臨近溶腔內(nèi)壓對隧道初支穩(wěn)定性影響的模型試驗

方勇　姚志剛　鄧如勇　劉書斌

摘要：部分未經(jīng)處理溶腔填充物復(fù)雜且受季節(jié)性、突發(fā)性降雨影響，溶腔內(nèi)壓增大會影響臨近隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，易導(dǎo)致施做后的初支結(jié)構(gòu)失穩(wěn). 以某三車道公路隧道為依托，開展了隧道開挖后承壓溶腔對初支力學行為影響的模型試驗. 試驗中逐級增加溶腔內(nèi)壓，測試了隧道洞周位移、初期支護內(nèi)力及背后圍巖壓力的變化特征，研究承壓溶腔位置及內(nèi)壓對隧道初支穩(wěn)定性的影響. 試驗結(jié)果表明：隧道臨近溶腔處洞周位移隨溶腔內(nèi)壓增大而變大，達到臨界內(nèi)壓時突然增大；承壓溶腔內(nèi)壓增大顯著增大了鋼拱架臨近溶腔測點處的彎矩，使鋼拱架軸力水平整體提升；同時增大了臨近溶腔位置處及墻角處初期支護背后圍巖壓力，造成初支受力不均勻. 洞周位移發(fā)生突然增大、鋼拱架在軸力和彎矩共同作用下達到屈服強度時，初期支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn). 在試驗設(shè)定的溶腔尺寸及間距下，仰拱處存在溶腔時，內(nèi)壓增大，隧道初期支護最先失穩(wěn).

關(guān)鍵詞：承壓溶腔；初期支護；穩(wěn)定性；模型試驗

中圖分類號：U452文獻標志碼：A

Model Test of the Influence of the Internal Pressure near

Karst Cave on Stability of Tunnel Primary Support Stability

FANG Yong， YAO Zhigang， DENG Ruyong， LIU Shubin

（Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Education，

Southwest Jiaotong University，Chengdu610031，China）

Abstract：As part of the untreated fillings of concealed Karst cave with internal pressure behind tunnel are complex and influenced by the seasonal precipitation and sudden precipitation， the increase of internal pressure can affect the stability of the structures near the tunnel， and may easily lead to the instability of tunnel primary support structure. Scaled model tests based on a 3lanes highway tunnel were carried out to investigate the stability of tunnel excavation nearby Karst cave with internal pressure. Characteristics of the tunnel convergence， internal force of steel arch， surrounding rock pressure behind primary support and surrounding rock strain were analyzed to study the effect of position and pressure on the stability of the tunnel. The results show that， under the specific cavity size and spacing， tunnel lost stability firstly for Karst cave in the inverted arch. The convergence of the tunnel near the Karst cave increases with the increase of the pressure and changes suddenly when reaching the critical internal pressure， and the primary support loses its stability. The increase of pressure leads to the obvious increase of the bending moment of steel arch， and increases the axial force of steel arch evenly. Finally， the steel arch reaches the yield state， meanwhile， primary support becomes instability. Surrounding rock pressure behind the primary support near Karst cave increases obviously and leads to the uneven stress of primary support with the increase of Karst cave internal pressure.

Key words：Karst cave with internal pressure ； primary support； stability； model test

隨著國家經(jīng)濟建設(shè)重心向西部遷移，在喀斯特地層中修建隧道的工程實例日益增多，如渝懷鐵路圓梁山隧道、廣鄰高速華鎣山隧道、衡廣復(fù)線大瑤山隧道、武隆隧道、通渝隧道等. 由于喀斯特發(fā)育的基本條件為：可溶性巖體、具有侵蝕力的水以及水流通路，這就表明在喀斯特地層修建隧道，圍巖的工程性質(zhì)不會太好（節(jié)理裂隙發(fā)育），地下水問題（突涌水）會比較突出，同時支護結(jié)構(gòu)的安全性亦很難得到保證（喀斯特空洞的影響），這也是使得喀斯特隧道在工程界備受關(guān)注的重要原因.

