土質(zhì)隧道考慮時空效應(yīng)的施工力學(xué)行為分析

楊軍平，王沾義，李盛南，唐偉

(1.桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004;2.賀州市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，廣西 賀州 542800)

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土質(zhì)隧道考慮時空效應(yīng)的施工力學(xué)行為分析

楊軍平1，2，王沾義1，李盛南1，唐偉1

(1.桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004;2.賀州市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，廣西 賀州 542800)

通過對膨脹土隧道開展動態(tài)施工力學(xué)的物理模型試驗，得出各測點在洞室開挖和襯砌支護條件下的圍巖應(yīng)力—時間響應(yīng)曲線。根據(jù)響應(yīng)曲線對施工過程中圍巖隨時間及空間條件的變化而呈現(xiàn)的力學(xué)響應(yīng)及行為表現(xiàn)進行分析，并將響應(yīng)曲線的發(fā)展變化趨勢按開挖和支護分為不同階段，其中開挖過程分為零增長、微增長、急劇下降 、緩慢減小和相對平穩(wěn)5個階段；支護過程分為急劇增長和緩慢下降2個階段。此外，通過對隧洞豎向線及水平腰線上距洞室邊緣不同距離測點的分析，表明隨著距離的增大，由隧洞開挖導(dǎo)致的圍巖應(yīng)力釋放量減少，釋放速率減緩，力學(xué)響應(yīng)敏感度降低，襯砌支護對圍巖力學(xué)特性的影響也逐漸減弱。

土質(zhì)隧道；時空效應(yīng)；應(yīng)力釋放；回彈位移；響應(yīng)曲線

隧道屬于地下結(jié)構(gòu)的一種，較之于一般地面建筑物具有明顯的區(qū)別。該區(qū)別主要表現(xiàn)在其施工修筑及后期工作一般都是處在具有一定應(yīng)力歷史和應(yīng)力場的圍巖環(huán)境中[1]。隧道在開挖施工前，巖體中本身客觀存在著一個經(jīng)歷長期固結(jié)過程而形成的初始應(yīng)力場，且隨應(yīng)力場深度的不同其應(yīng)力勢能各不相同。隧道尤其是軟弱土質(zhì)圍巖隧道的開挖，使得初始地層應(yīng)力場的平衡狀態(tài)遭到較大程度的破壞[2]。隧道開挖將原本承受一定荷載的巖體挖出，致使洞室周邊圍巖的邊界條件由原來初始地應(yīng)力狀態(tài)下的固定穩(wěn)態(tài)邊界轉(zhuǎn)變成擾動后的自由動態(tài)邊界，從而引起圍巖發(fā)生相應(yīng)的力學(xué)響應(yīng)及行為表現(xiàn)，這一方面表現(xiàn)在圍巖應(yīng)力釋放引發(fā)應(yīng)力重分布，另一方面使洞周圍巖產(chǎn)生向洞室內(nèi)空方向的位移。但因開挖面具有一定的空間約束效應(yīng)，使得應(yīng)力釋放及圍巖位移現(xiàn)象不會在瞬間完成也不會無休止進行下去直至隧洞坍塌[3]，因為隧道會充分利用這種空間效應(yīng)及結(jié)合洞室頂部的壓力拱效應(yīng)[4]形成自承能力。而當(dāng)襯砌施筑并形成有效的圍巖支護體系后，邊界條件再次變化，圍巖的位移發(fā)展將受到限制，但是在軟弱圍巖的流變時效特性下，整個隧道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的圍巖應(yīng)力，還將繼續(xù)發(fā)生調(diào)整尋求新的平衡穩(wěn)定狀態(tài)。

