隧道洞周土體加固條件下壓力拱分布規(guī)律試驗研究

邢心魁，張家文

(1.桂林理工大學(xué)廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實驗中心，廣西桂林 541004;2.建材桂林地質(zhì)工程勘察院，廣西桂林 541002)

地下洞室開挖后，初始重力場分布發(fā)生改變，開挖面周圍一定厚度范圍內(nèi)圍巖中主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其最大主應(yīng)力流線形成一個環(huán)狀體[1-4]，這就是壓力拱。壓力拱雖具有結(jié)構(gòu)拱的一些特性，但它不像結(jié)構(gòu)拱那樣“看得見，摸得著”并“主動存在”[5-9]。壓力拱是由于洞室開挖而被動形成的，受隧道施工的影響較大，容易發(fā)生塌落等問題。采用錨桿加固圍巖土體，能夠使圍巖的強度大幅增加，容易形成穩(wěn)定的壓力拱[10-12]。由于地下工程的隱蔽性，施工方法的多變性，錨桿支護作用對圍巖壓力拱效應(yīng)的影響的現(xiàn)場試驗研究資料較少，因此，開展無錨桿和有錨桿壓力拱的大尺度模型試驗研究對壓力拱理論發(fā)展和工程應(yīng)用都具有重要意義。

1 模型試驗

1.1 試驗原理

模型試驗采用人工堆砂模擬圍巖，采用鐵絲作為洞周土體加固材料，用來模擬錨桿。在圍巖堆填過程中，按照設(shè)定位置埋置土壓力計，并在設(shè)定位置放置鐵絲模擬錨桿。用事先置入土體的充水圓環(huán)狀橡膠內(nèi)胎模擬隧道洞體，通過控制胎內(nèi)壓力水頭的大小模擬隧道襯砌的不同支護力。通過卸載支護力來模擬隧道開挖過程，分階段卸載圍巖支護力，量測無錨桿和有錨桿時圍巖每一階段的土壓力數(shù)值，經(jīng)對數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，研究壓力拱拱體在荷載釋放過程中的動態(tài)變化規(guī)律以及圍巖加固作用對壓力拱效應(yīng)的影響。

1.2 試驗方法

1.2.1 模型尺寸

根據(jù)相似理論和實際試驗條件，堆載模型體垂直方向深度為1.2 m，平面堆載尺寸為頂部直徑3.3 m，底部直徑4.0 m的圓臺體。洞室形狀近似為圓形，直徑0.34 m，模擬開挖路徑為與堆載模型上下表面平行的圓，整個圓環(huán)直徑1.4 m，圓心處于模型底部中心。試驗過程中，洞體和圍巖受力狀態(tài)保持為平面應(yīng)力狀態(tài)。土體堆載模型如圖1所示。

圖1 土體堆載整體模型

1.2.2 堆載試驗?zāi)Ｐ偷闹谱?/p>

1)模型體密度控制

圍巖密度對壓力拱特性有重要影響，為此在圍巖堆填過程中按預(yù)定的夯填方案填筑，以保證填料密實均勻，并達到預(yù)設(shè)密實度要求。

2)洞周土體物理力學(xué)參數(shù)量測

圍巖物理力學(xué)參數(shù)對壓力拱特性有重要影響，為此對純砂與加筋砂進行大型直剪試驗，測定不同圍巖的力學(xué)參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1 圍巖的物理力學(xué)參數(shù)

3)土壓力計的布置

無錨桿土壓力計在測試斷面上的位置按照極坐標分布如圖2所示。設(shè)計一條豎直方向測線，測線上自內(nèi)向外在不同位置設(shè)觀測點;相鄰觀測點間隔5 cm，每個觀測點埋設(shè)兩只土壓力計，一只沿徑向埋設(shè)，另一只沿環(huán)向埋設(shè)。

圖2 土壓力計斷面布置示意(單位:mm)

有錨桿時土壓力計埋設(shè)位置與無錨桿時基本相同，但由于錨桿的影響，土壓力計從加固區(qū)范圍之外開始埋設(shè)，并在隧道與圍巖接觸處埋設(shè)一只壓力計，量測徑向壓力，以便分析加固前后洞壁圍巖應(yīng)力變化情況。

在各部分土體堆載夯實過程中，按照土壓力計極坐標位置，通過測設(shè)儀器進行定位放樣。在同一個觀測點埋設(shè)徑向和環(huán)向兩只土壓力計很不方便，量測時相互影響，因此，考慮到土壓力分布的對稱性，實際埋設(shè)時將兩類壓力計安放到不同斷面。

4)土體加固設(shè)計

無錨桿時的松動圈厚約15 cm，據(jù)此將圍巖加固鐵絲長度設(shè)計為30 cm，鐵絲直徑為1.5 mm。根據(jù)均勻分布原則，鐵絲環(huán)向間距×縱向間距=5 cm×6 cm，布置鐵絲總根數(shù)為26×17=442根。