基于上述背景，國內(nèi)學者在喀斯特隧道的建設(shè)方面進行了積極探索，并取得了一些成果. 周毅等[1]開展了深長隧道充填型喀斯特管道滲透失穩(wěn)突水的大比尺三維流固耦合模型試驗，揭示了充填物滲透失穩(wěn)突水過程的災(zāi)變演化機制. 莫陽春[2]通過相似模型試驗，研究了不同位置處充水承壓溶腔對掌子面軸向位移、隧道二次襯砌內(nèi)力的影響. 楊秀竹等[3]設(shè)計了平面應(yīng)變模型試驗系統(tǒng)，研究了地鐵隧道周邊存在單個圓形溶洞時，注漿壓力作用下喀斯特地基漸進性破壞的特點. 趙明階等[4-6]開展了隧道開挖模型試驗，研究了溶洞尺寸、間距及開挖工法對于隧道洞周圍巖穩(wěn)定性的影響. 趙延林等[7]將巖體流固耦合理論、流態(tài)轉(zhuǎn)換理論和強度折減法結(jié)合起來研究承壓溶洞突水的非線性力學響應(yīng)，提出了一種研究承壓溶洞突水的新方法. 李利平等[8]、趙明華等[9]通過建立不同的模型并推導(dǎo)解析解，得出了防止溶腔突水的最小厚度計算方法. 王建秀等[10]通過對不同圍巖條件下喀斯特隧道的水力破壞模式進行劃分，分析了各種情況下隧道襯砌破壞的力學機制并提出了相應(yīng)的防治措施. 譚代明等[11]通過數(shù)值模擬對隧道側(cè)部存在溶腔的隧道圍巖穩(wěn)定性進行研究，得出了隧道與溶腔間夾巖穩(wěn)定性最差的結(jié)論.

從以上文獻分析可以看出，目前關(guān)于喀斯特隧道的研究主要集中在溶腔對隧道圍巖穩(wěn)定性及支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響方面，對于承壓型溶腔的模擬，部分未考慮溶腔內(nèi)壓變化，部分受實驗條件限制能夠模擬的溶腔內(nèi)壓量值有限，控制精度有限. 而實際工程中，充填型溶腔內(nèi)充填物組成情況極為復(fù)雜，且受季節(jié)性降水影響，溶腔內(nèi)壓往往變化也較大. 特別是在整個隧道施工周期內(nèi)，這種由于突發(fā)性降水引起的承壓溶腔內(nèi)壓的變化對隧道初支、二襯結(jié)構(gòu)的影響更是不能忽略. 基于此，本文采用自行研制的內(nèi)壓加載裝置模擬承壓溶腔內(nèi)壓[12]，考慮施工周期影響，研究隧道臨近承壓溶腔時，溶腔位置和內(nèi)壓變化對隧道初期支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，研究結(jié)論可為類似工程的設(shè)計和施工提供依據(jù).

1試驗材料配制

1.1依托工程概況

雙碑隧道位于重慶中梁山南延部分，連接沙坪壩區(qū)西永副中心和雙碑組團，隧道主體穿過觀音峽背斜，工程全長4 373 m，隧道線路中線間距為20 m，為雙向6車道公路隧道. 隧道沿線圍巖級別為Ⅳ～Ⅴ級，可溶巖地段長2 127 m，占隧道總長的48.6%，喀斯特構(gòu)造及富水主要發(fā)育在觀音峽背斜兩翼的三疊系雷口坡組和嘉陵江組地層中，喀斯特形態(tài)有落水洞、天窗、溶溝、溶槽等，大致沿構(gòu)造線成竄珠狀排列. 受地質(zhì)構(gòu)造作用，局部地層節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水聯(lián)系異常復(fù)雜，可溶巖段集中涌水、突水突泥對隧道施工危害較大. 本文主要選喀斯特區(qū)段Ⅳ級圍巖三車道斷面進行研究，該斷面隧道埋深300 m，開挖寬度為15.44 m，高11.65 m. 斷面設(shè)計參數(shù)如圖1所示.

1.2相似關(guān)系

本次模型試驗為1g條件下的地質(zhì)力學模型試驗[13]，根據(jù)相似第二定理，相關(guān)表達式為：

f（σ，ε，E，μ，Φ，c，X，，L，δ）=0

選出容重X和幾何尺寸L作為基本量綱，量綱分別為[FL-3]和[L].

π1=σ/（XαLβ）=FL-2/FL-3αLβ.

