雙連拱隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力樣式及圍巖穩(wěn)定性模型試驗(yàn)研究

1、雙連拱隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力樣式及圍巖穩(wěn)定性模型試驗(yàn)研究摘  要：大型相似模型試驗(yàn)是雙連拱隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力樣式與圍巖穩(wěn)定分析研究的重要方法和手段之一。結(jié)合廣州-惠州高速公路小金口雙連拱隧道工程的修建，在，類圍巖條件下，對(duì)雙連拱隧道的施工方法和結(jié)構(gòu)內(nèi)力樣式及圍巖穩(wěn)定進(jìn)行了深入的研究工作。通過模型試驗(yàn)研究提出了一種新的施工方法中導(dǎo)坑拓展法，這種施工方法對(duì)圍巖的擾動(dòng)少；同時(shí)采用三導(dǎo)坑法、雙導(dǎo)坑法和中導(dǎo)坑拓展法3種施工方法進(jìn)行模型試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：周邊最大徑向位移發(fā)生于拱頂，其次為腰部；首次建立了雙連拱隧道二次襯砌內(nèi)力(軸力和彎矩)模型及圍巖的穩(wěn)定與變形的規(guī)律。這些研究成果對(duì)雙連拱隧道的設(shè)計(jì)與施工具有重

2、要指導(dǎo)作用。關(guān)鍵詞：隧道工程；雙連拱隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力樣式；模型試驗(yàn)；圍巖穩(wěn)定性分析；施工方法 1  引  言    隨著高速公路進(jìn)入山區(qū)，隧道數(shù)量日益增多。由于受地形及展線限制，一些較短的隧道(隧道長(zhǎng)一般<500m)選用了連拱結(jié)構(gòu)型式。這是一種新型的隧道結(jié)構(gòu)樣式，由于其結(jié)構(gòu)特殊、跨度大，因此設(shè)計(jì)和施工技術(shù)較復(fù)雜。盡管當(dāng)前設(shè)計(jì)施工完成有一定數(shù)量的雙連拱隧道工程，但其中仍存在較多問題，例如在中墻頂部的結(jié)構(gòu)接合處往往出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅到隧道結(jié)構(gòu)安全。在國內(nèi)外尚無可供借鑒的系統(tǒng)性成熟資料的情況下，迫切需要對(duì)其結(jié)構(gòu)內(nèi)力樣式及圍巖穩(wěn)定分析等

3、雙連拱隧道綜合修建關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)理論問題進(jìn)行深入的研究工作。    大型相似模型試驗(yàn)研究是雙連拱隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力樣式與圍巖穩(wěn)定分析研究的重要方法之一。本文通過相似模型試驗(yàn)，對(duì)，類圍巖條件下，采用三導(dǎo)坑法、雙導(dǎo)坑法和中導(dǎo)坑拓展法修建的跨度為24.36m的雙連拱公路隧道進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，提出了在不同圍巖類別條件下雙連拱隧道采用3種不同施工方法時(shí)，圍巖的穩(wěn)定與變形規(guī)律及雙連拱隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力樣式。其研究成果對(duì)于廣惠高速公路小金口雙連拱隧道的修建起到了有效的指導(dǎo)作用，同時(shí)，對(duì)類似工程也具有重大的指導(dǎo)意義。    20世紀(jì)90年代中后期，尤其是進(jìn)入

4、21世紀(jì)后，我國相繼修建了不少連拱隧道，但這些連拱隧道存在著工期長(zhǎng)、設(shè)計(jì)繁瑣、施工要求高以及施工方法單一等特點(diǎn)，因此有必要對(duì)連拱隧道的設(shè)計(jì)與施工理論進(jìn)行深入的研究工作。 2 依托隧道工程概況    廣惠高速公路小金口互通A匝道隧道是一座上、下行合建的4車道連拱高速公路短隧道，位于廣東省惠州市小金口鎮(zhèn)。隧道軸向近EW向，長(zhǎng)200m，隧道建筑界限凈寬22.0 m×5.0m，內(nèi)輪廓采用承載能力較好的單心圓形式，邊墻為曲墻，中墻為直墻。進(jìn)、出口設(shè)計(jì)高程分別為37.165和40.323m，隧道最大埋深45m。本隧道平面線型為曲線，曲線半徑R=300m(左

