侧压系数对高应力破碎区隧道结构受力影响的试验研究

黄 锋，朱 涛，刘星辰，向晋扬，王 毅

(1.重庆交通大学 省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室，重庆 400074；2.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

我国幅员辽阔且地形多样化,山岭重丘地貌主要分布在我国西南地区,隧道方案在区域交通体系建设中被广泛采用,规划建设的某山区铁路沿线隧道占比更是高达83%[1]。隧道作为修建于地表以下的条状构筑物,难免穿越陡倾节理、软弱夹层、断层破碎带等地质构造,此类地层大都存在岩性多变、构造复杂、稳定性差等工程特点[2-3]。此外,受地层埋深与构造活动的影响,部分隧道处于高地应力环境中,侧向压力系数的增大不但对隧道围岩变形与衬砌结构受力有显著影响,还存在诱发构造带活化与地层偏压的风险[4-6]。高地应力环境下断层破碎带控制地层中隧道与破碎带的空间位置关系决定了围岩应力场、位移场与衬砌结构受力状态的复杂程度,但多数研究[7-11]将隧道穿越陡倾断裂带导致的断层滑移与结构剪切作为重点,而忽略了隧道走向与破碎带平行的情况,实际上此类位置关系在工程中较为常见且易导致地层偏压、围岩失稳、衬砌大偏心受力等风险隐患,值得深入研究。

针对隧道走向与构造分布的平行位置关系,大量学者通过数值计算、模型试验等手段对高地应力环境、构造带控制下隧道围岩应力、位移场及衬砌结构受力状态开展了深入研究。赵伯明等[12]通过对现有的跨断层隧道抗位错计算方法进行机理研究,从断层尺度出发,考虑土体层状构造的影响,实现了断层错动的精细化输入。Fang等[13]通过对比开挖过程中拱顶沉降,得到倾角对侧压力影响较大,隧道距离崩落带越近,平均垂向压力和最大弯矩越大的结论。刘书斌等[14]建立小净距隧道下穿采空区地层开挖模型,得出采空区倾角对初期支护正弯矩分布和轴力影响较大,造成偏压严重应力集中逐渐由右拱脚向左拱脚移动。韩瑀萱等[15]通过对隧道穿越断层破碎带围岩稳定性的研究,得出隧道与断层正交以及避免隧道穿越层厚度大的断层来提高围岩稳定性。可见,既有研究多将高地应力环境与断层破碎带单独考虑,分别揭示了两种地质条件下隧道围岩响应规律与衬砌损伤机理,但并不完全适用于高地应力环境与断层破碎带共存情况下隧道围岩及结构的力学行为解析。考虑数值计算在处理结构面接触与本构关系的局限性,有必要建立室内缩尺模型试验对相关问题进行研究。

本文基于实际工程,采用室内缩尺模型试验的方法,通过控制侧向压力系数改变高地应力环境,对不同侧压力系数高地应力环境下断层破碎带控制地层中隧道围岩应力、位移场分布特征与衬砌结构受力状态进行研究,以期为相同或类似隧道工程的设计与施工提供参考与借鉴。

1 物理模型模拟实验

1.1 工程背景

一般来说,构造应力使岩体处于多向挤压状态,岩体之间相互张拉剪切,当岩体本身的抗剪强度小于所受的剪应力时,岩体发生破裂,当节理面两侧岩体的滑动摩阻力小于岩体所受剪应力时,岩体错动形成断层破碎带。G4216线宁南至攀枝花段火山隧道为海拔1 791.47～2 301.57 m,左线全长7 150 m,右线全长7 192 m,设计车速为80 km/h的马蹄形三车道隧道。隧道沿线附近存在多条断层破碎带,但各断层破碎带自第四系以来未见活动迹象,地质构造稳定,为非活动断层。根据前期地勘资料,隧道埋深为369.4～466.9 m,其轴线与断层构造方向平行,里程为K1+1235—K1+2637,断层破碎带倾角约为20°,厚度为6.6 m,与隧道的垂直间距为5.1 m。围岩岩样的单轴抗压强度为30.3～58.6 MPa,由地应力测试得到地应力为5.5～9.4 MPa,围岩单轴抗压强度与最大初始地应力之比为4～7。根据JTG 3 370.1—2018《公路隧道设计规范》[16],该隧道为高地应力区,所属围岩等级为Ⅳ级围岩,选定初始地应力之比为6。根据室内岩石力学试验结果,围岩和断层破碎带内岩石的物理力学特性见表1。