根據(jù)π1為無量綱量得到π1=σ/（XL），同理得π2=ε；π3=E/（XL）；π4=μ；π5=/（XL）；π6=δ/L；π7=c/（XL）；π8=Φ.

選定幾何相似比CL = 25和容重相似比Cγ = 1作為基礎(chǔ)相似比，得出泊松比、應(yīng)變和內(nèi)摩擦角的相似比為Cμ = Cε = Cφ = 1；彈性模量、應(yīng)力、位移和黏聚力的相似比為CE=Cσ=Cδ= Cc=25.

1.3圍巖配制

依托工程試驗段圍巖級別為Ⅳ級，根據(jù)相似關(guān)系，圍巖模擬的控制參數(shù)為彈性模量、容重、內(nèi)摩擦角、黏聚力等. 模型試驗以河沙、石英砂、酒精松香溶液、機油及粉煤灰等作為原材料，通過一定的拌合比實現(xiàn)對原巖的模擬. 并通過直剪試驗和壓縮試驗獲得圍巖的黏聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量和單軸抗壓強度，密度通過環(huán)刀取樣測定. 試驗過程中，根據(jù)測得模型土的力學參數(shù)不斷調(diào)整各添加材的加入比，直至獲得期望圍巖參數(shù)值. 最終確定的圍巖力學參數(shù)及相關(guān)材料配比見表1和表2.

1.4承壓溶腔模擬

考慮到大型溶洞和充水型承壓溶腔容易被物探和鉆探等手段發(fā)現(xiàn)，進而進行預(yù)處理，對隧道的危害可大大降低. 而充填物為淤泥、喀斯特攜出物，且規(guī)模較小，存在于隧道周邊的溶腔，物探手段不易發(fā)現(xiàn)，成為隱伏溶洞，對隧道施工影響較大. 基于此，結(jié)合地勘資料，將本文研究的隱伏溶腔劃定為中小規(guī)模淤泥質(zhì)填充型溶腔，形狀為近球型和橢球形，直徑在2.5 m左右，分別位于隧道周邊仰拱、邊墻、拱頂位置.

為實現(xiàn)承壓溶腔可變內(nèi)壓較精確的模擬，自制了氣壓加載裝置來實現(xiàn)對喀斯特地層有壓溶腔的模擬，由于溶腔直徑較小，可忽略由于溶腔尺寸引起的腔壁壓差. 氣壓加載裝置由充氣泵、微型數(shù)顯壓力表、靈敏氣壓傳感器和電磁閥等組成，如圖2所示.

充氣泵：最大吹氣壓力可達275.8 kPa，通過導(dǎo)氣管向氣囊內(nèi)充氣.

微型數(shù)顯壓力表：量程0～99 kPa，可根據(jù)試驗需要預(yù)設(shè)氣壓值，并將預(yù)設(shè)氣壓值與靈敏氣壓傳感器實測氣壓值自動對比，進而控制電磁閥.

電磁閥：可以將承壓溶腔內(nèi)壓穩(wěn)定在一定范圍，當氣壓低于預(yù)設(shè)氣壓下限值時，自動開啟充氣泵與溶腔之間的通道，實現(xiàn)腔內(nèi)升壓.

靈敏氣壓傳感器：通過金屬三向閥門與氣囊連通，實時監(jiān)測氣囊內(nèi)的氣壓并反饋到微型數(shù)顯壓力表.

充氣氣囊：特制氣球，內(nèi)裝直徑d=6 mm的塑料球，用以形成溶腔形狀及體積，防止填土時被壓扁.

此加載裝置能夠較精確地控制氣囊內(nèi)氣壓并實現(xiàn)長時間持續(xù)加載，能精確模擬出溶腔內(nèi)壓變化對隧道初期支護受力的影響，且操作簡便、實用性好.