目前，在上述圍巖位移及應(yīng)力釋放的隧道施工力學(xué)的研究過程中，大部分都集中于隧道開挖對圍巖位移的影響研究，如陳建勛等[5]對黃土隧道的施工變形進行了現(xiàn)場測試；扈世民等[6]結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗，分析了臺階法施工時的圍巖變形特征；蔣樹屏等[7]對二車道公路隧道的圍巖位移開展了模型試驗研究；Hwang等[8-9]通過數(shù)值模擬的方式對基于時空效應(yīng)的隧道施工進行了相關(guān)研究，并取得了不少具有實際價值的研究成果。在圍巖應(yīng)力的研究方面，吳夢軍等[10]開展了連拱隧道的模型試驗研究，繪制了應(yīng)力釋放比率的歷時曲線，并認(rèn)為開挖面前方存在圍巖壓力增壓區(qū)。趙勇等[11]通過對隧道施工過程中荷載變化規(guī)律的研究，發(fā)現(xiàn)開挖面的推進對洞周圍巖徑向荷載的釋放起主要影響。此外，王清標(biāo)等[12-13]，還對膨脹土區(qū)域的隧道進行了一定的研究，也得出了一些頗具價值的理論成果。然而美中不足的是，上述研究少有對整個施工過程中應(yīng)力釋放的發(fā)展變化過程進行描述和分析。而對軟弱土質(zhì)隧道在整個應(yīng)力釋放過程中的施工力學(xué)行為進行深入研究，有利于了解該類隧道在隧洞開挖及襯砌支護的動態(tài)施工過程中，圍巖隨邊界條件的改變而做出的基于時空效應(yīng)的施工力學(xué)響應(yīng)及行為規(guī)律[14]。本文擬通過開展以膨脹土隧道為代表的軟弱土質(zhì)隧道的物理模型試驗，考慮開挖面空間支撐效應(yīng)和流變時效特性的耦合效應(yīng)，對軟弱土質(zhì)隧道的施工力學(xué)特性進行分析，描述洞室開挖和襯砌支護時圍巖的應(yīng)力發(fā)展變化規(guī)律及力學(xué)響應(yīng)和行為表現(xiàn)，并對各階段圍巖應(yīng)力釋放率、應(yīng)力影響深度進行分析，以對同類地質(zhì)條件下的隧道施工提供借鑒和參考。

1　模型試驗

1.1工程資料

某隧道由左右2個單洞雙車道隧道組成，隧洞凈寬為9.75 m。隧道圍巖為第三系弱膨脹性亞黏土，穩(wěn)定性較差，隧洞施工開挖時，拱部及側(cè)壁時有坍塌或失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生。隧道圍巖膨脹土物理力學(xué)指標(biāo)見表1所示，土樣命名為高液限黏土，具有弱膨脹性。

1.2圍巖材料

本模型試驗所用圍巖材料均為取自廣西南寧畜牧研究所水牛養(yǎng)殖場附近的膨脹土，取土深度為50～70 cm，外觀棕黃色，呈硬塑狀態(tài)，并夾有灰白色黏土，含水量較大。以膨脹土代替相似材料制作隧道模型，其優(yōu)勢在于有效降低相似材料與實際工程材料之間的差異，使試驗結(jié)果更接近于實際。此外，該地區(qū)的膨脹土主要由第三系湖相沉積泥巖、粉質(zhì)砂巖及其風(fēng)化殘積物形成，局部則由上述巖土風(fēng)化物經(jīng)流水搬運沖積形成。其基本物理力學(xué)指標(biāo)見表1，表中密度、凝聚力、摩擦角、泊松比及變形模量均是在模型成型后取樣測得。從表1可知，隧道模型的圍巖各物理力學(xué)指標(biāo)均與原型較為接近。根據(jù)文[15]中各級土質(zhì)圍巖的基本物理力學(xué)參數(shù)表可知成型后的圍巖等級為Ⅴ級，且由自由膨脹率知其具有弱膨脹性。

1.3試驗設(shè)備簡介

本試驗所有測點的圍巖應(yīng)力均是通過高速靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)而獲得，該測試系統(tǒng)主要由電阻應(yīng)變式土壓力盒、高速靜態(tài)應(yīng)變儀和計算機3部分組成，可對圍巖應(yīng)力變化值實施自動連續(xù)的實時采集。其中高速靜態(tài)應(yīng)變儀型號為DH3818-2，該應(yīng)變儀可廣泛用于土木、交通、機械等領(lǐng)域，若配接其他合適的應(yīng)變式傳感器，還可對位移、溫度等物理量進行量測。該儀器測試應(yīng)變范圍±19 999 με；分辨率為1 με；自動平衡范圍±15 000 με；靈敏度系數(shù)K=2。土壓力盒采用長沙翔昊電子科技有限公司生產(chǎn)的XHZ-403型電阻應(yīng)變式土壓力盒(見圖2)，其和DH3818-2采用全橋方式連接。土壓力盒外觀尺寸為Φ30×13 mm，量程為0.3 MPa，分辨率為≤0.05%F·S。該系列土壓力盒較為適用于隧道等地下結(jié)構(gòu)工程的動、靜態(tài)測試，又因其體積小、靈敏度高的特點在室內(nèi)模型試驗或較小比例的模型試驗中的工作性能尤為突出。

