隧道復(fù)合式襯砌初期支護(hù)極限狀態(tài)模型試驗(yàn)研究

馮冀蒙 ，仇文革 ，王 航

（1. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031; 2. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031）

1 引 言

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，隧道的建設(shè)也逐漸涉足于高地應(yīng)力、高地震烈度、巖溶發(fā)育、不良地質(zhì)發(fā)育、軟巖分布廣的區(qū)域。在這類(lèi)隧道的修建過(guò)程中，初期支護(hù)是保證隧道穩(wěn)定性的重要構(gòu)件[1]，因此，在此之前針對(duì)初期支護(hù)的研究已經(jīng)取得了很多成果，為隧道建設(shè)的安全生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保證。由于隧道結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)，決定了初期支護(hù)的不可維修性，同時(shí)由于環(huán)境因素，初期支護(hù)不可避免地會(huì)在運(yùn)營(yíng)期出現(xiàn)劣化，甚至在未到設(shè)計(jì)年限就已失效達(dá)到極限狀態(tài)[2]，這時(shí)勢(shì)必會(huì)引起隧道結(jié)構(gòu)整體承載能力的降低，對(duì)于普遍使用的錨桿、鋼架和噴混凝土這3種構(gòu)件的極限狀態(tài)，隧道結(jié)構(gòu)整體承載能力的變化會(huì)有怎樣的不同，至今鮮有研究。在軟弱圍巖隧道中，錨桿、鋼架和噴射混凝土這3種構(gòu)件會(huì)被普遍采用，通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，分別對(duì)錨桿、鋼架和噴射混凝土的失效模擬，了解隧道結(jié)構(gòu)整體承載能力的變化情況，為隧道結(jié)構(gòu)的全壽命期設(shè)計(jì)提供參考。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

模型試驗(yàn)的設(shè)計(jì)主要有模擬方法、相似比的設(shè)計(jì)、材料的測(cè)試及選用和測(cè)點(diǎn)布置設(shè)計(jì)等方面。

2.1 模擬方法

試驗(yàn)采用設(shè)計(jì)時(shí)速為250 km/h雙線(xiàn)V級(jí)深埋隧道作為原型，設(shè)計(jì)參數(shù)參照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)圖，主要參數(shù)見(jiàn)表 4中的原型參數(shù)。試驗(yàn)的幾何相似比采用1:50，考慮了試驗(yàn)域的情況之后，專(zhuān)門(mén)定制了凈空為1.6 m×1.6 m×0.5 m的模型試驗(yàn)箱，如圖1所示，試驗(yàn)箱上蓋板做成加載梁，與 MTS控制的千斤頂相連，可以上下移動(dòng)并進(jìn)行控制加載；為了滿(mǎn)足平面應(yīng)變條件，前后板外側(cè)采用肋板加固以提高其剛性；正面為了開(kāi)挖及觀察方便，中間設(shè)置了0.8 m×0.8 m的鋼化玻璃，鋼化玻璃中間開(kāi)隧道斷面形狀的孔，并用2 mm厚鋼板覆蓋，在邊界上通過(guò)設(shè)置雙層塑料膜以消除邊界約束效應(yīng)。

圖1 模型試驗(yàn)箱圖（單位：cm）Fig.1 Model test chamber (unit: cm)

2.2 相似比設(shè)計(jì)

根據(jù)室內(nèi)模型試驗(yàn)的基本原理和 Buckingham的π定理[3]，各物理量相似比如表1。

表1 空間模型各種參數(shù)相似比Table 1 Similarity ratios of parameters in model test

2.3 材料的測(cè)試與選用[4－5]