土體加圍設(shè)計與壓力計布置如圖3所示。

1.2.3 初始應(yīng)力量測及洞室開挖

試驗裝置安裝完畢后的應(yīng)力狀態(tài)相當于天然狀態(tài)。讀取各壓力計讀數(shù)，根據(jù)各壓力計初始讀數(shù)和標定系數(shù)即可得初始環(huán)向和徑向土壓力。隨后將洞室分15次開挖，每一荷載步卸載10 cm水頭(1 kPa)，記錄相應(yīng)土壓力數(shù)值。

圖3 土體加固設(shè)計與壓力計布置示意

2 試驗結(jié)果分析

為了重點研究圍巖加固前后壓力拱的變化規(guī)律，對洞周土體應(yīng)力變化選取具有代表性的荷載步3，5，9和11進行分析。分析壓力拱邊界時選取具有代表性的荷載步11。為了便于分析洞壁處應(yīng)力變化情況，采用全部模擬開挖步對應(yīng)的應(yīng)力值。

2.1 洞壁處徑向應(yīng)力變化(圖4)

圖4 洞壁處徑向應(yīng)力變化

圖4表明，洞周土體未加固時，洞壁處圍巖卸荷速度較快，在荷載步5時圍巖卸荷基本結(jié)束;而洞周土體在加固條件下(圍巖c，φ值增大)，圍巖強度增加，使得洞壁處圍巖卸荷速度減小，直至荷載步11時，卸荷才基本完成。

2.2 拱頂環(huán)向應(yīng)力分析

荷載步15時拱頂環(huán)向應(yīng)力變化曲線見圖5。

圖5 荷載步15時拱頂環(huán)向應(yīng)力變化曲線

由圖5可知:洞周未加固時，隨著支護應(yīng)力不斷減小，環(huán)向應(yīng)力不斷變化。在荷載步15，環(huán)向應(yīng)力在洞頂處為1.73 kPa，小于初始環(huán)向應(yīng)力(7.28 kPa);隨著距洞壁距離增大環(huán)向應(yīng)力逐漸增大，在距洞頂約15 cm處與初始環(huán)向應(yīng)力直線相交，應(yīng)力為5.92 kPa，在距洞頂25 cm處增大至峰值8.12 kPa，此后隨著遠離洞頂而逐漸減小直至60 cm處基本趨近于初始環(huán)向應(yīng)力，說明洞室開挖影響范圍在60 cm左右。

在0～15 cm區(qū)域圍巖應(yīng)力已經(jīng)低于初始環(huán)向應(yīng)力，并隨著距洞壁距離的減小，環(huán)向應(yīng)力越來越小，說明洞周圍巖進入塑性狀態(tài)，失去了承載能力，不能作為壓力拱拱體承載區(qū)，因此距離洞壁15 cm處可作為壓力拱內(nèi)邊界分界點。

在15～60 cm，環(huán)向應(yīng)力相對于初始環(huán)向應(yīng)力是增大的，只是增大幅度不同而已，說明15～60 cm為壓力拱拱體范圍，這部分圍巖均有承載能力。

洞周加固條件下，隨著支護應(yīng)力不斷減小，環(huán)向應(yīng)力也在不斷變化，在所測范圍內(nèi)變化趨勢與未加固時基本一致，不同的是在距洞頂40 cm處增大至峰值7.46 kPa，洞室開挖影響范圍擴大至75 cm左右。

2.3 不同開挖步對圍巖的影響

為了便于分析，加固和未加固圍巖條件下測試數(shù)據(jù)采用距洞壁30～80 cm區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)。兩種工況下部分荷載步拱頂應(yīng)力變化曲線見圖6。由圖6(a)、圖6(b)可知，當洞周土體未加固時，圍巖徑向應(yīng)力隨著洞體內(nèi)壓力的卸載而不斷減小，洞周土體未加固時，模擬開挖至9步以后，應(yīng)力減小的幅度降低;環(huán)向應(yīng)力在洞壁處逐漸變小，隨著距洞壁距離的增加，應(yīng)力不斷增加;當模擬開挖至9步以后，應(yīng)力也基本保持不變。由圖6(c)、圖6(d)可知，洞周土體加固后應(yīng)力變化趨勢與未加固時基本一致，不同的是，其應(yīng)力變化要慢，應(yīng)力值基本保持不變是在模擬開挖至11步以后。

圖6 未加固、加固兩種工況下部分荷載步拱頂應(yīng)力變化曲線

圖7 荷載步15應(yīng)力變化曲線

荷載步15應(yīng)力變化曲線見圖7。由圖7可知，由于支護力的卸荷，在40 cm以內(nèi)，洞周未加固時應(yīng)力變化較加固條件下大，40～75 cm應(yīng)力變化較小。30～60 cm洞周加固后圍巖環(huán)向應(yīng)力變化率不斷增加，而在60～75 cm是減小的;洞周未加固時，環(huán)向應(yīng)力變化率不斷減小。

