不同荷載下巷道圍巖與管片力學(xué)特性的模型試驗研究

劉 波 劉璐璐 聶鵬周 羅興浩

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083； 2. 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京市海淀區(qū)，100083)

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不同荷載下巷道圍巖與管片力學(xué)特性的模型試驗研究

劉 波1，2劉璐璐1聶鵬周1羅興浩1

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083； 2. 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京市海淀區(qū)，100083)

以頂部逐級加載的方式模擬巷道埋深變化，通過相似模型試驗對圓形巷道圍巖位移、管片結(jié)構(gòu)軸力和彎矩隨頂部荷載增加的變化規(guī)律進行研究。試驗結(jié)果表明，隨著荷載的增大，圍巖徑向位移逐漸增大，且豎直方向圍巖的位移明顯大于水平方向圍巖的位移，而水平方向和豎直方向上會有不同范圍的塑性區(qū)域產(chǎn)生；管片軸力和彎矩均隨著荷載的增大而增大；管片中各處軸力均為壓應(yīng)力，且側(cè)腰處軸力最大，而頂部軸力最?。还芷敳亢偷撞繛檎龔澗?，側(cè)腰處為負(fù)彎矩，且兩側(cè)腰處彎矩大小接近。接頭的位置對管片軸力和彎矩的影響較小。實際工程中可根據(jù)巷道深度的變化，適當(dāng)調(diào)整管片結(jié)構(gòu)的設(shè)計強度。

模型試驗 荷載 圍巖位移 管片軸力 管片彎矩

隨著現(xiàn)代煤礦開采深度和井巷長度的增加，傳統(tǒng)爆破法的缺點在礦井施工過程中日益明顯，而TBM法以其快速、安全、經(jīng)濟等優(yōu)點逐漸被應(yīng)用于斜井建設(shè)中。采用TBM法進行斜井施工，是一個由淺到深的過程。隨著埋深的增加，斜井圍巖的位移和裝配式襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力均會發(fā)生較大的變化，對工程安全有重要影響。對不同埋深情況下巷道圍巖位移和襯砌內(nèi)力變化規(guī)律進行研究分析，可有效對工程事故的產(chǎn)生進行預(yù)測并采取相應(yīng)預(yù)控措施。

室內(nèi)相似模型試驗可以更加直觀地描述不同埋深下圍巖位移、管片內(nèi)力的變化特征，對巷道開挖進行模型試驗研究具有重要工程意義。國內(nèi)外學(xué)者采用相似模型試驗對開挖后圍巖的變形和破壞規(guī)律進行了研究，但對不同埋深條件下圍巖位移、管片內(nèi)力變化特性的研究并不多。本文采用頂部加載的方式模擬巷道埋深的變化，通過相似模型試驗研究圍巖頂部荷載變化對巷道圍巖徑向位移、管片軸力和彎矩值變化的影響規(guī)律，并與理論計算結(jié)果進行對比分析，對變埋深條件下巷道工程安全和管片襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計有重要意義。

1 工程概況

神華新街能源公司臺格廟礦區(qū)斜井總長度為6314 m，斜井坡角為6°，其中斜井井口205 m采用明挖法施工，TBM施工段長度為6109 m，采用具有土壓平衡功能的單護盾TBM掘進，并用單層裝配式襯砌進行支護。礦區(qū)地層分布及TBM斜井位置如圖1所示。