表1　材料的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanics parameters of material

1.4模型箱設(shè)計

模型箱由前、后大面板和左、右側(cè)面板通過螺栓栓接而成，其中各板均為100 mm厚的高強鋼板且端部焊接有角鋼。模型箱主要是作為隧道模型夯筑時的模具以及為圍巖提供邊界約束條件。由于本試驗?zāi)M的是平面應(yīng)變問題，故模型箱沿隧洞軸線方向的設(shè)計厚度取40 cm。另外，按試驗要求隧洞直徑設(shè)計為18 cm，取圍巖深度為3～5倍洞徑，從而確定模型箱其他兩個方向凈空尺寸為110 cm×110 cm。根據(jù)原型尺寸和模型設(shè)計尺寸并參照文[16]，可以得出幾何相似比Cl=54.17，容重相似比Cγ=1.01，Cc=1.97，CE=1.35。

1.5隧道模型成型

膨脹土取回后，經(jīng)翻曬、風(fēng)干、碾細(xì)、過2 mm篩等工序測得風(fēng)干含水率，通過分層灑水、均勻混合的方法配成所需含水率的重塑土。并按控制干密度1.6 g/cm3和重塑土實測含水率26.43%進行模型的夯筑。

夯筑前，根據(jù)控制干密度和重塑土實測含水率計算每2 cm厚為一層所需的土量，并通過人工進行分層夯實。夯筑過程中，各土壓力盒均根據(jù)預(yù)先設(shè)計好的測點位置，按要求依次埋置于相應(yīng)部位，因模型及試驗條件左右對稱，故只對圍巖中的測試元件進行單側(cè)布置，見圖1所示。其中各土壓力盒的埋設(shè)是將其受力面垂直于隧洞徑向線的方式埋置，如圖2所示。夯筑完畢后，蓋上頂板并以混凝土澆筑塊作為等效靜載，在頂板上均勻施加載荷約2.3 kN，折算成土層厚度相當(dāng)于1.5倍洞徑的厚度。隨后接通測試系統(tǒng)，將模型靜置3 d，觀察圍巖應(yīng)力的變化情況，待其發(fā)展穩(wěn)定后，進行隧洞開挖。

圖1　土壓力盒布置圖Fig.1 Layout drawing of soil pressure cells

圖2　土壓力盒及其埋設(shè)Fig.2 Soil pressure cell and embedding

1.6隧道開挖

本模型試驗的隧道設(shè)計洞徑為18 cm，截面形式為圓形截面。隧洞施工采取全斷面開挖方式以人工開挖的方法來進行模擬開挖過程。施工共分為20個開挖段，每段進尺2 cm，開挖行進方向為自左向右，從上午10∶20開始持續(xù)至下午12∶53完成，如圖8所示。圖中10∶20為開挖開始時刻，10∶49為第5開挖段結(jié)束(10 cm處)時刻，11∶35為開挖至監(jiān)測斷面(20 cm處)時刻，12∶14為第15開挖段結(jié)束(30 cm處)時刻，12∶53為洞室貫通時刻。此外，因膨脹土對水分的變化極為敏感[17]，在隧道貫通后，為防止圍巖長時間暴露于大氣中引起吸水膨脹或失水收縮而造成圍巖穩(wěn)定性問題，應(yīng)在開挖完成后適時將襯砌施作于隧洞內(nèi)，本試驗在隧洞貫通后30 min開始施作襯砌。襯砌施作完畢后，采用注漿器及時注射水泥凈漿將襯砌和圍巖之間的間隙填充密實，以保證圍巖和襯砌之間的壓力正常傳遞，成型后的隧道模型見圖3。