表1 围岩与断层破碎带内岩石物理力学性能

1.2 模型实验设计

基于工程背景并结合试验条件,模型试验几何相似比取为1∶30,根据相似理论:以容重相似比Cγ=1,几何相似比CL=1为基础相似比,根据相似准则得到泊松比相似比Cμ、应变相似比Cε、摩擦角相似比Cφ满足Cμ=Cε=Cφ=1;应力相似比Cσ、黏聚力相似比Cc、弹性模量相似比CE满足Cσ=Cc=CE=30。模型材料物理力学参数见表2。

表2 模型材料物理力学参数

断层破碎带岩体较破碎,孔隙率高,具有较高的离散性,原火山隧道破碎岩石粒径按大小分为:粒径≥0.4 m;0.4 m>粒径≥0.1 m;粒径<0.1 m。不同粒径组成质量比约为1∶1.1∶1.3,孔隙率约为0.30。根据其物理力学特性及文献[13-15],选用石英砂、石膏、重晶石粉、水作为原材料,通过不断的配比试验最终确定配比为:重晶石粉∶石英砂∶石膏∶水=1∶1.5∶2.5∶0.8。将断层破碎带相似材料按预设体积进行制备,用镐头将其砸成形状大小不规则的块体留以备用,将破碎岩石粒径按大小分为:粒径≥0.4 m;0.4 m>粒径≥0.1 m;粒径<0.1 m。不同粒径组成质量比约为1∶1∶1.3。采用搅拌机对不同粒径的破碎岩石进行拌和后,将搅拌均匀的破碎岩石铺设在围岩材料上,所得破碎带相似材料的孔隙率约为0.24。

通过参考Ⅳ级围岩的物理力学参数并满足围岩相似材料的基本力学性能,参考直剪试验以及GDS三轴压缩试验,得到Ⅳ级围岩相似材料的最终配合比为:重晶石粉∶石英砂∶石膏∶水=1.3∶0.3∶0.25∶0.02。

由于研究高地应力时的地应力较高,按照相似比制作的混凝土材料因高荷载条件下未到达额定加载强度即发生破坏,考虑非相似比材料制作的衬砌模型相似比误差较大[18],因此本试验的目的为测量衬砌结构内力,并研究衬砌内力的变化规律,因此需选用一种能够承受高压的材料。因有机玻璃具有较高比例极限,弹性模量为3.3 GPa,从材料力学特性和制造性考虑,最终选取3 cm厚的有机玻璃(亚克力)来制作高地应条件下的衬砌模型,见图1。

图1 衬砌尺寸(单位:mm)

1.3 模型试验装置及测点布置

基于重庆交通大学地下结构三维模型试验系统建立试验模型。模型试验箱见图2。加载系统由传力梁、伺服作动器、传力钢板等组成,其中伺服作动器的额定压力为28 MPa,工作行程为220 mm,输出推力为6 250 kN。模型尺寸为2.5 m×1.25 m×2.5 m。

图2 试验箱模型(单位:mm)

模型试验量测元件布置见图3。图3中,D为隧道宽度;H为隧道高度。沿衬砌模型环向布置6个测点,每个测点的内侧与外侧贴电阻应变片测量表面应变,换算求出弯矩与轴力;同时环向布置6个土压力盒测量围岩压力;内侧布置4个千分表测量衬砌模型位移。衬砌结构环向内表面与外表面分别设置6个测点。衬砌模型的上侧及左右侧分别布置4个测点,每个测点布置水平与垂直土压力盒测量围岩应力。破碎带上下边界分别布置7个位移计测量围岩位移变化。

图3 模型试验量测元件布置

1.4 模型材料填筑

当围岩材料填筑到700 mm高时,预制好的衬砌模型放入模型箱内,随后继续填入围岩材料至高程734 mm处,并使围岩与衬砌模型紧密接触。以水平20°倾角从左至右填入围岩材料,当最右侧的围岩材料填至高程1 644 mm时暂停填筑,并用量角器检测斜面是否大致与水平呈20°倾角。填筑断层破碎带材料,最左侧填筑高程达968 mm,最右侧高程达1 878 mm时暂停填筑,再次用量角器检测斜面是否大致与水平呈20°倾角。最后从下往上填筑围岩材料,填埋由下往上分层摊铺,层厚控制为100 mm,每填筑一层,使用震动夯实机夯实一层,最终左右均铺至设计高程2 200 mm。铺设过程中在衬砌周围埋置土压力盒,布置位移计,继续填筑围岩相似材料至模型箱顶面并覆上加载板。

1.5 试验工况

模型试验均在同一个隧道模型箱内进行,传力梁前端与模型箱交界面布置厚度为5 mm的传力钢板,以将传力梁传导而来的压力近似转化为均布荷载施加在模型箱上,通过计算机系统控制油压驱使伺服作动器工作,竖向传力梁稳定提供320 kPa恒定竖向荷载,侧向传力梁由初始160 kPa开始加载,加载系统以80 kPa为一级,每级加载后稳定时长5 min,记录数据再进行下一级加载。