隧道模型試驗(yàn)的材料之前已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，本試驗(yàn)中襯砌采用石膏和水模擬；采用細(xì)砂模擬V級(jí)圍巖，參數(shù)見(jiàn)表2，可見(jiàn)隨著含水率的增加，細(xì)沙的力學(xué)參數(shù)變化并不明顯，在試驗(yàn)過(guò)程中不考慮圍巖的變異；由于整體地層是采用透水的細(xì)砂模擬，注水后，大部分水會(huì)通過(guò)地層流失的，因此，在試驗(yàn)過(guò)程中不考慮水壓的作用；初期支護(hù)的材料采用石膏來(lái)模擬，石膏遇水之后會(huì)軟化，細(xì)砂和石膏的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2、3，同時(shí)石膏會(huì)隨著水作用時(shí)間增加，石膏會(huì)完全喪失承載力。

錨桿和鋼架采用兩種材料模擬，一種是細(xì)鐵絲外表涂強(qiáng)力膠粘上細(xì)砂，直徑為0.25 mm左右，外面再包裹石膏，用來(lái)模擬可以劣化的砂漿錨桿構(gòu)件，石膏的劣化和失效可以表示為砂漿的劣化后不能提供足夠的握裹力使錨桿構(gòu)件失效；一種是用鋁絲外表涂強(qiáng)力膠粘上細(xì)砂，模擬不劣化的構(gòu)件。

表2 模擬圍巖的細(xì)砂的力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of fine sand simulated surrounding rock

表3 石膏的力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of gypsum

二襯采用M3，初支采用M7，初支和二襯采用剛度等效模擬，錨桿和鋼架采用強(qiáng)度等效模擬，隧道材料力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表 4。二襯預(yù)先制作，為了防止二襯材料受潮，在烤干后的二襯石膏模型表面涂抹清漆。

2.4 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。襯砌變形在內(nèi)部采用百分表進(jìn)行測(cè)量；采用微型土壓力盒進(jìn)行土壓力測(cè)量；襯砌的應(yīng)變采用電阻式應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量；地中位移采用由銅桿和銅管以及銅片共同組成的裝置測(cè)量，具體是由在3 mm直徑端頭的位置焊接1個(gè)1.5 cm見(jiàn)方的小銅片，另一個(gè)端頭與百分表測(cè)點(diǎn)固定，銅桿外部套一根稍粗點(diǎn)的銅管，以保護(hù)銅桿可以在地層內(nèi)自由移動(dòng)。地中位移銅桿及銅片的尺度較小，對(duì)結(jié)構(gòu)及地層的影響并不明顯。

表4 隧道材料力學(xué)參數(shù)Table 4 Mechanical parameters of tunnel materials

圖2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Layout of measurement points

2.5 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)步驟為：（1）在預(yù)定的位置先埋設(shè)好錨桿并填埋土體之后，加載 100 kN的豎向力，模擬250 m的埋深；（2）觀察上蓋板的位移情況，穩(wěn)定后打開(kāi)開(kāi)挖口的鋼板進(jìn)行開(kāi)挖，記錄隧道的地中位移變化情況；（3）開(kāi)挖并支護(hù)初支完成后，將預(yù)制好的二襯模型放入洞內(nèi)，并注石膏漿使初支和二襯保持密貼；（4）待漿液干燥后，由模型箱背后預(yù)留的注水管中逐步注入純凈水，使初期支護(hù)劣化并失效，記錄二襯的位移、應(yīng)變數(shù)據(jù)；（5）待數(shù)據(jù)穩(wěn)定一段時(shí)間之后，施加豎向力，記錄隧道變化的情況。

3 試驗(yàn)情況及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)情況

軟巖隧道若不加支護(hù)，隧道在開(kāi)挖過(guò)程中不能保持穩(wěn)定，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎蒙舷露膛_(tái)階并預(yù)留核心土的方式，及時(shí)支護(hù)鋼架和噴混凝土，在開(kāi)挖過(guò)程中記錄拱頂和邊墻的地中位移，如圖3所示，位移向洞內(nèi)方向?yàn)樨?fù)。初支如圖4所示。

圖3 地中位移隨開(kāi)挖進(jìn)尺的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.3 Relationship curves between displacement and excavation progress

