不等跨連拱鐵路隧道圍巖壓力分布及受力特征模型試驗(yàn)研究

張俊儒，孫克國(guó)，盧 鋒，鄭宗溪，孫其清

（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，四川 成都 610031；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

1 引 言

近年來(lái)，隨著高速鐵路的快速發(fā)展，隧道迎來(lái)了大量建設(shè)的新時(shí)期。較一般的隧道不同，連拱隧道因具有空間利用率高，占地面積少，對(duì)線路線型具有高度適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)而出現(xiàn)在洞口地形狹窄段、短隧道以及一些線路的并行段和折返線。由于連拱隧道跨度大、施工工序復(fù)雜、隧址區(qū)地質(zhì)條件往往較差、開(kāi)挖與支護(hù)往往交錯(cuò)進(jìn)行，從而使得圍巖壓力和支護(hù)荷載復(fù)雜多變，所以建設(shè)難度很高。目前，在設(shè)計(jì)和施工中，對(duì)于連拱隧道支護(hù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式、施工方法以及理論方面的研究已經(jīng)取得了一定的成果[1-9]，但還存在一些問(wèn)題和不足。因此，有必要對(duì)連拱隧道的圍巖壓力分布及襯砌結(jié)構(gòu)的受力特征開(kāi)展深入研究。

目前，我國(guó)建設(shè)的連拱隧道已具一定數(shù)量，在設(shè)計(jì)和施工方面積累了一定的工程經(jīng)驗(yàn)。為研究連拱隧道的施工力學(xué)行為及圍巖、襯砌結(jié)構(gòu)的受力特征，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及室內(nèi)模型試驗(yàn)等手段進(jìn)行了研究。肖林萍等[10]通過(guò)模型試驗(yàn)，提出中導(dǎo)坑拓展法，建立了連拱隧道二次襯砌內(nèi)力模型及圍巖的穩(wěn)定與變形的規(guī)律；劉濤等[11]結(jié)合模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算對(duì)連拱隧道施工工況進(jìn)行模擬，得出施工過(guò)程中隧道圍巖位移、應(yīng)力和塑性區(qū)分布規(guī)律；林剛等[12]通過(guò)模型試驗(yàn)，對(duì)連拱隧道不同圍巖級(jí)別下不同施工方法進(jìn)行了對(duì)比研究；申玉生等[13]通過(guò)對(duì)連拱隧道結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵部位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控測(cè)試與分析，獲得了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工偏壓條件下各施工階段的圍巖受力、錨桿軸力、中墻內(nèi)力以及隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力變化情況；鄧建等[14]采用有限元軟件對(duì)不等跨連拱隧道施工全過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了隧道圍巖應(yīng)力、圍巖位移、初襯與二襯的接觸壓力等隨施工過(guò)程的變化規(guī)律；朱合華等[15]采用平面有限元方法，對(duì)羅長(zhǎng)高速公路馬宅頂不對(duì)稱連拱隧道的施工過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，重點(diǎn)研究了“三導(dǎo)洞”開(kāi)挖條件下圍巖的變形和應(yīng)力以及襯砌的受力和變形；王軍等[16]針對(duì)馬宅頂隧道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，基于監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析了不對(duì)稱連拱隧道圍巖和支護(hù)體系的變形及受力特征；鄭宗溪等[17-18]對(duì)淺埋偏壓條件下不等跨連拱隧道的中隔墻設(shè)計(jì)、施工工法以及防排水等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析和詳細(xì)闡述；聶善文等[19]采用數(shù)值模擬方法綜合分析了不同地表傾斜情況下不同開(kāi)挖方案對(duì)非對(duì)稱連拱隧道穩(wěn)定性的影響。

從目前查閱文獻(xiàn)及研究成果可以看出，對(duì)于連拱隧道的研究主要以對(duì)稱連拱隧道為主，而對(duì)于不等跨連拱隧道，其結(jié)構(gòu)形式及圍巖襯砌受力相對(duì)對(duì)稱連拱隧道更為復(fù)雜，但國(guó)內(nèi)外的研究較少，目前鮮有的工程實(shí)例，也主要出現(xiàn)在公路隧道及城市地下鐵道折返線中，其結(jié)構(gòu)形態(tài)與不等跨鐵路隧道的結(jié)構(gòu)形態(tài)相差很大，以至于現(xiàn)有的設(shè)計(jì)模式無(wú)法直接借鑒，而對(duì)于不等跨連拱隧道圍巖壓力分布與受力特征的相關(guān)研究，更是趨于空白。因此，本文結(jié)合具體工程實(shí)際，采用模型試驗(yàn)的方法對(duì)不等跨連拱隧道明挖施工段的圍巖壓力分布、襯砌結(jié)構(gòu)受力特征及其破壞形態(tài)進(jìn)行研究，以期研究成果為今后不等跨連拱隧道的設(shè)計(jì)與施工提供一定的借鑒和理論依據(jù)。