圖3　隧道模型Fig.3 Tunnel model

2　試驗結(jié)果及分析

2.1初始地應(yīng)力計算

模型成型后隧道上覆土層的厚度可參考圖1中的尺寸來計算，由圖中可知，隧洞上覆土層的厚度應(yīng)為0.61 m，但由于土量不足上部有0.12 m的厚度留余。另外，因試驗要求，模型頂部有0.10 cm厚土層的壓實度按原來的一半密實度進行夯筑。同時，在模型頂部均勻?qū)ΨQ布置了2.30 kN的等效靜載以折算成等量巖體厚度。

計算所需參數(shù)如下：

模型箱尺寸：l=1.1 m，b=0.4 m，土體重度γ=19.47 kN/m3

原巖厚度：

h靜1=0.61 m-0.12 m-0.05 m=0.44 m

等效靜載應(yīng)力：

等效靜載折算厚度：

上覆土層總厚度：

h=h靜1+h靜2=0.44 m+0.269 m=0.709 m

洞頂土層自重應(yīng)力：

σ靜=0.709 m×19.47 kN/m3=13.80 kPa

2.2試驗結(jié)果

施工力學(xué)行為包括隧洞開挖和襯砌支護2個部分，本試驗對2個部分在施工過程中圍巖應(yīng)力的變化數(shù)據(jù)進行了采集，并將采集到的12個測點的圍巖應(yīng)力值和時間的關(guān)系繪制成圖4～7所示的應(yīng)力—時間響應(yīng)曲線，其中應(yīng)力值均是由土壓力盒所輸出的實測值按出廠標(biāo)定系數(shù)轉(zhuǎn)換而得。

圖4　豎向線上(隧洞下側(cè))各測點應(yīng)力—時間響應(yīng)曲線Fig.4 Stress-time response curves of each measuring points on vertical line (beneath the tunnel)

圖5　水平線上各測點應(yīng)力—時間響應(yīng)曲線Fig.5 Stress-time response curves of each measuring points on horizontal line

圖7　洞周環(huán)向各測點應(yīng)力—時間響應(yīng)曲線Fig.7 Stress-time response curves of each measuring points around the tunnel

2.3試驗結(jié)果分析

圖7為沿洞周環(huán)向布置的各測點的應(yīng)力—時間響應(yīng)曲線。從圖中可知，監(jiān)測斷面的圍巖應(yīng)力值，隨洞室開挖面的推進及襯砌的支護而呈不同的發(fā)展變化趨勢，其主要可分為洞室開挖及襯砌支護2個階段。

洞室開挖階段又可分為零增長、微增長、急劇下降 、緩慢減小和相對平穩(wěn)5個階段。零增長階段表明離監(jiān)測斷面較遠處的土體開挖對監(jiān)測斷面處的巖土力學(xué)行為幾乎沒有影響，說明隧洞開挖對前方土體的影響深度有限。該階段大致在開挖面離監(jiān)測斷面5個開挖段(約10 cm)處結(jié)束，說明隧洞開挖對前方土體的力學(xué)影響深度大致在5個開挖段(約10 cm)以內(nèi)。

微增長階段反映了隨開挖面的推進，開挖面前方一定區(qū)域的土體發(fā)生了荷載聚集。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要在于監(jiān)測斷面后側(cè)的土體本來處于初始地應(yīng)力平衡狀態(tài)，其本身承受著一定的原始土壓力，而隨洞室施工土體被挖出，其所承受的土壓力被迫轉(zhuǎn)移到周圍土體上，其中大部分轉(zhuǎn)移到洞周兩側(cè)土體上并向深部擴展，小部分轉(zhuǎn)移到掌子面前側(cè)未被挖去的土體上，致使出現(xiàn)荷載聚集現(xiàn)象。在各測點中，測點7的荷載聚集量最為明顯，這是因為洞室兩側(cè)土體是承受上部土體荷載的主要承載部位。從圖8中可知，當(dāng)開挖面臨近監(jiān)測面時，測點7的應(yīng)力釋放率負(fù)增長量最大，這除了上述原因外，測點7的總應(yīng)力釋放量較小也是一方面原因。該階段從第6開挖段初(10 cm處)延續(xù)到第9個開挖段末(18 cm處)結(jié)束。

圖8　洞周圍巖應(yīng)力釋放時空效應(yīng)曲線Fig.8 Space-time effect curves of stress release of wall rock around tunnel chamber

