連拱隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)破壞試驗(yàn)研究

1、連拱隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)破壞試驗(yàn)研究                        【摘  要】  本文通過幾何比120相似模型試驗(yàn)，對類圍巖條件下連拱隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)破壞的力學(xué)行為進(jìn)行了研究，通過研究提出了作者對連拱隧道二次襯砌的認(rèn)識(shí)，為設(shè)計(jì)施工提供參考?！娟P(guān)鍵詞】連拱隧道；二次襯砌；模型試驗(yàn)1前言   

2、60;  在高等級公路及市政道路的建設(shè)中，為獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，大量采用了雙連拱隧道方案【1】。但在我國，連拱隧道尚為新型隧道結(jié)構(gòu)，已建成的連拱隧道數(shù)量極少，缺乏可借鑒的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)。從目前國內(nèi)其他省市在建中的為數(shù)不多的連拱隧道工程來看，在施工中均不同程度地出現(xiàn)了開挖過程中圍巖坍坍、已修筑的襯砌產(chǎn)生大面積裂縫、襯砌接頭處嚴(yán)重漏水、工程造價(jià)難于控制等問題”。隨著連拱隧道的大量出現(xiàn)，連拱隧道的綜合修建技術(shù)就成為當(dāng)前亟待研究解決的課題。      現(xiàn)階段我國的隧道設(shè)計(jì)基本以新奧法作為指導(dǎo)理論【3】【4】，設(shè)計(jì)時(shí)除少數(shù)情況使二次襯砌在施工

3、階段和運(yùn)營初期承受一定比例的荷載外，大部分將初期支護(hù)作為施工階段和隧道運(yùn)營初期的承載體系進(jìn)行考慮，而將二次襯砌作為長期安全性儲(chǔ)備，但設(shè)計(jì)時(shí)如何確定二次襯砌的厚度具有較大的主觀性，為了研究二次襯砌在隧道長期安全性中發(fā)揮的作用，本文作者在國內(nèi)首次采用幾何比120的相似模擬試驗(yàn)對跨度為2Sm左右的4車道雙連拱隧道的二次襯砌進(jìn)行了結(jié)構(gòu)破壞試驗(yàn)，以此探明二次襯砌在隧道長期安全性中發(fā)揮的作用。2 模型試驗(yàn)2.1試驗(yàn)原型      研究以金(華)麗(水)溫(州)高速公路二期工程中的21座類圍巖條件下的連拱隧道為試驗(yàn)原型，圍巖的參數(shù)值按公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ

4、026-90)并參照鐵路隧道新奧法指南偏低范圍取值，具體取值為：凝聚力018MPa、內(nèi)摩擦角28度、彈性模量14GPa、容重179kNm。結(jié)構(gòu)原型支護(hù)參數(shù)如圖1所示。將自重應(yīng)力場作為試驗(yàn)的原始地應(yīng)力場。22相似材料      試驗(yàn)以幾何相似比Cl=20和容重相似比Cy1為基礎(chǔ)相似比，根據(jù)相似理論推得各物理力學(xué)參數(shù)原型值與模型值的相似比。圍巖材料采用特定比例的重晶石粉、石英眇、松香和凡士林的熱融混合物模擬。這種混合材料在化學(xué)反應(yīng)結(jié)束后，基奉不受溫度和濕度的影響，以高壓方法加壓成型；二次襯砌采用水膏比為1：115的特種石膏材料，通過預(yù)制加工現(xiàn)場安裝

5、的方法模擬，其力學(xué)指標(biāo)以實(shí)驗(yàn)值為準(zhǔn)；二次襯砌鋼筋采用直徑4mm的鐵質(zhì)材料通過原型與模型在拱部和邊墻部等效抗彎剛度EI和中墻部等效抗拉剛度EA完全相似的方法進(jìn)行模擬。23試驗(yàn)裝置      全部試驗(yàn)在專門制作的臺(tái)架式鋼板試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒蹆?nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒塾脙山M180工字鋼對模型槽前后進(jìn)行約束，使試體處于平面應(yīng)變狀態(tài)，模型尺寸為43mx 37mx048m，試體尺寸為125mx060mx048m。試驗(yàn)裝置及試體的概要圖如圖2。      二次襯砌的內(nèi)力(彎矩和軸力)隨著荷載的增加而增加，在彈性階段，二次襯砌

6、的內(nèi)力隨荷載的增加基本呈線性增加趨勢，但在剛開始的幾級荷載內(nèi)，每級荷載二次襯砌的內(nèi)力增加值較后幾級每級荷載的大，在相同的條件下，二次襯砌結(jié)構(gòu)的配筋率越大，其內(nèi)力值也越大，但從量值上考擦，由配筋率的不同產(chǎn)生的內(nèi)力差異(最大主筋配筋率與最小主筋配筋率情況相比)在30以內(nèi)，根據(jù)以上的試驗(yàn)現(xiàn)象，可以得出在加載過程中承受荷載的不只是二次襯砌本身，除了二次襯砌以外，圍巖也分擔(dān)一部分荷載，其分擔(dān)比例隨結(jié)構(gòu)配筋率的增大而減小，但其變化范圍不會(huì)超出30；結(jié)構(gòu)的最大彎矩出現(xiàn)在拱頂和仰拱兩個(gè)部位，同時(shí)拱頂和仰拱部位結(jié)構(gòu)的軸力值又相對較小，對結(jié)構(gòu)而言拱頂和仰拱應(yīng)為最不利位置，在設(shè)計(jì)和施工時(shí)，應(yīng)作為控制面。圖4和圖5為

7、試驗(yàn)2二次襯砌右洞拱頂和仰拱內(nèi)力隨荷載的變化情況；圖6和圖7 3J-組試驗(yàn)在等效土柱為80m的荷載時(shí)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力值。 圖4  右洞拱頂和仰拱彎矩變化圖圖5  右洞拱頂和仰拱軸力變化圈3.2位移變化規(guī)律      二次襯砌的位移隨著荷載的增加而增加，在結(jié)構(gòu)處于彈性階段，二次襯砌的位移隨荷載的增加基本呈線性增加，相同的載荷條件下，二次襯砌的剛度越大其位移值越小。圖8為三組試驗(yàn)在等效土柱為80m荷載時(shí)結(jié)構(gòu)的位移值。結(jié)構(gòu)的最大位移值出現(xiàn)在拱頂和仰拱兩個(gè)部位，故在設(shè)計(jì)和施工中，拱頂和仰拱的位移應(yīng)作為控制位移面，現(xiàn)場的收斂標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以拱頂和仰拱的收斂為依據(jù)。33  破壞狀態(tài)的描述參考文獻(xiàn)【1】何川，林剛，張志強(qiáng)連拱隧道的主要修改技術(shù)問題和對策現(xiàn)代隧道技術(shù)（增刊）2002【2】劉洪州，黃倫海 連拱隧道設(shè)計(jì)施工技術(shù)研究現(xiàn)狀 西部探礦工程，2001(1）：54-55【3】關(guān)寶樹 隧道力