圖1 地層分布及TBM斜井位置示意圖

白堊系下統(tǒng)志丹群地層(地層②)以細砂巖和中-細砂巖互層為主，泥質(zhì)膠結(jié)，底部局部為粗砂巖、砂礫巖，局部夾泥巖；含水層的富水性不均勻，逐漸由弱變強，透水性良好。侏羅系中統(tǒng)安定組地層(地層③)為細-粗砂巖夾層泥巖、泥質(zhì)砂巖組合。侏羅系中統(tǒng)直羅組地層(地層④)上部為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖互層，下部為中-粗砂巖，中夾砂質(zhì)泥巖，含水層富水性差，地下水徑流條件差。侏羅系中統(tǒng)延安組地層(地層⑤)主要為高嶺土質(zhì)膠結(jié)的細砂巖、粉砂巖，分布較連續(xù)，頂部有隔水層，隔水性能良好。各巖層物理基本參數(shù)見表1。襯砌外徑為7300 mm，內(nèi)徑為6600 mm，襯砌管片環(huán)寬1500 mm，厚350 mm，每環(huán)分別由7片組成，包括1片封頂塊、2塊鄰接塊、3塊標(biāo)準(zhǔn)塊和1塊仰拱塊，塊與塊之間采用14根M24環(huán)向彎螺栓鏈接，環(huán)與環(huán)之間采用16根M24縱向彎螺栓鏈接。襯砌管片混凝土采用C40高性能混凝土，鋼筋采用HPB300、HRB335級，管片結(jié)構(gòu)斷面圖如圖2所示。

圖2 管片結(jié)構(gòu)橫斷面圖

巖層埋深/m彈性模量/GPa抗壓強度/MPa粘聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)容重/kN·m-3泊松比②8～3867125242525021③386～506915827252502④506～649101573252502⑤649～6998143322525018

2 模型試驗設(shè)計

2.1 模擬方法

綜合考慮工程原型和室內(nèi)試驗設(shè)備條件，選取模型試驗的幾何相似比為1∶25，在實驗室大型二維模型臺上進行，模型臺尺寸為2400 mm×200 mm×2000 mm，相似材料最高可鋪設(shè)1500 mm。試驗臺架前后有支護模板，頂梁可作為反力架與液壓千斤頂相連，進行圍巖頂部加載。

2.2 相似比設(shè)計和相似材料的選用

根據(jù)模型試驗的基本原理和相似定理，試驗中各物理量相似比的取值為：幾何比為1∶25，應(yīng)力比為1∶37.5，彈性模量比為1∶37.5，位移比為1∶25，粘聚力比為1∶37.5，內(nèi)摩擦角比為1∶1，容重比為1∶1.5，應(yīng)變比為1∶1。

試驗主要研究同一地層中不同頂部荷載對斜井圍巖位移和管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響規(guī)律，故將圍巖材料概化為均勻介質(zhì)。受試驗設(shè)備限制，本次試驗選取巖層②作為模型的原型材料。對于二維模型試驗，由于斜井傾角較小，其影響基本可以忽略，試驗中按照水平巷道進行開挖。

圍巖相似材料選用砂、水泥、石膏和水進行配制，通過室內(nèi)三軸壓縮試驗得到不同配比下的試樣強度值和彈性模量，結(jié)合圍巖物理參數(shù)相似比大小，最終確定圍巖相似材料的單軸抗壓強度為0.33 MPa，彈性模量為186.7 MPa，滿足試驗要求。

模型試驗中為防止襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，襯砌管片相似材料使用彈性材料，本次試驗中采用315 mm×18 mm(外徑×厚度)的PE管進行模擬，PE管材彈性模量為900 MPa，公稱壓力為1 MPa，抗拉強度大于16 MPa，滿足試驗需要。試驗中制作兩環(huán)模擬管片，每環(huán)環(huán)寬100 mm，按照實際工程中管片的分片情況對圓環(huán)進行切割，各環(huán)向斷面上打兩個螺栓孔，通過螺栓進行管片的連接，螺栓采用直徑為2 mm的金屬螺桿進行模擬，孔內(nèi)注密封膠固定螺栓。

2.3 測點布置及試驗過程

巷道開挖造成圍巖應(yīng)力釋放，不同埋深和巖層中圍巖會產(chǎn)生不同程度的變形或破壞，本次試驗的主要目的是研究不同埋深下圍巖-支護相互作用時圍巖徑向位移和管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化規(guī)律，因此開挖后先進行支護，再逐級加載，每次加載穩(wěn)定后進行數(shù)據(jù)監(jiān)測。