5、偏)，路面超高橫坡進(jìn)口為雙向坡2，出口為單向坡5。縱坡線型為“人”字形，進(jìn)口縱坡i1=+2.0，出口縱坡i2=1.405，變坡點(diǎn)樁號(hào)為K0+180，豎曲線半徑R=3000m。    隧道覆蓋層以褐黃、褐紅色亞粘土為主，含基巖碎塊，硬塑。除隧道軸線兩側(cè)山頂及鞍部西南緣見基巖出露外，該覆蓋層均有分布，殘破積層厚1.26.0 m，平均2.89m。隧道基巖為侏羅系下統(tǒng)藍(lán)塘群，灰、灰白、紫紅色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，隱伏于殘破積層以下，偶見露頭。強(qiáng)風(fēng)化層為灰、淺灰、褐黃、紫紅色粉砂巖、構(gòu)造角礫巖，半巖半土狀，巖心破碎，以碎塊狀為主，次為短柱狀，鉆厚0.006.10m，平均3.2

6、3m。弱風(fēng)化層為淺灰、褐黃、紫紅色粉砂巖、構(gòu)造角礫巖，節(jié)理發(fā)育，巖心破碎，以碎塊、短柱狀為主，層厚7.533.0m，平均17.35m。    小金口雙連拱隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)見表1，將其作為基本的試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行模擬試驗(yàn)。施工方法采用三導(dǎo)坑法、中導(dǎo)坑拓展法和雙導(dǎo)坑法分別進(jìn)行不同工況下的雙連拱隧道內(nèi)力和圍巖穩(wěn)定的模型試驗(yàn)研究。3  模型試驗(yàn)原理與方法3.1模型試驗(yàn)的相似關(guān)系    (1)物理力學(xué)參數(shù)的相似關(guān)系    本次模型試驗(yàn)采用幾何比例尺為1:25。根據(jù)相似理論原理推得各物理力學(xué)參數(shù)原型值與模型值之間

7、的相似比為：幾何相似比CL=25；容重相似比C=1；泊松比、應(yīng)變、摩擦角相似比Cv=C=C=1；強(qiáng)度、應(yīng)力、粘聚力、彈性模量相似比CR=C=Cc=CE=25。    (2)地應(yīng)力場(chǎng)模擬    根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及勘察，隧道區(qū)地應(yīng)力殘存較小，在構(gòu)造變動(dòng)及地殼的長(zhǎng)期演化過程中應(yīng)力多已釋放，為此，在模型試驗(yàn)中地應(yīng)力場(chǎng)按自重應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬。3.2試驗(yàn)裝置及量測(cè)內(nèi)容    (1)試驗(yàn)裝置    對(duì)于隧道模型試驗(yàn)，加載臺(tái)架有立式和臥式之分。本次模型試驗(yàn)采用立式臺(tái)架(見圖1)，立式臺(tái)架是指進(jìn)行試

8、驗(yàn)時(shí)，模型直立于臺(tái)架上，模擬豎向荷載的千斤頂分別置于模型上部的兩側(cè)(見圖1)。    (2)量測(cè)內(nèi)容    量測(cè)內(nèi)容包括：洞室周邊徑向位移：二次襯砌內(nèi)力；圍巖與支護(hù)間接觸壓力；破壞過程觀測(cè)及破壞狀態(tài)記錄。3.3模型試驗(yàn)系列組合    本次模型試驗(yàn)對(duì)，類圍巖的各種工況進(jìn)行超載破壞試驗(yàn)，對(duì)于3種施工方法(三導(dǎo)坑法、中導(dǎo)坑拓展法和雙導(dǎo)坑法)開展了15組模型試驗(yàn)系列組合的研究工作。本文僅選擇其中的3組試驗(yàn)組合對(duì)其測(cè)試結(jié)果進(jìn)行深入的分析研究(見表2)。4  模型材料的制備與隧道開挖和襯砌的模擬4.1模型材

9、料的選擇與制備4.1.1圍巖    小金口雙連拱隧道圍巖物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。    根據(jù)各類圍巖原型參數(shù)及必須滿足的相似關(guān)系，經(jīng)正交試驗(yàn)數(shù)十次反復(fù)比選調(diào)配，最后選用不同比例的重晶石粉、石英砂和凡士林的熱融混合料作為不同圍巖類別的相似材料(見表4)。4.1.2噴射混凝土    采用特定的材料按專有的配合比配置后模擬C20噴射混凝土，在配制后，立即進(jìn)行灌注，且待初凝后即拆去外模，讓材料表面均勻放熱，20h后進(jìn)行試驗(yàn)(見表5)。4.1.3模筑混凝土    模筑混凝土二次襯砌的相

10、似材料采用特定材料的配合比，二次襯砌系采用預(yù)制方法加工而成。4.2試驗(yàn)加蛾4.2.1豎向應(yīng)力與水平應(yīng)力的模擬    豎向應(yīng)力(豎向)運(yùn)用2個(gè)千斤頂進(jìn)行施加和模擬。水平應(yīng)力(水平)主要根據(jù)不同圍巖的側(cè)壓力系數(shù)來計(jì)算。其量值為：水平=豎向=豎向(1)，其中，為側(cè)壓力系數(shù)，v為泊松比。4.2.2破壞試驗(yàn)    施加在模型上的荷載，應(yīng)盡量與原型相似。每次試驗(yàn)加載至峰值荷載后，按照原型應(yīng)力的2050加載，直到模型破壞時(shí)再卸載。在試驗(yàn)過程中，每次荷載施加后，均觀察洞室周邊圍巖及支護(hù)狀況，并記錄裂紋的發(fā)生及發(fā)展過程。4.3隧道開挖與襯砌的模擬4.3

