不同位置空洞条件下隧道的破坏模式试验研究

王述红， 王鹏宇， 刘 宇， 朱宝强

(东北大学 资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110819)

隧道工程属于隐蔽工程，存在较多的潜在危险源.地质雷达检测发现，隧道衬砌周围多个区域均易出现空洞现象[1]，空洞的存在往往造成隧道衬砌受荷载不均匀，容易出现衬砌变形、裂损、渗漏以及掉块等问题，因此，研究存在空洞时隧道的破坏规律对隧道安全防护具有重要价值[2-3].

本文主要研究在Ⅳ级围岩地质条件下，隧道存在不同位置空洞时隧道衬砌结构受力、破坏过程以及破坏顺序的规律，本文的研究成果可为隧道结构的安全评估提供依据.

1 模型试验设计

1.1 模型尺寸的选择

辽宁省某隧道跨度10.8 m，高度7.6 m.水平方向隧道模型两边的宽度至少相当于洞宽的2.5倍；竖直方向模型的高度至少要相当于洞高的3倍[4].采用的几何相似比为1∶90，得出模型隧道尺寸:跨度120 mm，高度85 mm，其中直墙高度30 mm，模型整体的尺寸是600 mm×600 mm ×100 mm.

1.2 模型材料的选择和确定

为模拟Ⅳ级围岩地质条件，在试验的相似材料中骨料选择河沙，胶结材料选择石膏和水泥的混合物.石膏水泥混合物作为胶结材料保留了水泥砂浆流动性好等优点，并且克服了石膏强度低的弱点.对相似材料的破坏性质进行室内试验，发现相似材料的破坏过程和实际地质条件接近，都是以弹性阶段为起点，经过弹塑性过渡最终发生脆性破坏，符合实际需求.

1.3 配比试验

采用不同比例的原料混合制成70 mm的立方体试块，每组5个，对试块进行单轴抗压强度、密度、泊松比、弹性模量等指标的测量.加载梯度取为0.1 MPa，加载速度取为0.5 MPa/min，计算得出泊松比、弹性模量和极限抗压强度[5-6].

(1)

(2)

εV=|εl-2εd|,

(3)

(4)

式中:εl表示隧道模型的纵向应变；εd表示隧道模型的横向应变；σa,εa分别表示通过测量得到的应力-应变曲线中直线段开始的应力和应变；σb,εb分别表示应力-应变曲线中直线段终点的应力和应变；Pmax表示破坏荷载；F表示试件的初始截面积；εV表示体积应变.

表1 围岩的性质

注：配比号中第1位数字表示砂胶比，第2，3位数字表示水泥与石膏的比例，水灰比取为1∶7.

衬砌的相似材料采用石膏，依照模型设计的要求，衬砌的厚度是80 cm(包括初衬和二衬).C25的抗压强度是14～17.5 MPa，因为几何相似比是1/90，所以模型的衬砌厚度为1 cm，容重相似比为1，模拟原料的强度要求在0.156～0.194 MPa 之间.

表2 衬砌的性质

根据不同的配比，进行了多组的强度试验，最终发现围岩材料的配比选择855，衬砌材料的水膏比为1∶1时进行相似模型试验具有最佳的相似度.

2 试验过程

2.1 模型的制作

根据隧道调研资料将空洞的尺寸与隧道的尺寸比取为1∶20，空洞范围均为30°[7].根据不同的空洞位置做了5组模型，每组5个，模型尺寸为600 mm×600 mm×100 mm，体积0.036 m3，密度1.7 g/cm3，得出模型总质量为61.2 kg.水灰比1∶7，所以m水=61.21/8=7.65 kg.依据855配比要求得出:m砂=47.6 kg，m膏=2.975 kg，m泥=2.975 kg.

2.2 测试内容及测点布置

试验采用了电测法测量应变，电测法是采用应变片和应变仪对模型进行测量.应变片型号为SZ300-100AA，其电阻值为(299.3±0.3) Ω，灵敏系数为2.02±0.01，宽×长为4 mm×100 mm.应变仪采用CM-2B型静态数字应变仪[8]，测量点的位置如图1所示.