圖4 初支支護(hù)完成Fig.4 Primary support finish

為了研究初支每種構(gòu)件的極限狀態(tài)，設(shè)計(jì)了 4種工況，如表5所示。N1工況不劣化，不進(jìn)行劣化步驟，開(kāi)挖支護(hù)完后，直接加載。

在試驗(yàn)過(guò)程中，如何保證構(gòu)件按照設(shè)計(jì)的方式失效是試驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。N2工況時(shí)，預(yù)先埋設(shè)的注水管應(yīng)靠近錨桿的外側(cè)，遠(yuǎn)離噴射混凝土；N3工況時(shí)，鋼架緊貼圍巖設(shè)置，注水管靠近鋼架；N4工況，錨桿和鋼架都采用可劣化材料。試驗(yàn)中，須嚴(yán)格控制注水量。試驗(yàn)結(jié)束后，查看構(gòu)件劣化的效果，如不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，則重新進(jìn)行試驗(yàn)。

表5 工況設(shè)計(jì)表Table 5 Conditions design

從圖3中可以看出，在開(kāi)挖過(guò)程中，4個(gè)工況的地中位移變化規(guī)律是一致的，但數(shù)值差別不大，因此可以忽略填埋過(guò)程中的差異。

3.2 劣化過(guò)程結(jié)果分析

3.2.1 位移變化規(guī)律

位移可以直觀地反映隧道結(jié)構(gòu)的狀態(tài)變化，對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)，拱頂和邊墻的位移具有代表性，如圖5、6所示。

隨著初期支護(hù)構(gòu)件的劣化，都會(huì)引起襯砌和地中位移的變化，總體來(lái)講，錨桿劣化引起的位移是最小的，初支全部劣化是最大的。位移隨著錨桿的劣化，呈現(xiàn)出臺(tái)階式的變化，地中位移的數(shù)值較另外兩種工況的差距并沒(méi)襯砌變形那么明顯，可見(jiàn)錨桿的劣化造成的荷載最先是被鋼架和噴射混凝土承擔(dān)，只有一小部分轉(zhuǎn)移到了二次襯砌上。

圖5 襯砌位移隨初支劣化的變化規(guī)律Fig.5 Variations of lining displacement vs. time

圖6 地中位移隨初支劣化的變化規(guī)律Fig.6 Variations of rock displacement vs. time

3.2.2 二襯荷載的變化規(guī)律

圖7為二次襯砌拱頂和邊墻受到的荷載的變化曲線(xiàn)，襯砌受到的荷載為壓力，用負(fù)值表示。

圖7 二襯壓力的變化規(guī)律Fig.7 Variations of lining pressure

總體來(lái)講，襯砌的壓力隨著劣化呈現(xiàn)出先緩慢增加，后快速增加，而后又趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)；與位移所表明的情況相似，錨桿劣化對(duì)二次襯砌的影響是最小的，初支全部劣化的影響是最大的。

3.2.3 二襯內(nèi)力的變化規(guī)律

通過(guò)對(duì)二次襯砌內(nèi)力的測(cè)量，可以直接描述襯砌結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。二襯的內(nèi)力的主要指標(biāo)有軸力和彎矩，軸力受壓為負(fù)，彎矩負(fù)值表示襯砌內(nèi)側(cè)受壓，通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，拱頂?shù)妮S力最小的，邊墻的軸力最大，拱頂?shù)膹澗刈畲?，邊墻的彎矩也較大。拱頂和邊墻的內(nèi)力具有代表性，見(jiàn)圖8、9所示。