試驗過程中采用3個千斤頂同時加載，千斤頂下鋪設(shè)配重塊作為荷載傳遞介質(zhì)，最終配重塊和模擬巖體間鋪設(shè)鋼板，使應(yīng)力傳遞更均勻。本次試驗的主要目的之一是監(jiān)測圍巖徑向位移，故采用全站儀進行監(jiān)測，根據(jù)所測得各點的豎直、水平位移導(dǎo)算出各點徑向位移。千斤頂加載點位置和圍巖位移監(jiān)測點布置如圖3所示。圖中最內(nèi)環(huán)圓環(huán)半徑為r0，依次向外各圓環(huán)半徑為r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、r8和r9，半徑大小如圖中所標(biāo)注，最內(nèi)環(huán)半徑為160 mm，略大于管片半徑。管片應(yīng)變采用金屬應(yīng)變片進行測定，每環(huán)沿環(huán)向方向粘貼12組應(yīng)變片，內(nèi)外各12個，內(nèi)外應(yīng)變片一一對應(yīng)，應(yīng)變片布置如圖4所示，最終根據(jù)管環(huán)材料力學(xué)參數(shù)導(dǎo)算出襯砌管片中軸力和彎矩值。

圖3 加載點及圍巖位移監(jiān)測點布置圖

圖4 管片應(yīng)變監(jiān)測點布置圖

模擬試驗過程如下：安裝適當(dāng)高度的試驗臺架前后模板；在試驗臺中分層鋪設(shè)巖體相似材料，并逐層進行夯實，隨著材料鋪設(shè)高度，逐層安裝前后模板；在鋪設(shè)相似材料的過程中，將土壓力盒埋設(shè)在預(yù)定位置，全部鋪設(shè)完成后進行養(yǎng)護；安裝加載設(shè)備，采集初始土壓力值，測量圍巖初始位移值；開挖并安裝襯砌結(jié)構(gòu)，并注漿使襯砌與圍巖保持密貼，穩(wěn)定后采集初始應(yīng)變，測量位移變化；進行分級加載，實時采集土壓力值和應(yīng)變值，每級荷載穩(wěn)定后監(jiān)測圍巖位移值，直至圍巖產(chǎn)生破壞。

3 試驗結(jié)果及分析

試驗結(jié)果表明，隨著頂部荷載的逐漸增大，對應(yīng)模擬埋深也逐漸增加，巷道圍巖位移和襯砌內(nèi)力均會有所變化。根據(jù)已有相關(guān)經(jīng)驗，本文只研究拱頂和拱腰外側(cè)圍巖徑向位移隨荷載值的變化規(guī)律，以及管片頂部、兩腰和底部的軸力、彎矩隨荷載值的變化規(guī)律，并將監(jiān)測值按相似比換算為實際值進行分析。

3.1 圍巖位移隨頂部荷載的變化規(guī)律

各測點在開挖后、加載前已有一定量的位移，這是由于隧道開挖后，圍巖應(yīng)力釋放對洞周圍巖的影響所致。本試驗中共加載7次，千斤頂液壓表度數(shù)依次為3 MPa、5 MPa、7 MPa、10 MPa、14 MPa、18 MPa和22 MPa，換算為實際荷載即為811 kPa、1329 kPa、1861 kPa、2658 kPa、3987 kPa、4785 kPa和5847 kPa。水平方向圍巖的徑向位移為水平位移，隨頂部荷載的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 水平方向圍巖徑向位移隨頂部荷載的變化規(guī)律

圍巖位移指向洞外，a0、a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8和a9分別表示水平方向上從內(nèi)向外各環(huán)上的位移監(jiān)測點。由圖5可知，水平方向上圍巖徑向位移隨著荷載的增大而增大，且越靠近洞壁處圍巖的位移越大。當(dāng)荷載值增至1861 kPa左右時，a0和a1點的位移產(chǎn)生大幅增長，這是由于隨著荷載的增大，水平方向鄰近洞壁處部分圍巖中出現(xiàn)塑性區(qū)，而塑性區(qū)域內(nèi)圍巖位移變化較大。當(dāng)荷載值增至2658 kPa時，點a2和a3的位移也產(chǎn)生較大增長，說明隨著頂部荷載的不斷增加，水平方向上圍巖塑性區(qū)范圍也相應(yīng)增大。點a8和a9的位移一直變化較小，這是由于距離洞壁處較遠，受圍壓影響較小所致。