當(dāng)開挖面推進到第9個開挖段初時，因監(jiān)測面處的土體被挖出，圍巖應(yīng)力值進入急劇下降階段或稱應(yīng)力主釋放階段，說明監(jiān)測面處的圍巖壓力主要由該斷面處的土體所承受，其前后兩側(cè)的土體僅能分擔(dān)很小一部分。從圖7～8中可知，應(yīng)力急劇減小階段主要發(fā)生在開挖面距監(jiān)測面一個開挖段到通過監(jiān)測面第2個開挖段末即第9～12開挖段(18～24 cm)之間，其中測點7(拱腰)處的應(yīng)力釋放速率最快，持續(xù)時間最短，測點2(底板)處速率最慢，持續(xù)時間最長，測點9(拱頂)處介于二者之間。

緩慢減小階段或稱應(yīng)力次釋放階段，從第13開挖段初(24 cm)處至洞室貫通。在這個階段中，隨開挖面的推進，監(jiān)測斷面的圍巖應(yīng)力值呈逐漸遞減趨勢，其主要由開挖面離監(jiān)測斷面逐漸變遠，所起的支撐效應(yīng)越來越弱以及圍巖應(yīng)力重分布2部分所致。這種支撐效應(yīng)主要表現(xiàn)在該階段的前幾個開挖段即開挖面離監(jiān)測斷面較近的幾個開挖段，這說明監(jiān)測斷面前側(cè)和后側(cè)土體的開挖，對監(jiān)測斷面的圍巖應(yīng)力具有一定的影響，其主要表現(xiàn)為后側(cè)土體的開挖對監(jiān)測斷面產(chǎn)生荷載聚集效應(yīng)，前側(cè)土體的開挖會降低土體對監(jiān)測斷面的支撐效應(yīng)。

相對平穩(wěn)階段或稱圍巖應(yīng)力重分布階段，該階段持續(xù)時間為30 min，從隧洞貫通持續(xù)到襯砌施作開始，該階段主要體現(xiàn)了圍巖本身具有一定的自穩(wěn)能力。從各測點應(yīng)力變化值來看，該值在襯砌支護前已達到相對穩(wěn)定狀態(tài)，說明隧洞開挖使圍巖應(yīng)力得到釋放且洞周圍巖的初始應(yīng)力勢能基本釋放殆盡。這可以從隧洞頂部處地層應(yīng)力理論值13.08 kPa以及測點9的應(yīng)力—時間響應(yīng)曲線中得到解釋，測點9的總應(yīng)力最大釋放值約為10 kPa，排除靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)的測試誤差及土壓力盒埋設(shè)時余坑的回填密實度的影響，此值已較為接近地層應(yīng)力理論值13.08 kPa。

襯砌支護階段可分為急劇增長和緩慢下降2個階段。急劇增長階段主要反映了襯砌對圍巖的擠壓效應(yīng)。隧洞開挖的洞室直徑是按照襯砌外徑尺寸而確定的，在隧洞土體挖除到襯砌支護這一圍巖應(yīng)力重分布的過程中，圍巖產(chǎn)生了向洞室內(nèi)空的位移，使得洞室毛洞直徑減小。但隨襯砌被緩慢施作于洞室內(nèi)，因圍巖位移而減小的洞室直徑又被擴大到初始洞徑，此時造成圍巖土體被擠壓，所產(chǎn)是擠壓效應(yīng)致使應(yīng)力值急劇增大；緩慢下降階段主要反映的是由于襯砌的施作而導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生2次應(yīng)力重分布，該階段的產(chǎn)生是局部的，主要表現(xiàn)在洞周附近的圍巖中。從圖5及圖6中距洞室邊緣不同距離的各測點的響應(yīng)曲線中可以看出，隨距離的增大，襯砌的施作對圍巖應(yīng)力的影響逐漸減弱。