圖8 襯砌軸力隨初支劣化的變化規(guī)律Fig.8 Variations of lining axial force vs. time

圖9 襯砌彎矩隨初支劣化的變化規(guī)律Fig.9 Variations of lining bending moment vs. time

與之前的位移和荷載的結(jié)果相似，工況N3的內(nèi)力是最小的，工況N4是最大的。采用《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中的公式（11.2.1）和（11.2.2）和表10.2.1-3對(duì)工況N4二次襯砌的拱頂和邊墻進(jìn)行安全性檢算。計(jì)算表明，拱頂系抗拉強(qiáng)度控制承載能力，邊墻是抗壓強(qiáng)度控制承載能力，拱頂?shù)陌踩禂?shù)為22.3，邊墻的安全系數(shù)為49.6，遠(yuǎn)大于規(guī)范要求的2.4，由此可見(jiàn)，單純初期支護(hù)失效不會(huì)造成二次襯砌的破壞。

3.3 承載力結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)初期支護(hù)劣化的模擬可知，初期支護(hù)不會(huì)造成二次襯砌的破壞，但初期支護(hù)劣化后對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的整體承載能力造成了怎樣的影響，可以通過(guò)施加荷載來(lái)測(cè)試。試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)襯砌出現(xiàn)了大量的裂縫、較大的變形、掉塊等情況不能繼續(xù)承載時(shí)作為襯砌破壞的標(biāo)志，以此時(shí)的加載力作為隧道結(jié)構(gòu)整體的極限承載力。如圖10～12所示，N1的極限承載力為700 kN，N2為600 kN，N3為350 kN，N4為290 kN，可見(jiàn)初期支護(hù)構(gòu)件劣化都會(huì)造成隧道結(jié)構(gòu)整體承載力的降低，錨桿的影響最為明顯。

3.3.1 襯砌位移變化規(guī)律

圖10為隧道襯砌拱頂和邊墻各工況隨加載力的變化規(guī)律，從圖中可以看出，隨著加載力的增加，拱頂?shù)奈灰剖遣粩嘣黾拥?，而邊墻的位移也?huì)出現(xiàn)一個(gè)先向洞外位移然后又向洞內(nèi)位移的轉(zhuǎn)變過(guò)程；在加載力較小時(shí)，位移增加不明顯，隨著加載的增加，各工況的拱頂位移的斜率有了差異，初支全部劣化的斜率最大，其次是錨桿劣化的，然后是鋼架劣化的，初支未劣化的最小。

圖10 襯砌位移隨加載力的變化規(guī)律Fig.10 Variations of lining displacement vs. load

3.3.2 圍巖壓力變化規(guī)律

從圖11中可以看出，二襯拱頂和邊墻的壓力都呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，拱頂壓力的最大值相差不大，可見(jiàn)二襯在開(kāi)裂的荷載上是相差不大的。二襯在未開(kāi)裂前受到的荷載會(huì)隨著加載的增加而逐漸增加，但隨著二襯的開(kāi)裂，承載能力下降很快，荷載也逐漸隨著開(kāi)裂的程度減小，直到二襯完全不能承載。

圖11 二襯壓力的變化規(guī)律Fig.11 Variations of secondary lining pressure

3.3.3 襯砌內(nèi)力變化規(guī)律

從3.2.3中的檢算可知，隧道拱頂?shù)陌踩禂?shù)是最小的，現(xiàn)僅就拱頂?shù)膬?nèi)力進(jìn)行分析，從圖12中可見(jiàn)，襯砌軸力和彎矩基本都呈現(xiàn)出先增加，后逐漸趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，而且彎矩最大值相差不大，可見(jiàn)拱頂?shù)钠茐氖怯蓮澗乜刂频?。從軸力和彎矩的數(shù)值看出，隨著加載的增加，卻并沒(méi)有和壓力那樣減小，這是由于彎矩和軸力的測(cè)量是通過(guò)測(cè)量襯砌的應(yīng)變計(jì)算所得，襯砌開(kāi)裂后，已經(jīng)進(jìn)入塑性階段，應(yīng)變不會(huì)減小，因此，此時(shí)的內(nèi)力值會(huì)表現(xiàn)為不減小。