豎直上方圍巖的徑向位移為豎直位移，隨頂部荷載的變化規(guī)律如圖6所示。圍巖位移指向洞內(nèi)，d0、d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7和d8分別表示豎直方向上從內(nèi)向外各環(huán)上的位移監(jiān)測點。由圖6可知，豎直方向上圍巖各點徑向位移均隨荷載值的增加而增大，且距離洞壁越近，圍巖位移越大。當(dāng)荷載增至2658 kPa左右時，洞壁處d0點的位移產(chǎn)生較大增長，說明此時拱頂處部分圍巖進入塑性狀態(tài)。隨著頂部荷載值的增加，d1、d2和d3點的位移先后發(fā)生較大變化，說明隨著頂部荷載的增大，拱頂圍巖中塑性區(qū)范圍也逐漸增大。

圖6 豎直方向圍巖徑向位移隨頂部荷載的變化規(guī)律

圖5和圖6的分析結(jié)果表明，豎直方向上圍巖徑向位移明顯大于水平方向上圍巖徑向位移，塑性區(qū)域隨著埋深的增加而擴大，水平方向上圍巖較早產(chǎn)生塑性區(qū)域，且塑性區(qū)域較大，而豎直方向上圍巖塑性區(qū)域相對較小。這是由于試驗中未在水平方向進行同步加載，水平向應(yīng)力小于豎直向應(yīng)力，即側(cè)壓系數(shù)小于1，圍巖在受非均勻壓力的條件下，呈現(xiàn)出此種規(guī)律。

結(jié)合此前相關(guān)學(xué)者對巷道圍巖的彈塑性理論，進行圍巖徑向位移計算，將試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果進行對比分析。根據(jù)本試驗情況，進行相應(yīng)簡化，即不考慮斜井傾角、滲流、剪脹和中間主應(yīng)力的影響。由于加載次數(shù)較多，此處只選取在2658 kPa和4785 kPa荷載作用下的試驗值和理論計算值進行對比分析，計算過程中側(cè)壓系數(shù)取0.5，水平方向和豎直方向圍巖徑向位移對比結(jié)果分別如圖7和8所示。

圖7 水平方向圍巖徑向位移

圖8 豎直方向圍巖徑向位移

由圖7可以看出，在不同荷載值條件下，水平方向圍巖徑向位移試驗值和理論計算值整體變化規(guī)律一致，且相差較??；在距離巷道軸心4～7 m范圍內(nèi)，由于圍巖逐漸進入塑性狀態(tài)，位移值也較大；越往外，圍巖位移變化越平穩(wěn)。由圖8可以看出，不同荷載條件下，豎直方向圍巖徑向位移試驗值和理論值雖有一定偏差，但整體規(guī)律一致。而由于豎直方向上圍巖塑性區(qū)域較小，圖中曲線不能明顯反應(yīng)塑性區(qū)位移的變化規(guī)律。

3.2 管片內(nèi)力隨頂部荷載的變化規(guī)律

采用TDS-303數(shù)據(jù)采集儀進行應(yīng)變片的數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)采集到的應(yīng)變值導(dǎo)算出管片軸力和彎矩值，本次試驗中主要對拱頂、拱腰、拱底等關(guān)鍵位置處的軸力和彎矩變化進行研究和分析。將試驗測得數(shù)據(jù)按應(yīng)力相似比換算成實際值，管片中軸力和彎矩隨荷載的變化規(guī)律分別如圖9和圖10所示。

圖9 不同荷載下管片軸力的變化規(guī)律

由圖9可知，隨著頂部荷載值的增加，管片中各處軸力均逐漸增加，但增長幅度不同，拱腰處應(yīng)力漲幅較大，拱頂和拱底處軸力漲幅相對較小。相同荷載條件下，管片中各處軸力均為壓應(yīng)力，且拱腰位置處軸力最大，拱頂位置處軸力最小。右側(cè)拱腰處應(yīng)變片位置臨近接頭，而最終計算的兩側(cè)拱腰軸力值比較接近，說明管片接頭位置對軸力的影響不大。