现场地应力测试中得到地应力为9.4～24.7 MPa,侧压力系数为0.61～1.52,因此,本试验将侧压力系数k设定为0.50～1.50。结合工程背景地应力分布情况,拟改变竖向荷载与侧向荷载的比值以模拟侧压力系数的改变条件,以探究隧道受侧压力系数k影响规律及最不利情况,工况加载方案见表3。

表3 加载方案

2 试验结果分析

2.1 围岩应力分布分析

2.1.1 径向围岩应力分析

围岩应力分布见图4。左侧围岩应力随着与距洞壁距离的增大而逐渐减小,距离大于1.0D,左侧围岩应力降低约13.7%,下降逐渐趋于平稳。右侧围岩应力分布规律与左侧相反,右侧围岩应力增大约23.6%,符合塑性区应力重分布规律。径向应力随距洞壁距离增大而逐渐增大,但在0.5H～1.0H时逐渐降低,在1.0H～1.5H时,径向应力具有逐渐恢复到原岩应力的趋势。

图4 径向各部位围岩应力

在侧压力系数由0.50增大至1.50的过程中,荷载增大使得径向围岩应力逐渐增大,左侧围岩因靠近断层破碎带,受断层破碎带影响掌子面范围内的围岩应力出现应力集中,径向围岩应力约为右侧的1.2倍。右侧围岩受到断层破碎带的影响较弱,随距洞壁距离的增大逐渐趋近于原岩应力。上侧围岩应力因穿过断层破碎带,地层结构较为软弱,径向围岩应力在此范围内小于围岩弹塑性区域,围岩应力出现明显降低,跨过断层破碎带后上侧围岩应力与左、右侧围岩应力均趋近于原岩应力。

2.1.2 切向围岩应力分析

侧压力系数下各测点的切向围岩应力分布见图5。隧道左右两侧围岩应力随距洞壁距离的增大而逐渐减小,当距离大于0.5D后,围岩应力总体趋于稳定。围岩应力随距离的增大呈减小的趋势,断层破碎带由于稳定性差发生应力集中现象,导致断层破碎带中存在应力较高的点,其中,当侧压力系数为1.50时,距离隧道截面0.5H位置地应力高达559 kPa。在高地应力条件下,左右切向的围岩应力在0.1D～0.3D时内急剧下降,0.3D范围外整体变化趋势较为平缓。

图5 切向围岩应力

高地应力条件下,与径向围岩应力相比,切向围岩应力受侧压力系数影响较小,在侧压力系数由0.50增大至1.50的过程中,不同侧压力系数下的切向围岩应力较为接近,同时左、右侧切向围岩压力变化规律较为一致,呈对称分布。切向围岩应力受断层破碎带的影响较大,在距离隧道截面0.1D～0.3D范围内,应力集中现象较为明显。

2.2 围岩变形规律分析

断层破碎带上边界位移轮廓见图6。

图6 断层破碎带上、下边界垂直位移轮廓(单位:mm)

由图6可知,断层破碎带上边界垂直位移呈现U形分布,即最大位移发生在中心截面④处,最大位移为1.788 mm,位移随着距中心截面距离的增大向两侧逐渐减小,最小位移截面出现在距离隧道中心线1.5D的截面①处。对比同一位置不同侧压力系数时的位移量,侧压力系数越大,边界位移发生回弹的主要原因水平荷载逐渐增大,两侧围岩受到挤压,边界位移逐渐减小,土体内部结构更加挤密,变形逐渐收缩回弹。断层破碎带下边界垂直位移呈现U形分布,即最大位移发生在中心截面④处,为2.265 mm,约为上边界位移的1.3倍,随着距中心截面距离的增大,位移向两侧逐渐减小。

对比断层破碎带上下截面位移分布,除中心截面④外,下边界位移总体小于上边界位移,推测在加载的过程当中,少部分土体断层破碎带之间的裂隙与断层破碎带形成整体,在高竖向荷载的作用下形成突起;因破碎带下边界处存在衬砌结构,产生应力集中,下边界位移大于上边界位移。加载过程中,下边界位移2.265 mm回弹至0.823 mm,约为下边界最大位移的0.36倍。相比上边界位移,侧压力系数对中心截面的影响大于对其他截面位移的影响,但对上下边界的位移影响趋势是相同的。

2.3 衬砌周边围岩压力分析

衬砌在不同侧压力系数k下所受围岩压力见图7。由图7可知,拱底受侧压力系数的影响最弱,增幅最小,左拱脚随着侧压力系数的逐渐增大呈线性增长的趋势。当k=1.50时,左拱脚受力高达141.2 kPa,当k=0.50时,左拱脚受力仅为83.8 kPa,前者受力约为后者的1.7倍。