另外，從圖4～6可知，隧洞豎直線及水平腰線上距洞室邊緣不同距離布設(shè)的測點，隨距離的增大，不管是隧洞開挖還是襯砌支護均對各測點圍巖應(yīng)力的影響逐漸減弱。這種減弱主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1)隨距離的增大，由隧洞開挖導(dǎo)致的各測點的圍巖應(yīng)力釋放量逐漸減少。由圖9可知，圍巖應(yīng)力釋放量的比率從洞周向圍巖深部逐漸減小，且釋放量主要表現(xiàn)在2倍洞徑范圍內(nèi)，說明隧洞開挖對圍巖應(yīng)力的影響深度大致在2倍洞徑范圍以內(nèi)。此外，從圖5來看，測點7的應(yīng)力釋放值約為6 kPa，測點6約為3.5 kPa，測點5約為3 kPa，而測點4幾乎不受影響，也表現(xiàn)出了逐級遞減的規(guī)律，其中測點6的釋放值較測點7大幅減少，這主要是因為在洞室土體被挖除后，洞室頂部土體通過壓力拱將其自重應(yīng)力轉(zhuǎn)移至洞室兩側(cè)土體中，而這種轉(zhuǎn)移過來的應(yīng)力的水平分力正好能給測點6處的圍巖應(yīng)力釋放起到一定的阻止效果，因此有效的減小了該處的應(yīng)力釋放。2)隨距離的增大，襯砌支護對各監(jiān)測點的應(yīng)力影響也表現(xiàn)出逐漸減弱的規(guī)律，同樣從圖5中可知，測點7受襯砌支護影響的應(yīng)力突變值約為9 kPa，測點6約為5.5 kPa，測點5約為1 kPa，而最遠的測點4無任何影響。3)洞周圍巖受洞室開挖和襯砌支護影響的巖土力學(xué)響應(yīng)及行為表現(xiàn)最為敏捷，越往圍巖深處的測點，其相應(yīng)的力學(xué)響應(yīng)及行為表現(xiàn)呈現(xiàn)出不同程度的遲滯效應(yīng)。這從圖5中可知，受洞室開挖的影響，測點7最先進入應(yīng)力急劇下降階段，隨后測點6及測點5才依次出現(xiàn)相應(yīng)的力學(xué)響應(yīng)。而受襯砌支護的影響，測點7也最先進入應(yīng)力急劇增長階段，隨后測點6和測點5依次進入該階段。4)洞室開挖導(dǎo)致各測點圍巖應(yīng)力釋放速率不同，且釋放的持續(xù)時間也不同。其主要表現(xiàn)為洞周圍巖應(yīng)力釋放速率較快，而隨深度的增加，其應(yīng)力釋放速率逐漸減緩。從圖4～6中均可以看到，洞周各測點的響應(yīng)曲線中急劇下降階段的斜率最大，越往圍巖深部這種斜率越小。從圖7～8中可知，洞周各測點的應(yīng)力一般在15 min之內(nèi)(2～3個開挖段內(nèi))釋放80%，而圖4～6中諸如測點1，測點5，測點6，測點10和測點11等測點的應(yīng)力釋放的持續(xù)時間都表現(xiàn)出不同程度的延長現(xiàn)象。5)隧洞上部各測點的圍巖應(yīng)力受襯砌施作的影響稍小。其原因在于上部圍巖在隧洞土體開挖后產(chǎn)生了向洞室內(nèi)空方向的較為明顯的位移，此位移一般包括2部分即因土體的固結(jié)而產(chǎn)生的回彈位移以及在重力場作用下土體自重而引起的豎向位移。由于這種位移相對較大，且影響范圍較廣，促使圍巖深部的土體結(jié)構(gòu)變得松弛，又因重力的作用使得襯砌支護對圍巖土體產(chǎn)生的擠壓效應(yīng)難以延伸到圍巖深部，因此僅表現(xiàn)在洞周圍巖區(qū)域內(nèi)，這從圖6中測點9及測點10的響應(yīng)曲線中可得到印證，其中測點9的圍巖應(yīng)力突變值為8 kPa，而測點10的僅為2 kPa。