11、.1隧道的開挖模擬     隧道的開挖在模型試驗(yàn)中以開洞的方式實(shí)現(xiàn)。模型開洞有兩種方式：一種是“先開洞后加載”，另一種是“先加載后開洞”。前者指在制作模型時(shí)已將洞室作好；后者則是在對(duì)整體模型施加要求荷載并保持荷載作用的條件下開洞。采用哪種開洞方式主要取決于試驗(yàn)?zāi)康模邕M(jìn)行彈性分析時(shí)，可采用“先開洞后加載”，而如要研究開挖過程對(duì)洞室圍巖應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的影響時(shí)，則應(yīng)采用“先加載后開洞”。本試驗(yàn)采用第二種方式實(shí)現(xiàn)隧道的開挖模擬。4.3.2襯砌的模擬    在模型試驗(yàn)中，對(duì)復(fù)合式襯砌包括初次襯砌和二次襯砌進(jìn)行了模擬。初次襯砌主要運(yùn)用澆注的方式

12、實(shí)現(xiàn)，二次襯砌則主要運(yùn)用預(yù)制成型的方式實(shí)現(xiàn)。5  模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及處理分析結(jié)果5.1洞室周邊徑向位移    洞室周邊徑向位移共量測(cè)8個(gè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均采用30mm級(jí)大量程電測(cè)位移計(jì)直接測(cè)讀，精度為0.01mm。同時(shí)在拱頂，水平、仰拱等處安設(shè)電測(cè)位移傳感器，配接CBWll03型高精度位移儀和16路接口轉(zhuǎn)換接口儀，自動(dòng)采集位移量，其量程為30mm，精度為±0.3。    隧道洞室周邊徑向位移量測(cè)是隧道在施工開挖支護(hù)過程中必須進(jìn)行的基本工作之一。由于單拱隧道的徑向位移及其收斂速率在相關(guān)的規(guī)范中有明確的規(guī)定，而對(duì)于雙連拱隧

13、道的徑向位移及其收斂速率的警戒值一直是隧道工作者近年來不斷探索的課題之一。本文進(jìn)行的周邊徑向位移模型試驗(yàn)研究就是為此而開展的。    模型試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)荷載=1.0MPa時(shí)，洞室周邊徑向位移見圖2。從表3可知，模型試驗(yàn)6代表三導(dǎo)坑法施工，模型試驗(yàn)9代表雙導(dǎo)坑法施工，模型試驗(yàn)12代表中導(dǎo)坑拓展法施工，針對(duì)這3種施工方法對(duì)圍巖的穩(wěn)定進(jìn)行了試驗(yàn)研究。對(duì)于II，類圍巖，采用不同的施工方法對(duì)圍巖的擾動(dòng)程度是不同的，擾動(dòng)程度越大，其周邊的徑向位移值就越大。在埋深小于45m時(shí)，采用三導(dǎo)坑法和雙導(dǎo)坑法施工時(shí)，周邊徑向位移最大值發(fā)生于拱頂，其值分別為9.99和1.288mm，拱腰位移分

14、別為4.396和0.355mm，邊墻的位移變化不大(見圖2)。所以對(duì)于淺埋隧道，周邊徑向位移主要發(fā)生于拱頂，其次發(fā)生于拱腰部位，在施工過程中要加強(qiáng)這2個(gè)部位的支護(hù)。當(dāng)位移大于10mm時(shí)，隧道模型即遭破壞，此即為徑向位移收斂警戒值的范圍。當(dāng)采用中導(dǎo)坑拓展法施工時(shí)，周邊徑向位移變化比較小，在拱頂?shù)奈灰茷?.148mm，在拱腰的位移為-0.659mm，在邊墻的位移為-1.632mm。這種施工方法對(duì)圍巖的擾動(dòng)少，徑向位移值不大，是通過模型試驗(yàn)而提出的一種新的施工方法，需要在實(shí)際的雙連拱隧道的施工中加以驗(yàn)證與充實(shí)。  5.2二次襯砌內(nèi)力    采用在襯砌內(nèi)、外側(cè)對(duì)