图7 衬砌所受围岩压力

在倾角破碎带的影响下,衬砌结构受力呈现明显的非对称性,侧压力系数的增大,非对称性也逐渐增强,其中受力最大的位置为左拱脚,受力最小的位置为拱底,20°倾角破碎带所导致的衬砌所受围岩应力偏压现象较为明显,在k=1.50时,左拱脚处受力约为右拱脚处的2.4倍,约为拱底处的6.4倍。

2.4 衬砌结构位移分析

衬砌结构不同位置的位移见图8。图8中,正值表示位移方向指向截面内侧,负值表示位移方向指向截面外侧。由图8可知,拱顶始终指向衬砌内侧,变化趋势较小,水平荷载增大左右边墙及拱底的衬砌位移由外侧向内侧收缩。k=0.50时,拱顶与拱底垂直位移差最大为1.246 mm,左、右边墙水平位移差为0.467 mm,约为左、右边墙水平位移差的2.6倍,侧压力系数对衬砌轮廓的竖向影响大于对衬砌水平位移的影响。

图8 衬砌结构位移

倾角断层破碎对衬砌结构位移的影响同样呈明显的非对称性,究其原因为倾角破碎带使得衬砌所受围岩应力不均匀,衬砌左侧偏压较为突出,左、右边墙位移受高地应力的影响,位移方向指向截面外侧,侧压力系数的增大使得作用在左、右边墙上的应力逐渐增大,左右边墙衬砌结构位移逐渐回弹收缩,左边墙的位移变化总量为0.25 mm,为右边墙位移总量的0.63倍。

2.5 衬砌结构受力分析

通过对亚克力衬砌结构表面应变片的变形数据加以计算得出亚克力衬砌结构的原弯矩与轴力数据,绘制衬砌结构弯矩图、轴力图分别见图9、图10。

图9 衬砌结构弯矩图(单位:N·mm)

图10 衬砌结构轴力图(单位:N)

由图9、图10可知,衬砌结构在断层破碎带的影响下,弯矩分布呈现出较强的非对称性,加载过程中,左侧拱脚弯矩值均小于右侧拱脚弯矩值,k=0.50时,右拱脚弯矩为左拱脚弯矩的1.86倍。k=1.50时,右拱脚弯矩约为左拱脚弯矩值的1.46倍。衬砌结构不同位置弯矩受侧压力系数的影响较为不同,除k=0.50时,拱底弯矩大于右拱脚弯矩,右拱脚弯矩值始终处于较大值。k由1.25增加到1.50时,左拱腰与右拱腰变化趋势相同,弯矩值由负值变为正值,结构承受能力由抗压强度转变为抗拉强度,结构容易产生裂隙。k=1.50时,衬砌结构弯矩分布不均匀,结构安全性较不利;k=1.00时,衬砌受倾角破碎带的影响较小,此时衬砌相对于其他侧压力系数条件下,弯矩分布较为均匀。

研究表明,为满足隧道下穿高地应力及断层破碎带复杂地质条件,对隧道衬砌左右拱脚、拱顶与拱底进行构造加强能够更好地满足稳定性需求。

3 结论

基于相似模型原理,通过模型加载系统,改变作用在隧道模型上的压力以研究高地应力及断层破碎带条件叠加下隧道围岩及衬砌结构受力的影响,得到以下结论:

1)在高地应力及倾角断层破碎带的影响下,径向围岩应力出现应力集中,左侧径向围岩应力约为右侧的1.2倍。切向围岩应力在距离隧道截面0.1D～0.3D范围内应力集中现象较为明显。切向围岩应力受侧压力系数影响较小,不同侧压力系数下的切向围岩应力较为接近。

2)断层破碎带下边界最大位移约为上边界最大位移的1.3倍。侧压力系数对断层破碎带下边界位移的影响相比上边界更加显著,回弹位移约占最大位移的64%,侧压力系数对中心截面的影响大于对其他截面位移的影响,上下边界的位移趋势是相同的。

3)倾角破碎带使得衬砌结构受力呈现明显的非对称性,随着侧压力系数增大,非对称性也逐渐增强,其中受力最大的位置为左拱脚,受力最小的位置为拱底,倾角破碎带所导致的衬砌所受围岩应力偏压现象较为明显,在侧压力系数为1.50时,左拱脚处应力约为右拱脚处的2.4倍,拱底处的6.4倍。

4)从衬砌结构变形来看,衬砌左侧偏压较为突出,左右边墙位移受高地应力的影响,位移方向指向截面外侧,侧压力系数的增大使得作用在左右边墙上的应力逐渐增大,左右边墙衬砌结构位移逐渐回弹收缩,左边墙的位移变化总量为0.25 mm,为右边墙位移总量的60%。