图1 测点布置

2.3 加载方式

本文根据现场测量得到地层侧压力系数λ=2.试验中利用千斤顶施加荷载，钢板垫块将集中荷载转化为均布荷载.在千斤顶的内部活塞前加上压力传感器，利用静态应变仪测量千斤顶的实际加载力，提高外力施加的精确度.采用立式台架模型约束模型的底部，水平力与竖向力的大小比为2∶1.试验前加载预压，从而消除隧道和衬砌之间的间隙，预压荷载一般为试验荷载的1/10～1/5.采用分级加载，每级荷载保持3～5 min，记录量测数据后，再施加下一级荷载[9].

3 试验结果

3.1 无空洞模型试验

模型破坏如图2所示.

图2 拱顶无空洞模型破坏

试验发现模型的破坏过程为:加载初期拱顶、底板先出现裂纹，随着荷载增加，右拱肩与边墙结合处出现裂纹，且原裂纹加粗；试件的左侧边墙产生裂纹，沿模型往上方延伸，模型左右两侧的裂缝最终贯穿，造成整体破坏.无空洞模型破坏特征和破坏顺序如图3所示.

图3 拱顶无空洞模型破坏模式

□表示隧道受到拉伸产生开裂；■表示隧道受压产生压溃；①，②，③，④表示隧道发生破坏的顺序.(下同)

3.2 拱顶空洞模型试验

拱顶空洞模型破坏如图4所示.

模型破坏过程：首先模型底部出现裂纹，接着空洞处的围岩发生破坏，随着荷载的增大，模型左侧拱肩以及边墙部位出现裂纹，裂纹持续增大并出现上下贯通的现象，最终导致模型破坏.拱顶空洞模型破坏特征和破坏顺序如图5所示.

图4 拱顶空洞模型破坏

图5 拱顶空洞模型破坏模式

荷载-应变曲线如图6所示，曲线的编号和图1保持一致.3-1，3-2，3-3表示底板的荷载-应变曲线.3-4，3-5，3-6表示拱脚的荷载-应变曲线.3-7，3-8，3-9表示拱顶的荷载-应变曲线.3-10，3-11，3-12表示拱肩的荷载-应变曲线.3-13，3-14，3-15表示边墙的荷载-应变曲线.

由图6a可知底板主要受到横向拉力，横向变形逐渐增大.由图6b可知拱脚受到横向拉力和竖向压力，荷载达到100 kN时横向变形急剧增大.由图6c可知拱顶受到横向拉力和竖向压力，破坏之前变形较小.由图6d可知拱肩受到横向拉力和竖向拉力，荷载小于100 kN时变形较小，荷载大于100 kN时变形急剧增大.由图6e可知边墙受到横向压力和竖向压力，变形很明显.综合而言，拱顶存在空洞时边墙的变形最显著，需要重点防护.

图6 荷载-应变曲线

3.3 拱肩空洞模型试验

拱肩存在空洞时模型破坏如图7所示.

图7 拱肩空洞模型破坏

模型破坏过程:首先模型底部和左侧空洞上方的围岩出现裂纹，随后拱顶部位的衬砌断裂.随着荷载的增大，右侧空洞外侧出现裂纹，模型底部裂纹进一步扩大并迅速向下延伸.最后底部裂缝和右侧裂缝贯通.拱肩存在空洞时模型破坏类型和破坏顺序如图8所示.

各测点的荷载-应变曲线如图9所示.

图9 荷载-应变曲线

由图9a可知底板主要受到水平拉力，荷载达到60 kN时变形迅速变大，可以判断此时底板发生了断裂.由图9b可知拱脚处变形较小.由图9c可知拱顶受到水平拉力和竖向压力，变形比底板和拱脚处大.由图9d可知拱肩主要受到横向压力，变形持续增大.由图9e可知边墙受到横向压力和竖向压力，边墙处发生的变形最大.当拱肩存在空洞时，边墙部位需要重点防护.

3.4 边墙空洞模型试验

隧道模型破坏如图10所示.

图10 边墙空洞模型破坏

模型破坏过程:首先模型拱顶位置出现裂纹，随后左侧空洞处的围岩产生裂纹并向左上方延伸，右侧空洞处的围岩产生裂纹并向右下方向延伸.随着荷载的增大，裂纹迅速延伸，最终右侧边墙处的裂缝上下贯通导致模型破坏.边墙存在空洞时模型破坏的类型和破坏顺序如图11所示.

图11 边墙空洞模型破坏模式

各测点的荷载-应变曲线如图12所示.

