程中进一步验证。

4.2 围岩与支护结构之间的接触压力

使用0.5级的SGT-8型压力传感器对围岩与支护结构间的接触压力进行测量，在喷射混凝土和模筑前，将压力传感器置于围岩和喷层之间，以完成围岩与支护结构之间径向的接触压力测试，且压力传感器与测量系統相连接，经过多次预压后进行标定，分析试验5的压力测试结果可知，其压力范围是0.006～0.025MPa，压力最大值出现在中墙底部。

4.3 破坏过程和破坏程度的监测、记录

试验中荷载加到峰值后卸载，随后对隧道模型结构的破坏情况进行监测并记录，条件允许时亦可记录相关的试验图像或视频数据，便于洞室周边围岩以及支护结构的观察，记录裂纹的产生和变化全过程[6]。

5 结语

本文通过对双连拱隧道模型的深入研究，详细分析了双连拱隧道结构内力以及围岩稳定性的变化，主要得出以下结论：

（1）本试验较好地模拟了双连拱隧道实际施工过程中的径向位移变化情况，通过三导坑法及双导坑法对洞室周边的径向位移进行了测试和分析，得出结论：在埋深<45m情况时，径向位移的峰值出现在拱顶，而腰部的位移次之，因此在实际施工过程中应加强拱顶及腰部位置的支护。

（2）本文提出了中导坑法的新型施工方法，并针对此施工方法进行了模拟试验。试验结果表明，其径向位移的变化程度较小，此种方法的具体优势需要在双连拱隧道的实际施工过程中进一步验证。

参考文献：

[1]姚振凯，黄运平，彭立敏.公路连拱隧道工程技术[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2]申玉生，赵玉光.偏压连拱隧道围岩变形的现场监测与分析研究[J].公路，2005（4）：194-198.

[3]金丰年，王 波，蒋美蓉.双连拱隧道穿越破碎山体围岩稳定性数值分析[J].岩土力学，2008，28（增刊1）：227-231.

[4]宾城华.明挖隧道穿越河道钢板桩围堰倒边施工技术研究——以佛山乐从镇英雄河为例[J].黑龙江科学，2020，11（2）：48-49.

[5]何 川，林 刚，汪会帮.公路双连拱隧道[M].北京：人民交通出版社，2006.

[6]JTGD70-2004，公路隧道设计规范[S].