1.5初期支護

依托工程隧道初期支護體系主要由錨桿、鋼拱架和噴射混凝土組成. 模型試驗通過控制錨桿總的抗拉能力與原型滿足相似關(guān)系實現(xiàn)對原型錨桿的模擬，即EA1/A2（A1為每根錨桿的面積，A2為每根錨桿所錨固的錨固體在隧道壁面上的投影面積）相似，計算結(jié)果表明，試驗中可采用φ2.25 mm的鐵絲模擬錨桿. 由于初支鋼拱架主要受彎，故試驗通過控制單位長度等效抗彎剛度EI/L相似進行模擬，試驗中鋼拱架采用3 mm（高）×4 mm（寬）的銅條來模擬，且鋼拱架間距為10.5 cm. 噴混凝土則通過控制彈性模量及抗壓強度與原型滿足關(guān)系模擬，采用配比（質(zhì)量比）為1∶1.6的石膏水溶液模擬，同時考慮到石膏與混凝土強度發(fā)展的時間效應(yīng)，試驗中嚴格控制初支噴混凝土的施作時間，最大程度地實現(xiàn)與原型的相似關(guān)系. 模型試驗初期支護參數(shù)見表3.

2試驗方案

2.1試驗臺架

試驗在特制的鋼板試驗槽內(nèi)進行. 試驗槽尺寸為5.54 m×3.00 m×0.8 m，前方通過25號加筋槽鋼提供位移約束，并用斜向工字鋼支撐以保證前方約束穩(wěn)定，后方則通過厚度為1 m的混凝土墻提供后方位移約束，左右側(cè)及下側(cè)則通過鋼箱梁提供位移約束. 由于臺架高度限制，無法模擬隧道實際埋深（200 m），故通過在模型槽上部安裝反力梁，通過千斤頂提供支反力，并由土體表面鋼板均勻傳至下方土體. 為了消除邊界效應(yīng)的影響，在模型槽4個側(cè)表面粘貼一層聚四氟乙烯板，并涂以流動油脂，從而減小土體與邊界間的摩擦. 試驗臺架裝置示意圖如圖3所示.

2.2溶腔位置與間距分布

本次試驗?zāi)M溶腔直徑為10 cm（對應(yīng)原型值為2.5 m），與隧道開挖輪廓線的間距為10 cm（對應(yīng)原型值為2.5 m），溶腔位置包括位于邊墻、仰拱和拱頂3種情況，如圖4所示.

2.3內(nèi)壓加載方式

模型試驗操作步驟大致如下.

第1步：在試驗臺架中裝填拌合好的圍巖相似材料，在設(shè)計斷面預(yù)定位置埋入溶腔模擬裝置及位移傳導(dǎo)桿，通過千斤頂提供計算反力，固結(jié)試驗地層并穩(wěn)定一晝夜.

第2步：開啟氣壓加載裝置，并將溶腔內(nèi)壓控制在20 kPa（50 m水頭），運用超短臺階法開挖隧道，每個開挖進尺為10 cm（對應(yīng)原型2.5 m），上臺階超前下臺階2個開挖步，開挖后施做初期支護，依次循環(huán)開挖直至隧道貫通，模擬6個完整的施工循環(huán). 具體開挖步驟如圖5所示.

2.4量測項目

加載過程中主要對洞周位移、初期支護受力、初期支護背后圍巖壓力和圍巖應(yīng)變進行了測量，并就此分析溶腔位置及內(nèi)壓對于隧道穩(wěn)定性的影響.

1）洞周位移：洞周位移的測量包括拱頂下沉、邊墻水平收斂及仰拱豎向位移. 量測方法是通過在隧道周邊拱頂和左右邊墻處預(yù)埋地中測點，安裝差動式數(shù)顯位移計和百分表（精度均為0.01 mm），用以記錄拱頂下沉量和邊墻處水平收斂. 仰拱豎向位移則是在拱頂下沉及邊墻水平收斂變形穩(wěn)定后，通過在隧道內(nèi)部仰拱中心放置差動式位移計進行測量. 位移傳導(dǎo)桿布置如圖6所示.

2）初期支護受力：初期支護受力包括鋼拱架內(nèi)力和初期支護背后圍巖壓力. 試驗選取試驗臺架縱向中間位置斷面作為目標斷面，并在鋼拱架內(nèi)、外側(cè)粘貼10對電阻式應(yīng)變片（電阻值350 Ω，靈敏度系數(shù)2.00）進行鋼拱架內(nèi)力測量. 此外，在目標斷面開挖輪廓外側(cè)沿環(huán)向埋設(shè)了10個應(yīng)變式土壓力盒（量程0.1 MPa）測量土壓力，如圖7所示. 應(yīng)變片和土壓力盒試驗數(shù)據(jù)均通過靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集，通過相關(guān)公式換算可得到鋼拱架的軸力、彎矩及初支背后圍巖壓力.