15、稱布設(shè)環(huán)向電阻應(yīng)變片方式測(cè)讀內(nèi)、外側(cè)應(yīng)變值，以此獲得內(nèi)、外側(cè)的應(yīng)力及襯砌截面的內(nèi)力。具體選用2mm×3mm泊式膠基電阻應(yīng)變片，布片前用環(huán)氧樹脂對(duì)布片部位設(shè)基底，應(yīng)變片布設(shè)經(jīng)檢查合格后作防潮處理。    接收儀器選用7V14靜態(tài)電阻應(yīng)變多通道數(shù)據(jù)采集儀，應(yīng)變片采用半橋聯(lián)結(jié)，每5片共用一溫度補(bǔ)償片，經(jīng)用YX1型標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變箱對(duì)試驗(yàn)用應(yīng)變量測(cè)系統(tǒng)作測(cè)值系統(tǒng)誤差標(biāo)定。    本次模型試驗(yàn)共計(jì)進(jìn)行了15組模型試驗(yàn)系列，限于篇幅，本文僅對(duì)模型試驗(yàn)6，9和12進(jìn)行探討。而對(duì)于二次襯砌內(nèi)力的分析，僅選擇模型試驗(yàn)6展開討論，且二次襯砌的內(nèi)力僅介紹

16、軸力和彎矩。    圖3是模型試驗(yàn)6中，當(dāng)荷載=2.0，3.0MPa時(shí)二次襯砌軸力圖。從圖3可以看出，軸力隨著隧道上覆荷載的增大而增大，最大軸力分布于仰拱和邊墻的結(jié)合部位(邊墻腳)，其次為仰拱和拱頂部位。在=2.0，3.0MPa時(shí)，邊墻腳軸力分別為-367，-564kN。    圖4是模型試驗(yàn)6的二次襯砌彎矩圖(=2.0，3.0MPa)，假定向洞室外側(cè)方向的彎矩值為正，而向洞室內(nèi)側(cè)方向的彎矩值為負(fù)值，正彎矩代表受拉，負(fù)彎矩代表受壓。從圖4可以看出，最大的彎矩分布于邊墻和仰拱的結(jié)合部位(邊墻腳)，受拉主要有2個(gè)部位：拱腰和邊墻腳，其彎矩

17、分別為1.01(0.424)和1.21(0.44)kN·m；受壓主要有3個(gè)部位：拱頂、邊墻和仰拱(見圖4)，其彎矩值分別為-1.08(-0.61)，-0.35(-0.76)和-1.19(-0.591)kN·m。    綜上所述，采用三導(dǎo)坑法對(duì)圍巖的開挖和支護(hù)是合理的，最關(guān)鍵的問題是控制圍巖的變形以及了解彈塑性區(qū)域的分布情況。尤其是對(duì)拱頂、拱腰及邊墻在施工過程中要特別注意加強(qiáng)支護(hù)的安全性和可靠性，確保隧道施工的安全。總之，采用三導(dǎo)坑法對(duì)雙連拱隧道的施工是合理有效的施工方法，值得加以不斷推廣。5.3圍巖與支護(hù)間接觸壓力  

18、60; 采用0.5級(jí)GYT10型精密土壓力傳感器量測(cè)圍巖與支護(hù)間的接觸壓力。在施作噴射混凝土層和模筑之前，將土壓力傳感器預(yù)埋在圍巖與噴層之間，以測(cè)試圍巖與支護(hù)間的層間徑向接觸壓力。土壓力傳感器接入應(yīng)變量測(cè)系統(tǒng)，且均在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上采用試驗(yàn)用圍巖材料介質(zhì)，經(jīng)預(yù)壓3次后進(jìn)行標(biāo)定。針對(duì)模型試驗(yàn)6的土壓力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析，其土壓力值的范圍為0.0050.020MPa，最大土壓力分布于中墻的底部。5.4 破壞過程觀測(cè)及破壞狀態(tài)記錄    每次試驗(yàn)加至峰值荷載后再卸載，然后對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞情況進(jìn)行觀察并作素描記錄，同時(shí)用數(shù)碼照相機(jī)及數(shù)碼攝像機(jī)作實(shí)況圖像記錄。在試驗(yàn)過程中，每次荷載施加后，均觀察洞室周邊圍巖及支護(hù)狀況，并記錄裂紋的發(fā)生及發(fā)展過程。6  結(jié)  論    通過雙連拱隧道模型試驗(yàn)研究，得出以下主要認(rèn)識(shí)：    (1)雙連拱隧道相似模型試驗(yàn)研究成功地模擬了雙連拱隧道施工過程中洞室周邊徑向位移的變化規(guī)律。在試驗(yàn)過程中，采用三導(dǎo)坑法和雙導(dǎo)坑法施工方法，分別進(jìn)行了周邊徑向位移的測(cè)試分析，認(rèn)為在埋深小于45m時(shí)，最大的徑向位移發(fā)生于拱頂，其次為腰部，提出在施工過程中要加強(qiáng)這2個(gè)部位的支護(hù)。