2 依托工程概況

新作坊隧道位于重慶市合川區(qū)銅溪鎮(zhèn)境內(nèi)，起訖里程DK888+177～DK888+643，為蘭渝線（雙線）和遂渝二線（單線）在重慶渭沱、合川站區(qū)的并行段。隧道DK888+500～643 段蘭渝左線到遂渝二線線間距為5.3～8.8 m，由工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)線間距達(dá)到7.3 m 時(shí)，有條件采用連拱隧道斷面形式，若該段選用三線大跨隧道，則開(kāi)挖面積將達(dá)到302.9～336.7 m2，且開(kāi)挖跨度將達(dá)22.3 m，高度為11.7 m，施工風(fēng)險(xiǎn)極大；若采用連拱隧道，開(kāi)挖面積為240.93～262 m2。通過(guò)不同方案比選，最終確定在DK888+600～643 段采用不等跨連拱隧道通過(guò)。

隧址區(qū)基巖多裸露，隧道穿越侏羅中統(tǒng)上沙溪廟組J2s 紫紅色泥巖夾砂巖。丘坡處基巖多裸露，局部覆蓋坡殘積土；隧道進(jìn)口附近分布有坡殘積Q4(dl+el)粉質(zhì)黏土，出口分布人工填土Q4(ml)和坡殘積Q4(dl+el)粉質(zhì)黏土；總體來(lái)說(shuō)，隧道洞身位于強(qiáng)風(fēng)化及弱風(fēng)化的泥巖夾砂巖地層中，隧道穿越地層巖體破碎，風(fēng)化嚴(yán)重且上覆人工填土，整體穩(wěn)定性較差。暗挖段隧道埋深4.7～20.6 m，明挖段隧道埋深1.2～4.7 m，地下水位位于隧道仰拱以下。隧道線路平面圖如圖1 所示，明挖段橫斷面圖如圖2所示。

圖1 新作坊隧道線路平面圖Fig.1 Plan view of Xinzuofang tunnel

圖2 新作坊隧道明挖段橫斷面圖(單位:cm)Fig.2 Cross-section of Xinzuofang tunnel in open excavated section(unit:cm)

3 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 相似關(guān)系

本試驗(yàn)以幾何相似比和重度相似比為基礎(chǔ)相似比，實(shí)現(xiàn)在彈性范圍內(nèi)控制各物理力學(xué)參數(shù)的全相似性，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如下[20-21]：幾何相似比滿足Cl=75，重度相似比滿足Cγ=1，泊松比μ、應(yīng)變?chǔ)?、?nèi)摩擦角φ 相似比滿足Cμ=Cε=Cφ=1，邊界力、應(yīng)力、凝聚力、彈性模量相似比滿足CX=Cσ=Cc=CE=75。

3.2 相似材料

3.2.1 圍巖

試驗(yàn)以新作坊不等跨連拱隧道為原型，模擬Ⅴ級(jí)圍巖明挖段圍巖壓力分布及受力特征。相似材料采用特定比例的重晶石粉、河砂、粉煤灰和機(jī)油的混合物模擬。先期通過(guò)對(duì)相似材料大量的配比試驗(yàn)，最終確定滿足物理力學(xué)參數(shù)要求的配合比和相似材料。這種混合材料基本不受溫度和濕度的影響，具有很好的環(huán)境適應(yīng)性。原型和模型的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，相似材料的配合比見(jiàn)表2。

表1 原型和模型材料力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of prototype and model material

表2 模型圍巖相似材料配合比(質(zhì)量比)Table 2 Mixture ratio of model materials(mass ratio)

3.2.2 隧道結(jié)構(gòu)

本次模型試驗(yàn)只模擬初期支護(hù)和中隔墻。由于亞克力板具有較好化學(xué)穩(wěn)定性和耐久性，同時(shí)其易成型，且為人工材料，材料物理力學(xué)參數(shù)離散型小，彈性階段性能同混凝土相似，適合模擬多種工況下相同參數(shù)的材料。本試驗(yàn)隧道結(jié)構(gòu)相似材料選用亞克力板，其材料力學(xué)性質(zhì)對(duì)比如表3 所示。

表3 隧道結(jié)構(gòu)相似材料力學(xué)性質(zhì)對(duì)比Table 3 Comparison of mechanical indices of similar material with the values recommended by codes and the values of prototype

值得注意的是，本試驗(yàn)所模擬的是常規(guī)施工狀況而不是極限破壞狀況，故彈性模量E 對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果的影響是決定性的，所以在單軸抗壓強(qiáng)度Rb與彈性模量E 不能同時(shí)滿足要求時(shí)，首先使彈性模量E滿足要求。模型縱向長(zhǎng)度為500 mm，模型實(shí)體及尺寸見(jiàn)圖3。