3試驗結(jié)果分析

3.1初期支護失穩(wěn)臨界溶腔內(nèi)壓判別

為獲得初期支護及洞周圍巖失穩(wěn)破壞時的臨界溶腔內(nèi)壓，以評價相同尺寸及間距條件下，溶腔位置不同對于隧道穩(wěn)定性影響的大小，本文主要基于以下兩點判斷初支及圍巖失穩(wěn).

1）基于洞周位移判斷：試驗過程中實時監(jiān)測隧道拱頂下沉、邊墻水平收斂及仰拱隆起. 當溶腔位置附近相應(yīng)測點的洞位移出現(xiàn)明顯的突然增大，認為初支已失穩(wěn)破壞.

2）基于初期支護鋼拱架內(nèi)力判斷：模型試驗通過表面應(yīng)變片計算得出鋼拱架軸力和彎矩，加載過程中，當鋼拱架軸力和彎矩發(fā)展異常，初支噴混凝土變形很大時，即認為鋼拱架塑性屈服，初支結(jié)構(gòu)失穩(wěn). 例如當仰拱處承壓溶腔內(nèi)壓增大到55 kPa時，仰拱處軸力和彎矩發(fā)生較為明顯突變，且根據(jù)突變后的軸力和彎矩計算得到鋼拱架應(yīng)力大于其屈服強度（126.4 MPa），即認為銅條已發(fā)生屈服，初期支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn).

基于以上兩點判別依據(jù)，通過持續(xù)監(jiān)測洞周位移及初期支護鋼拱架內(nèi)力，得出溶腔位于隧道不同位置處時，初期支護及圍巖失穩(wěn)時的溶腔臨界內(nèi)壓，見表5.

可見，在試驗設(shè)定的3種工況中，仰拱處溶腔對隧道初支及圍巖的穩(wěn)定性影響最大，內(nèi)壓增大過程中最先失穩(wěn)；邊墻及拱頂處溶腔內(nèi)壓增大對隧道穩(wěn)定性影響次之.

3.2洞周位移

逐級增加溶腔內(nèi)壓至隧道初支失穩(wěn)，記錄從隧道開挖后初期支護收斂穩(wěn)定至初期支護失穩(wěn)過程中的拱頂下沉增量、邊墻水平收斂增量及仰拱豎向位移增量，得出溶腔位于不同位置處時洞周位移增量與溶腔內(nèi)壓關(guān)系曲線如圖8～圖10所示.

從承壓溶腔位置不同角度分析（如圖8～圖10所示），隧道臨近承壓溶腔測點處初支洞周位移增量最大，其他位置處洞周位移增量較小. 例如：溶腔位于拱頂處時，隨溶腔內(nèi)壓增大，隧道拱頂下沉量增大明顯，至破壞前拱頂下沉量達到2.82 mm（對應(yīng)原型值7.05 cm）；溶腔位于左邊墻及仰拱處時，破壞前左邊墻的水平收斂量和仰拱豎向位移分別為2.64 mm（對應(yīng)原型值6.60 cm）和2.79 mm（對應(yīng)原型值6.99 cm）. 可見，在該加載方式下，腔內(nèi)升壓對隧道支護結(jié)構(gòu)洞周位移的影響是局部的.

從洞周位移隨溶腔內(nèi)壓的變化趨勢分析，隨內(nèi)壓增加，臨近溶腔測點位置的洞周位移都呈上升趨勢，溶腔內(nèi)壓較小時增大較為緩慢，至臨界溶腔內(nèi)壓時發(fā)生突然增大. 這說明腔內(nèi)升壓造成的初支失穩(wěn)具有突發(fā)性，故實際工程施工時，應(yīng)加強監(jiān)控量測，對滲漏水情況要及時調(diào)查處理，盡量減少由突涌水帶來的財產(chǎn)損失.

3.3鋼拱架內(nèi)力

試驗通過測量鋼拱架內(nèi)外表面應(yīng)變，計算出鋼拱架的軸力及彎矩.

3.3.1軸力

不同測點處軸力隨溶腔內(nèi)壓變化的關(guān)系曲線如圖11所示，溶腔內(nèi)壓增大前后，鋼拱架軸力分布形如圖12所示.