由图12a可知底板主要受到水平拉力，变形较小， 当荷载超过110 kN，变形急速增大，可以判

图12 荷载-应变曲线

断此时底板发生了断裂.由图12b可知拱脚处受到竖向压力，产生巨大的竖向变形.由图12c可知拱顶水平方向受拉，变形逐渐增大，荷载达到120 kN时拱顶变形急速增大.由图12d可知拱肩横向受拉，变形较小，竖向受压，变形很显著，拱肩容易发生受压破坏.由图12e可知边墙主要受到竖向压力，发生的变形最大，说明边墙存在空洞时边墙部位最容易发生破坏.

3.5 拱脚空洞模型试验

拱脚空洞模型破坏如图13所示.

图13 拱脚空洞模型破坏

模型破坏过程:首先拱顶出现裂纹，之后右侧和左侧空洞处的围岩均产生向上方延伸的裂纹.荷载继续增大，左侧空洞处的围岩产生向下的裂纹，最终模型因上下裂缝贯穿而破坏.拱脚存在空洞时模型破坏类型和破坏顺序如图14所示.

图14 拱脚空洞模型破坏模式

各测点的荷载-应变曲线如图15所示.

由图15a可知底板横向受压，竖向受拉，变形较小.由图15b可知拱脚横向受压，竖向受压，荷载达到110 kN时竖向变形迅速增大，此时拱脚发生破坏.由图15c可知拱顶横向受拉，竖向受压，荷载达到110 kN时横向变形和竖向变形迅速增大，拱顶发生破坏.由图15d可知拱肩处横向受压，应变较小；竖向受压，荷载达到70 kN时竖向变形迅速增大.由图15e可知边墙主要受到竖向拉力影响，荷载为80 kN时变形最大.

3.6 底板空洞模型试验

底板空洞模型破坏如图16所示.

模型破坏过程:首先拱顶出现裂纹，随后模型底部空洞处产生裂纹并向下延伸， 造成底部衬砌断裂，然后左侧拱肩处围岩产生裂纹并向上延伸，该部位的衬砌受压破坏.荷载持续增大，右侧拱肩处围岩产生裂纹并向下延伸，最后左右裂缝贯通模型破坏.拱底存在空洞时模型破坏类型和破坏顺序如图17所示.

图15 荷载-应变曲线

图16 底板空洞模型破坏

图17 底板空洞模型破坏模式

各测点的荷载-应变曲线如图18所示.

由图18a可知底板主要受到竖向拉力影响，变形逐渐增大.由图18b可知拱脚主要受到竖向压力，荷载为20 kN时变形便达到最大值，说明拱脚处最先破坏.由图18d可知拱肩处变形较小，荷载达到100 kN时变形迅速增大，说明此时拱肩发生破坏.由图18e可知边墙主要受到竖向压力，变形逐渐增大.拱底存在空洞时模型拱顶和底板位置变形最显著，而拱脚处最先发生破坏.

图18 荷载-应变曲线

综上所述，空洞在不同的位置，会因为衬砌没有背部支撑，围岩与衬砌之间的接触存在不均匀的情况，从而在围岩压力下产生应力集中，最后导致衬砌内部受压、外部受拉.

4 结 论

1) 空洞的存在会显著影响隧道的稳定性，使衬砌受力状况不佳，进而导致围岩越来越不稳定，最终衬砌开裂.空洞位置不同，模型的受力表现形式不同，发生破坏的部位不同.

2) 确定了模型试验的合理尺寸，选取了合理的试验材料，以河砂、石膏、水泥为材料来模拟石英岩.通过相似材料的配合比试验确定了本文试验的材料配比，为隧道相似模型试验提供依据.

3) 通过模型试验得出了存在不同位置空洞时隧道的破坏模式、破坏顺序等规律.无缺陷时，隧道破坏产生在拱顶、底板的开裂和拱肩的压溃.拱顶空洞隧道模型拱肩发生开裂、两侧的边墙受压而破坏、底板开裂；拱肩空洞隧道模型的空洞边界和拱脚受压破坏，底板开裂；边墙空洞模型的边墙衬砌出现压溃及拱顶开裂；拱脚空洞模型的拱脚衬砌受压破坏以及拱顶开裂；底部空洞模型的底板衬砌和拱肩衬砌受压破坏、拱顶开裂.