圖9　不同圍巖深度處的應(yīng)力釋放比率Fig.9 Stress release ratio of different wall rock depth

除上述規(guī)律外，沿洞周環(huán)向布置且處于不同位置的測點，所受隧洞開挖和襯砌施作的影響也不同。從圖7中可以看到，由隧洞開挖而引起圍巖應(yīng)力急降的各測點中，測點2急降值約為9 kPa，測點3約為7 kPa，測點7約為6 kPa，測點8約為5 kPa，測點9約為8 kPa。各測點急降值不同的原因主要由2個方面組成，一方面是因各測點處的初始地層應(yīng)力不同所導(dǎo)致；另一方面是因土壓力盒按其受力面垂直于隧洞徑向線方向而埋設(shè)，致使3號，7號和8號土壓力盒和土體自重應(yīng)力成一定的角度，使得監(jiān)測到的應(yīng)力值相比于2號和9號土壓力盒有所折減。由襯砌支護而引起的圍巖應(yīng)力變化值激增的各測點中，測點2所受的影響最為明顯其突變值為14 kPa，這是由于該處圍巖位移量最小，僅由固結(jié)回彈位移組成，土體結(jié)構(gòu)仍較為密實，受到襯砌擠壓后，土體的壓力傳遞仍較為敏感。測點7的突變值為8 kPa，該值小于測點2的突變值，其原因在于土體開挖后的圍巖位移量是由土體向洞室內(nèi)空固結(jié)回彈位移和因上部土體壓力引起的向洞室外側(cè)的外鼓位移兩者疊合組成，因二者位移方向相反，所以減小了圍巖位移量，減弱了襯砌對圍巖的擠壓效應(yīng)，導(dǎo)致突變值稍小。測點9的突變值約為8 kPa，其值小于測點2的主要原因參見上述第5點所述。

3　結(jié)論

1)分析施工過程中膨脹圍巖隨時間及空間條件的變化而呈現(xiàn)出的力學(xué)響應(yīng)及行為表現(xiàn)，得出各測點在洞室開挖和襯砌支護條件下的圍巖應(yīng)力—時間響應(yīng)曲線，并將響應(yīng)曲線的發(fā)展變化趨勢按開挖和支護分為不同的階段，其中洞室開挖過程可分為零增長、微增長、急劇下降 、緩慢減小和相對平穩(wěn)5個階段；襯砌支護過程可分為急劇增長、緩慢下降2個階段。

2)隧洞豎向線及水平腰線上距洞室邊緣不同距離的測點，其圍巖應(yīng)力釋放量的比率從洞周向圍巖深部逐漸減小，且釋放量主要表現(xiàn)在2倍洞徑范圍內(nèi)，說明隧洞開挖對圍巖應(yīng)力的影響深度大致在2倍洞徑范圍以內(nèi)。此外，隨距離的增大，圍巖應(yīng)力釋放速率逐漸減緩，釋放持續(xù)時間增長，圍巖的巖土力學(xué)響應(yīng)及行為表現(xiàn)的敏感度也逐漸減弱，且隨深度的增加呈現(xiàn)不同程度的遲滯特性。

3)因膨脹土對水分的變化極為敏感，在今后對膨脹土隧道施工力學(xué)的研究中，可考慮不同含水率條件對隧道施工的力學(xué)響應(yīng)及行為表現(xiàn)的影響。

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Analysis on construction mechanics behavior of soil tunnelconsidering space-time effect

YANG Junping1,2,WANG Zhanyi1,LI Shengnan1,TANG Wei1

(1.Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Guilin University of Technology,Guilin 541004, China;2.Bureau of Housing and Urban-Rural Construction of Hezhou, Hezhou 542800, China)

Based on the physic model test of dynamic construction mechanics of expansive soil tunnel, the wall rock stress-time responsive curves of each measuring points were gained under the conditions of tunnel excavation and lining construction. According to the response curves, the mechanical response and behavioral expression of wall rock based on the changes of time and space condition during construction process are analyzed, and the developing and changing tendency of responsive curves are divided into different stages according to tunnel excavation and lining construction. The tunnel excavation process can be divided into five stages: zero increase, slight increase, dramatic decrease, slight decrease, relatively stable. Likewise, the lining construction process can also be divided into dramatic increase and slight decrease. Besides, through the analysis of measuring points with different distance from the tunnel chamber edge and local on vertical and horizontal line, it is indicated that with the increase of distance, the magnitude of wall rock stress release will reduce. At the same time release rate will drop and the sensitive of mechanical response will decrease because of tunnel excavation. Meanwhile, the impact that lead by lining construction for mechanical properties of wall rock will weaken gradually.

soil tunnel; space-time effect; stress release; springback displacement; responsive curve

2015-12-23

國家自然科學(xué)基金資助項目(51368014)

楊軍平(1971-)，男，湖南永州人，副教授，博士，從事地下結(jié)構(gòu)及隧道工程的研究；E-mail：529454826@qq.com

U459.2

A

1672-7029(2016)10-2009-09