2.3.1 不同開挖步對未加固時壓力拱的影響

由圖6(c)可知，從荷載步3至荷載步9時，拱體內(nèi)邊界從距洞壁10 m發(fā)展至15 cm，外邊界從距洞壁45 cm發(fā)展至60 cm;壓力拱拱體厚度從35 cm發(fā)展至45 cm。這說明壓力拱拱體內(nèi)外邊界隨著支護壓力的減小而不斷上移，逐漸遠離隧洞洞壁，最終達到厚度為45 cm左右的穩(wěn)定壓力拱拱體。

2.3.2 不同開挖步對加固作用下壓力拱的影響

由圖6(d)可知，從荷載步3至荷載步9時，壓力拱外邊界從距洞壁60 cm發(fā)展至75 cm，說明壓力拱拱體內(nèi)外邊界隨著支護壓力的減小而不斷上移，逐漸遠離隧洞洞壁，最大主應(yīng)力峰值位置從距洞壁30 cm移至40 cm，說明塑性范圍隨著支護壓力的減小而不斷擴大。

2.3.3 兩種圍巖參數(shù)條件下的對比分析

由圖6(c)、圖6(d)可知，洞周土體在加固后，開挖卸載支護力影響范圍要較未加固時大，從60 cm擴大至75 cm;兩者相比，加固后圍巖變形塑性區(qū)范圍擴大，從原來的25 cm增至40 cm，最大主應(yīng)力從8.16 kPa減小至7.46 kPa，說明加固作用對圍巖影響范圍增加了，同時增大了圍巖的承載能力。

由圖7可知，土體加固后，在距洞壁30～60 cm圍巖環(huán)向應(yīng)力增長率在不斷增加，在60～80 cm圍巖壓力增長率減小，最終接近圍巖初始應(yīng)力值;未加固時，圍巖壓力雖然在增加，但增加的幅度不斷減小，最終在60 cm處接近圍巖初始應(yīng)力值。這說明加固后距洞壁30～80 cm圍巖不僅僅承受上部荷載釋放的力，還承受由于加固措施約束塑性區(qū)變形破壞而產(chǎn)生的力;而未加固時圍巖只承受上部荷載釋放的力。

伴隨著支護力的不斷卸載，圍巖徑向應(yīng)力不斷減小，在30～40 cm區(qū)域加固后圍巖徑向應(yīng)力的減小率要快于未加固時;40～60 cm區(qū)域加固后圍巖徑向應(yīng)力的減小率要緩于未加固時。

從變化率的角度判斷，未加固時圍巖開挖影響范圍為65 cm;加固后圍巖開挖影響范圍為75 cm。

3 結(jié)論

1)洞周圍巖力學(xué)參數(shù)的增加使得洞壁處徑向應(yīng)力卸載速率減小得非?？?，卸載完成所需時間基本是洞周土體未加固時的2倍左右。

2)洞室開挖后，圍巖徑向應(yīng)力減小，環(huán)向應(yīng)力在承載塑性區(qū)范圍及以外開挖影響范圍相對于初始環(huán)向應(yīng)力是增加的，通過分析應(yīng)力分布曲線，把環(huán)向應(yīng)力達到初始環(huán)向應(yīng)力的點作為壓力拱的內(nèi)、外邊界的分界點;把環(huán)向應(yīng)力高于初始環(huán)向應(yīng)力的區(qū)域，作為壓力拱的拱體范圍。

3)本次試驗條件下，洞周土體未加固時壓力拱拱體內(nèi)外邊界隨著支護壓力的減小而不斷上移，最終穩(wěn)定壓力拱拱體厚度約為1.3倍洞徑，松動區(qū)厚度約為洞徑的1/3。

4)由于洞周加固作用，圍巖應(yīng)力通過加固材料向圍巖加固區(qū)以外區(qū)域傳遞，致使圍巖塑性變形范圍從25 cm發(fā)展至40 cm。圍巖的彈性變形區(qū)域變小，從35 cm減至30 cm。由于圍巖力學(xué)參數(shù)的改變使得拱體外邊界上移至75 cm處。

5)隧洞開挖前期，洞周土體未加固時的應(yīng)力釋放較加固后快，且環(huán)向應(yīng)力增長較快，穩(wěn)定壓力拱拱體形成較快。洞周土體在加固后能夠承擔更多的圍巖應(yīng)力，但是形成穩(wěn)定壓力拱時間較長。

6)洞周圍巖的c，φ值的增加使得壓力拱的拱體范圍增大至純砂土條件下的1.3倍左右，并且提升了圍巖的承載能力。這表明通過提高隧道洞周圍巖力學(xué)參數(shù)模擬錨桿支護的方式是可行的，提高圍巖的c，φ值可以較好地達到加固圍巖的目的，對工程設(shè)計具有一定的參考價值。

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