從圖11可看出，鋼拱架各測點處軸力隨溶腔內(nèi)壓變化的趨勢較為一致，不同測點處軸力隨內(nèi)壓增大而增大，變化速度大致相同. 可見，溶腔內(nèi)壓增大引起軸力增大是整體性的，這說明鋼拱架作為整體受壓（偏心受壓）構(gòu)件能夠有效地傳遞軸力. 溶腔位于不同位置處時，鋼拱架軸力的變化速度不同，變化速度大小順序為仰拱>拱頂>邊墻，即溶腔位于仰拱處時鋼拱架軸力受溶腔內(nèi)壓影響最為顯著. 相對于溶腔位于拱頂處時，溶腔位于邊墻和仰拱時，各測點位置處軸力離散性好（曲線分布均勻），這說明邊墻及仰拱處溶腔的存在，造成初支軸力的不均勻性增大.

從鋼拱架失穩(wěn)前軸力的分布形態(tài)可看出，溶腔位于仰拱處時，失穩(wěn)前鋼拱架的軸力水平較其他2種工況低. 對比初期支護破壞位置處鋼拱架軸力，溶腔分別位于邊墻、仰拱及拱頂處時，鋼拱架邊墻、仰拱及拱頂處的軸力分別為371.14 N、374.93 N和380.76 N，較為接近，可見，至破壞前，臨近溶腔位置處鋼拱架軸力水平大致相同，而溶腔位于仰拱處時，內(nèi)壓最小，顯然，溶腔位于仰拱處時，鋼拱架軸力受溶腔內(nèi)壓影響更顯著，更易發(fā)生屈服.

3.3.2彎矩

彎矩與內(nèi)壓的關(guān)系曲線如圖13所示，彎矩分布形態(tài)如圖14所示.

從圖13可看出，溶腔位置對于初支鋼拱架彎矩的影響也具有明顯的局部性. 溶腔位于邊墻、仰拱和拱頂處時，腔內(nèi)升壓均造成附近鋼拱架彎矩明顯變化. 溶腔位于左邊墻處時，左邊墻處彎矩從-12.04 N·mm（外彎）變?yōu)檎龔澗夭⒃龃蟮?86.75 N·mm（內(nèi)彎），隨內(nèi)壓平均變化量為71.26 N·mm/（10 kPa內(nèi)壓）；溶腔位于拱頂處時，拱頂處彎矩由-54.09 N·mm（外彎）變?yōu)檎龔澗夭⒃龃蟮?74.61 N·mm（內(nèi)彎），平均變化量為75.81 N·mm/（10 kPa內(nèi)壓）； 溶腔位于仰拱處時，仰拱處彎矩由14.47 N·mm增大到502.82 N·mm，平均變化量為139.53 N·mm/（10 kPa內(nèi)壓）. 可見，溶腔分別位于邊墻、仰拱及拱頂處時，初支邊墻，仰拱及拱頂處彎矩隨內(nèi)壓的平均變化量大小順序為仰拱>拱頂>邊墻；仰拱處彎矩受內(nèi)壓影響更為明顯，拱頂處次之.

種工況，在自重應(yīng)力場作用下，溶腔位于仰拱處時，腔內(nèi)升壓造成正彎區(qū)范圍擴大最明顯，最先發(fā)生偏心失穩(wěn)破壞，失穩(wěn)時仰拱彎矩也最大，這是因為當溶腔位于拱頂時，由于拱頂開挖輪廓線曲率半徑較小，能形成較好的成拱作用，當溶腔位于邊墻時相當于增大了隧道開挖跨度，增大了對圍巖的擾動范圍，但曲墻式邊墻具備一定的成拱作用，而當位于仰拱下方時，因為隧道仰拱曲率半徑大，成拱作用最差，抵抗溶腔內(nèi)壓的能力最弱. 當存在構(gòu)造應(yīng)力作用時，構(gòu)造應(yīng)力作為一種附加力源，會影響隔水巖層的受力形態(tài). 當構(gòu)造應(yīng)力較大時，隧道開挖導(dǎo)致應(yīng)力重分布，會使隔水巖層產(chǎn)生顯著的切向應(yīng)力，當垂向應(yīng)力較小而切向應(yīng)力較大時，切應(yīng)力集中會導(dǎo)致圍巖破壞和變形，更容易導(dǎo)致承壓溶腔發(fā)生破壞.