圖3 模型實(shí)體及尺寸(單位:mm)Fig.3 Model and its size(unit:mm)

3.3 試驗(yàn)裝置

研究地下洞室圍巖應(yīng)力分布應(yīng)考慮洞室開(kāi)挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)，因此，模擬范圍應(yīng)大于擾動(dòng)區(qū)范圍。本次試驗(yàn)是根據(jù)已有數(shù)值分析結(jié)果作為參考來(lái)確定模型尺寸，在此不再贅述。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，其最大影響范圍橫向?yàn)?8 m 左右，豎向在22 m 左右，由相似關(guān)系，確定試驗(yàn)裝置的尺寸為長(zhǎng)×寬×高=180 cm×50 cm×180 cm。模型試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖4。前立板采用鋼化玻璃和鋼板結(jié)合的方式，外部采用鋼板形成加強(qiáng)肋，以提高前后板的剛度；前后板和側(cè)板之間采用螺栓連接，背板分為兩段，方便拆裝以及填土。

圖4 模型試驗(yàn)裝置(單位:cm)Fig.4 Model test devices(unit:cm)

3.4 量測(cè)系統(tǒng)

圍巖壓力測(cè)試采用鋼弦式壓力盒，精度為0.1 kPa，量程為0.8 MPa；隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力測(cè)試采用箔式電阻應(yīng)變計(jì)，型號(hào)為BX120-1AA，靈敏系數(shù)為2.06～2.12。根據(jù)測(cè)試得到的應(yīng)變計(jì)算出應(yīng)力，由材料力學(xué)知識(shí)即可反算出隧道結(jié)構(gòu)的軸力和彎矩，從而對(duì)其受力特征進(jìn)行分析。測(cè)點(diǎn)布置及隧道模型如圖5 所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Arrangements of measuring points

3.5 試驗(yàn)步驟

本試驗(yàn)以不等跨連拱隧道明挖段為試驗(yàn)對(duì)象，只模擬初期支護(hù)，具體步驟如下：①試驗(yàn)裝置入位后，將隧道結(jié)構(gòu)模型底部、左右側(cè)的巖土回填到位；② 將隧道結(jié)構(gòu)模型入位并將壓力盒埋入，將壓力盒電纜線引出介入數(shù)據(jù)采集箱；③將隧道結(jié)構(gòu)模型上部的覆土回填到位；④ 上述工作準(zhǔn)備好后，開(kāi)始加載，加載開(kāi)始后，每加10 kN 采集數(shù)據(jù)一次，直到隧道模型破壞。部分試驗(yàn)過(guò)程如圖6 所示。

圖6 模型試驗(yàn)過(guò)程Fig.6 Process of model test

4 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 圍巖壓力分布模式

取前15 次加載采集到的數(shù)據(jù)為研究樣本，加載級(jí)別分別為20、40、60、80、100、120、140、160、180、200、220、240、260、280、300 kN。限于篇幅，取部分試驗(yàn)結(jié)果，如圖7 所示。圖中以單線隧道拱頂?shù)膰鷰r壓力為基準(zhǔn)值，取為1.00，其他部位的數(shù)值為該部位與單線隧道拱頂圍巖壓力的相對(duì)值。

由圖可以看出：（1）隧道在中墻頂部的圍巖壓力均大于隧道拱頂處的圍巖壓力；且大洞拱頂處的圍巖壓力是小洞拱頂處圍巖壓力的1.2 倍左右；（2）水平側(cè)壓力小于豎向圍巖壓力，拱頂處的側(cè)壓力小于墻腳處的側(cè)壓力，在小洞側(cè)側(cè)壓力系數(shù)平均約為0.55，大洞側(cè)平均約為0.65；同時(shí)可以明顯地看出，大洞側(cè)的側(cè)壓力大于小洞側(cè)的側(cè)壓力。

圖7 不等跨連拱隧道圍巖壓力分布圖Fig.7 Surrounding rock pressure distributions of unequal-span double-arch tunnel

根據(jù)不同加載條件下得到的圍巖壓力分布結(jié)果，經(jīng)過(guò)對(duì)多組樣本的統(tǒng)計(jì)分析，得出了無(wú)量綱的分布特征，綜合目前的規(guī)范、隧道設(shè)計(jì)手冊(cè)等中淺埋條件下圍巖壓力的分布特征，對(duì)實(shí)測(cè)圍巖壓力進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，最終，參照《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》中淺埋無(wú)偏壓連拱隧道的圍巖壓力分布特征，得到不等跨連拱隧道無(wú)偏壓情況下圍巖壓力分布模式，如圖8 所示。圖中以單線隧道拱頂位置的圍巖壓力為基準(zhǔn)值，取為1.00，其他部位的數(shù)值為該部位與單線隧道拱頂圍巖壓力的相對(duì)值。