4 討 論

對(duì)于初期支護(hù)在隧道修建之初的作用，早有了一致的認(rèn)識(shí)，但初期支護(hù)在長(zhǎng)期使用期內(nèi)的作用以及其失效后結(jié)構(gòu)耐久性的認(rèn)識(shí)和研究就顯得相對(duì)不足。在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)是否考慮初期支護(hù)的耐久性，一直是有爭(zhēng)論的，由于復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)的特殊性，初期支護(hù)的維修是很難完成的，因此，對(duì)于軟弱圍巖來(lái)講，一直都不對(duì)初期支護(hù)的長(zhǎng)期耐久性做要求，這樣是偏于安全的。從前面劣化和加載兩個(gè)階段的試驗(yàn)可以看出，初期支護(hù)不同構(gòu)件的劣化失效對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)的影響是有差異的，錨桿的劣化沒(méi)有鋼架和噴射混凝土層劣化對(duì)二次襯砌影響大，這是源于錨桿的劣化造成荷載的增加會(huì)先轉(zhuǎn)移到鋼架和噴混凝土層上，轉(zhuǎn)移到二襯上的荷載不大，而鋼架和噴混凝土層的劣化會(huì)首先轉(zhuǎn)移荷載到二次襯砌上。即使初期支護(hù)全部劣化，轉(zhuǎn)移的荷載也不足以威脅二襯的安全，但這并不意味著以往的針對(duì)軟弱圍巖的設(shè)計(jì)是保守的，因?yàn)橛绊懰淼澜Y(jié)構(gòu)耐久性的因素很多，初期支護(hù)失效只是其中的一個(gè)因素。

圖12 二襯拱頂內(nèi)力隨荷載的變化規(guī)律Fig.12 Internal force variations of the lining vault

從隧道結(jié)構(gòu)整體的承載力測(cè)試上，雖然鋼架和噴射混凝土的失效對(duì)二襯造成的影響較大，但承載力的損失上并不明顯，錨桿失效對(duì)承載力的影響確很明顯，最大承載力與初期支護(hù)全部失效的情況相差不大，可見(jiàn)初期支護(hù)構(gòu)件中，對(duì)整體承載力影響最大的是錨桿失效。由于圍巖是承載的主體，錨桿的失效，會(huì)降低圍巖的承載能力，進(jìn)而影響隧道結(jié)構(gòu)整體的承載能力。

隧道結(jié)構(gòu)是由圍巖、初期支護(hù)及二襯組成的復(fù)合體系，單獨(dú)評(píng)價(jià)二次襯砌的安全性及耐久性是不夠的，提高隧道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期耐久性，應(yīng)該從隧道結(jié)構(gòu)的所有構(gòu)件入手，適當(dāng)對(duì)初期支護(hù)構(gòu)件采用一些施工保障及防劣化的耐久性措施，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)整體的耐久性是極為有利的。

5 結(jié) 論

（1）通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)軟弱圍巖中的隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)極限狀態(tài)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)失效會(huì)引起二襯結(jié)構(gòu)的受力變化，鋼架及噴射混凝土層劣化對(duì)二襯影響較大，錨桿影響較小，單純初期支護(hù)的劣化遠(yuǎn)遠(yuǎn)不會(huì)引起二襯結(jié)構(gòu)的失效。

（2）由于錨桿的劣化會(huì)降低圍巖的承載力，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)整體的承載能力有較大的影響，因此，保證隧道結(jié)構(gòu)整體承載力不過(guò)分降低，對(duì)初期支護(hù)采取一定的防護(hù)措施是極為必要的。

（3）本文是基于室內(nèi)模型試驗(yàn)的研究，具有一定的局限性，對(duì)于特定的以及較為復(fù)雜的圍巖環(huán)境，初期支護(hù)失效造成的影響需要進(jìn)一步研究。

注：特別感謝西南交通大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中心的薛艾老師給予的大力支持和幫助。

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