3.4初期支護背后圍巖壓力

試驗通過在初支背后預(yù)埋土壓力盒對初支護背后圍巖壓力進行了量測，試驗加載前后，初期支護背后圍巖壓力與溶腔內(nèi)壓的關(guān)系曲線如圖15所示，破壞前的分布圖如圖16所示.

初期支護背后承壓溶腔內(nèi)壓增大造成初期支護背后圍巖壓力的增加，溶腔不同位置處增大趨勢不同. 溶腔位于左邊墻處時，左邊墻處圍巖壓力增大最為明顯，平均變化速度為6.1 kPa/（10 kPa內(nèi)壓）；溶腔位于仰拱和拱頂處時，增速最為明顯的位置分別為墻角及拱頂處，彎矩隨承壓溶腔內(nèi)壓的平均變化速度分別為9.03 kPa/（10 kPa內(nèi)壓）、7.16 kPa/（10 kPa內(nèi)壓）. 可以得出，隧道仰拱處存在承壓溶腔時，溶腔內(nèi)壓增大對初支背后圍巖壓力影響最為顯著，溶腔位于拱頂處次之.

初支背后圍巖壓力是隧道初支承受的直接荷載，初支背后圍巖壓力的分布直接影響隧道初支結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性. 從圖16容易看出，對比開挖完成后及初支失穩(wěn)前初期支護圍巖壓力分布，溶腔位于左邊墻時，同側(cè)拱腳、邊墻及對側(cè)墻角處圍巖壓力較其他位置處明顯增大，達到65.23 kPa、56.84 kPa和49.48 kPa；溶腔位于仰拱處時，仰拱及左、右墻角處圍巖壓力增大較為明顯，分別為31.87 kPa、52.29 kPa和54.72 kPa；溶腔位于拱頂處時，拱頂及左、右墻角處圍巖壓力增大明顯，分別達到67.12 kPa、51.29 kPa和50.54 kPa. 可見，隧道背后存在隱伏承壓溶腔時，初期支護臨近溶腔位置及墻角位置受溶腔內(nèi)壓的影響較其他位置明顯.

4結(jié)論

開展了隧道臨近承壓溶腔加載的模型試驗，記錄了逐級增加溶腔內(nèi)壓直至初期支護失穩(wěn)破壞過程的洞周位移、初期支護受力及背后圍巖壓力，分析了臨近承壓溶腔不同溶腔內(nèi)壓下對于隧道初期支護及洞周圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，得出主要結(jié)論如下：

1）試驗設(shè)定的承壓溶腔尺寸及間距條件下，仰拱處承壓溶腔內(nèi)壓增大對隧道初期支護穩(wěn)定性影響最為明顯，內(nèi)壓增大時最先失穩(wěn)；邊墻及拱頂處承壓溶腔對于初支的影響次之.

2）承壓溶腔內(nèi)壓增大至初支失穩(wěn)過程中，隧道臨近承壓溶腔處初支洞周位移增量最大，其他位置處洞周位移增量較小，即對隧道初期支護而言，背后隱伏承壓溶腔內(nèi)壓對洞周位移的影響是局部的. 臨近溶腔測點處洞周位移增量隨內(nèi)壓增大而持續(xù)增大，變化趨勢為溶腔內(nèi)壓較小時增大較為緩慢，至臨界溶腔內(nèi)壓時發(fā)生突然增大.

3）臨近隧道隱伏承壓溶腔局部增大了鋼拱架臨近溶腔位置處的彎矩，并均勻增大了鋼拱架軸力. 溶腔位于仰拱處時，鋼拱架整體軸力變化速度及仰拱處彎矩變化速度明顯高于溶腔位于邊墻及拱頂時.因此，在彎矩和軸力的共同作用下，鋼拱架最先達到屈服，初期支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞.

4）邊墻處承壓溶腔內(nèi)壓增大造成初期支護同側(cè)拱腳、邊墻及對側(cè)墻角處圍巖壓力局部增大，仰拱及拱頂處承壓溶腔內(nèi)壓增大造成初期支護臨近溶腔位置及墻角處圍巖壓力增大明顯，仰拱處存在承壓溶腔時，初期支護背后圍巖壓力受溶腔內(nèi)壓影響最為明顯.

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