圖8 不等跨隧道圍巖壓力分布模式Fig.8 Surrounding rock pressure distribution mode of unequal-span double-arch tunnel

需要注意的是，本試驗(yàn)得到的側(cè)壓力系數(shù)為靜止土壓力與被動(dòng)土壓力共同作用下的側(cè)壓力系數(shù)，其值應(yīng)大于靜止土壓力系數(shù)，所以基于圖8 中圍巖壓力分布模式的隧道設(shè)計(jì)還是偏于安全的。

4.2 不對(duì)稱連拱隧道受力特征研究

取前15 次加載噸位采集到的數(shù)據(jù)為研究樣本，加載噸位同4.1 節(jié)所示。限于篇幅，取部分試驗(yàn)結(jié)果，如圖9 所示。

由圖可以看出：（1）不論在隧道的拱頂、拱腰、邊墻還是仰拱，偏心距都很小，隧道結(jié)構(gòu)總體為小偏心壓彎構(gòu)件；（2）大洞所承受的軸力總體比小洞承受的軸力大20%～30%，因此，建議在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大、小洞采用非等參支護(hù)，大洞考慮適當(dāng)加強(qiáng)；（3）不管是大洞還是小洞，最大軸力均出現(xiàn)在拱圈部位以及仰拱部位，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)這些關(guān)鍵部位應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

圖9 不等跨連拱隧道結(jié)構(gòu)軸力和彎矩圖Fig.9 Axial force and bending moment diagrams of unequal-span double-arch tunnel

4.3 不對(duì)稱連拱隧道破壞形態(tài)

在試驗(yàn)開(kāi)始后，加載按10 kN 的量級(jí)逐級(jí)遞加，荷載每加10 kN 采集一次數(shù)據(jù)，直到隧道模型發(fā)生破壞。在加載破壞過(guò)程中，隧道模型首先從大洞靠近中隔墻的拱腰部位破壞，其次小洞靠近中隔墻的拱腰破壞，然后大小洞仰拱靠近中隔墻的部位相繼破壞，最后直至整個(gè)隧道體系失穩(wěn)破壞。從整個(gè)隧道模型破壞失穩(wěn)的情況來(lái)看，靠近中隔墻的大小洞拱腰及仰拱是設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注的部位。圖10為破壞后的隧道模型，圖中標(biāo)記的是結(jié)構(gòu)破壞部位。

圖10 破壞后的隧道模型Fig.10 Destruction of tunnel model

5 結(jié) 論

（1）對(duì)于明挖段不等跨連拱隧道，隧道中隔墻頂部的圍巖壓力均大于隧道拱頂處的圍巖壓力，且大洞拱頂處的圍巖壓力是小洞拱頂處圍巖壓力的1.2 倍左右；水平側(cè)壓力均小于豎向圍巖壓力，拱頂處的側(cè)壓力小于墻腳處的側(cè)壓力，且大洞側(cè)的側(cè)壓力大于小洞側(cè)的側(cè)壓力；小洞側(cè)側(cè)壓力系數(shù)平均為0.55，大洞側(cè)側(cè)壓力系數(shù)平均為0.65。并最終獲得了不等跨連拱隧道的圍巖壓力分布模式，為今后不等跨連拱隧道的設(shè)計(jì)與施工提供一定的借鑒和依據(jù)。

（2）在圍巖壓力作用下，襯砌結(jié)構(gòu)偏心距都很小，隧道結(jié)構(gòu)總體為小偏心壓彎構(gòu)件；大洞所承受的軸力總體比小洞承受的軸力大20%～30%，因此，建議在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大、小洞采用非等參支護(hù)，大洞考慮適當(dāng)加強(qiáng)；不管是大洞還是小洞，最大軸力均出現(xiàn)在拱圈、仰拱部位，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)這些關(guān)鍵部位應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

（3）在加載過(guò)程中，隧道首先從大洞靠近中隔墻的拱腰部位破壞，其次小洞靠近中隔墻的拱腰破壞，然后大小洞仰拱靠近中隔墻的部位相繼破壞，最后直至整個(gè)隧道體系失穩(wěn)破壞。從整個(gè)隧道模型破壞失穩(wěn)的情況來(lái)看，靠近中隔墻的大小洞拱腰及仰拱是設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的部位。

（4）本文的研究成果適用于不等跨連拱隧道的明挖段，對(duì)于暗挖段不等跨連拱隧道的圍巖壓力分布及受力特征，還有待于進(jìn)一步研究。

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