由圖10可知，隨著荷載值的增大，管片中各處的彎矩值均不斷增大，拱頂和拱底為正彎矩，且拱底彎矩大于拱頂彎矩；兩側(cè)拱腰處為負(fù)彎矩，相差較小，同樣說明接頭的位置對管片彎矩值的影響較小。

圖10 不同荷載下管片彎矩的變化規(guī)律

綜合可知，在頂部荷載較小時，管片結(jié)構(gòu)中軸力和彎矩值也較小，在保證工程安全的前提下，對管片襯砌結(jié)構(gòu)的強度要求有降低的空間，可采用較低等級混凝土或減小襯砌厚度，以達到節(jié)約成本的目的。

4 結(jié)論

以圍巖頂部逐級加載的方式來模擬巷道埋深變化，進行室內(nèi)相似模型試驗，對不同荷載值條件下圍巖徑向位移、管片軸力和彎矩的變化規(guī)律進行了試驗研究，得到以下結(jié)論：

(1)頂部荷載大小對圍巖徑向位移有顯著影響，豎直方向上圍巖徑向位移明顯大于水平方向圍巖的徑向位移；受側(cè)壓力系數(shù)的影響，水平方向上和豎直方向上圍巖中塑性區(qū)范圍也有所不同；隨著荷載值的增加，圍巖塑性區(qū)范圍也相應(yīng)擴大，作用于襯砌上的力也越大。

(2)管片軸力和彎矩隨著荷載值的增加有明顯的增長，但兩側(cè)拱腰位置處的軸力和彎矩均相差不大，說明管片接頭位置對軸力和彎矩的影響較小。

(3)隨著荷載值的不斷增加，圍巖位移和管片結(jié)構(gòu)受力均會增大，說明實際工程中可根據(jù)埋深的變化，適當(dāng)調(diào)整支護結(jié)構(gòu)形式。

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(責(zé)任編輯 陶 賽)

Model test research on mechanical characteristics of surrounding rocks and segments under different loads

Liu Bo1,2, Liu Lulu1, Nie Pengzhou1, Luo Xinghao1

(1.School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China； 2.State Key Laboratory of Geomechanics and Deep Underground Engineering, Haidian, Beijing 100083, China)

The tunnel depth was simulated by top loading method. Laboratory model test was conducted to study the displacement variations of surrounding rocks, axial force of lining and bending monment of segments with the change of circular tunnel depth. The test results showed that the displacement of surrounding rocks increased with the increase of tunnel depth, and the displacement of surrounding rocks in vertical direction was larger than that in horizontal direction obviously. The plastic zone in horizontal direction was different with that in vertical direction. Both axial force and bending monment of segments increased with the increase of tunnel depth. The axial force, which was compressive stress, at side waist was maximum, and that at top was minimum. The bending monments at top and bottom of segments were positive, while the bending monments at side waist were negative. The effects of joint position on axial force and bending monment were small. In practical engineering problems, the segments form could be adjusted according to the change of tunnel depth.

model test, load, displacement of surrounding rocks, axial force of segments, bending monment of segments

國家自然科學(xué)基金(41472259，U1261212，51274209) ,“十三五”國家重點研發(fā)計劃重點專項(2016YFC0802505)

劉波，劉璐璐,聶鵬周等. 不同荷載下巷道圍巖與管片力學(xué)特性的模型試驗研究 [J]. 中國煤炭，2017,43(3)：41-46. Liu Bo, Liu Lulu, Nie Pengzhou, et al. Model test research on mechanical characteristics of surrounding rocks and segments under different loads [J]. China Coal，2017,43(3)：41-46.

TD262

A

劉波(1970-)，男，湖南湘潭人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事礦山建設(shè)工程和巖土工程方面的教學(xué)與研究工作。