浸水條件對(duì)淺埋濕陷黃土隧道受力性狀影響的大型模型試驗(yàn)研究

胡昆昆， 蔡國(guó)軍， 閆超， 李又云， 李哲， 劉路路,*

(1.中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣州 510000; 2.廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護(hù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510000; 3.東南大學(xué)巖土工程研究所， 南京 211189; 4.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院, 合肥 230601; 5.長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710064)

在中國(guó)西部地區(qū)濕陷性黃土層深厚的條件下，公路修筑是不可回避的問題。通過對(duì)已建黃土隧道運(yùn)營(yíng)情況的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)黃土隧道病害現(xiàn)象比較普遍[1-3]。尤其是當(dāng)外部水環(huán)境發(fā)生變化的條件下，因隧道基底圍巖含水率發(fā)生變化，導(dǎo)致拱腳和墻腳失穩(wěn)，甚至坍塌的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。因此，黃土隧道尤其是整體處于濕陷性黃土地層中的隧道基底加固問題引起了工程技術(shù)人員的重視。雖然中國(guó)在建筑領(lǐng)域濕陷性黃土地基處理方面有比較成熟的施工和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)于濕陷性黃土隧道軟弱地基加固處理的理論和實(shí)踐還處在探索階段。這是因?yàn)橹袊?guó)以前的道路等級(jí)相對(duì)較低，對(duì)隧道底部的變形與控制認(rèn)識(shí)不足，一般只對(duì)洞門段基底進(jìn)行加固處理。

目前，在理論計(jì)算方面，馬洪利[4]通過傳統(tǒng)計(jì)算方法確定隧道拱頂?shù)膰鷰r壓力，加之隧道結(jié)構(gòu)自重得到隧道基底壓力。范文等[5]為確定隧道基底壓力，采用彈性地基弗拉曼解得到其對(duì)基底壓縮應(yīng)力的影響。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方面，崔建文[6]利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試手段指出扁平大跨度隧道基底的受力關(guān)鍵部位墻腳處；張偉[7]得到隧道最大壓力在兩側(cè)邊墻墻腳處，仰拱部位圍巖壓力變化不大，表現(xiàn)出擠壓性圍巖的特點(diǎn)；陳建勛等[8]得到在淺埋偏壓條件下，黃土隧道圍巖壓力分布呈貓耳狀分布，基底拱腳處圍巖壓力較大；古彥超[9]指出大斷面黃土深埋隧道邊墻墻腳處隧道基底附加應(yīng)力最大，仰拱中間區(qū)域相對(duì)較小。在數(shù)值分析方面，周云超等[10]認(rèn)為臺(tái)階法施工時(shí)基底圍巖豎向應(yīng)力值最小，中隔墻(center diaphragm，CD)法和交叉中隔墻(cross diaphragm，CRD)法施工時(shí)在基底中線區(qū)域處豎向應(yīng)力值較大。孟慶賀[11]指出隧底豎直方向和水平方向的圍巖應(yīng)力隨著開挖斷面的增大均在增大，變化規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的變化規(guī)律基本一致。樊浩博[12]認(rèn)為隧道施工完成后，隧底仰拱區(qū)域處由于部分應(yīng)力得到了釋放，隧道周邊土體的應(yīng)力較小，應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)都指向隧道內(nèi)部。

綜上，針對(duì)黃土隧道上部圍巖壓力的研究文獻(xiàn)較多，歸納起來有理論分析、經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)值方法和模型試驗(yàn)等手段，然而對(duì)基底圍巖壓力的研究相對(duì)較少，缺乏考慮浸水條件的黃土隧道基底壓力研究。鑒于目前軟弱圍巖隧道基底病害現(xiàn)象日益嚴(yán)重，尤其是在軟弱黃土層中修建的隧道，隧道基底壓力的研究顯得尤為重視。近年來，雖然有些學(xué)者在此方面也作了一些有益的探索，但是發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有隧道基底壓力的計(jì)算基本上是沿用傳統(tǒng)的計(jì)算方法，首先得到隧道圍巖拱頂壓力，進(jìn)而在考慮隧道結(jié)構(gòu)自重的條件下獲得隧道基底壓力或基底圍巖應(yīng)力。現(xiàn)依托工程為付家窯1#隧道，利用室內(nèi)模型試驗(yàn)手段對(duì)天然基底浸水和不浸水工況下基底受力變形性狀進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 依托工程

課題依托工程是位于蘭州市黃河北岸的蘭秦快速路1#隧道，隧道總長(zhǎng)802 m，最大埋深112 m，最小埋深為20 m。研究對(duì)象選取20 m淺埋段，全長(zhǎng)范圍內(nèi)為Ⅴ級(jí)圍巖。隧道穿越黃土山梁，進(jìn)口布設(shè)于黃土沖溝一側(cè)的山體，出口在邱家溝上游右側(cè)山體。隧道開挖跨度為17 m，高度11 m，屬于三車道隧道特大斷面黃土隧道。隧址區(qū)濕陷性黃土發(fā)育，厚度較大。

1.2 試驗(yàn)方案

大斷面黃土隧道室內(nèi)模型試驗(yàn)方案共分為兩大類，一是黃土隧道基底天然含水量狀態(tài)下的模型試驗(yàn)，二是逐漸浸水直至飽和狀態(tài)下的模型試驗(yàn)。第一類模型試驗(yàn)主要模擬天然基底下黃土隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的受力與變形，尤其是仰拱底接觸壓力、和基底土中應(yīng)力與變形；第二類模型試驗(yàn)主要模擬隧道天然基底，在隧道周邊圍巖含水量逐漸發(fā)生變化的條件下，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的受力與變形及其仰拱下復(fù)合基底的受力與變形性狀。

對(duì)于大斷面濕陷性黃土隧道淺埋段來說，由于埋深較淺，施工過程中對(duì)土體的擾動(dòng)較大，一般易達(dá)地表，隧道施工變形大，易產(chǎn)生地表沉降槽和地表裂縫，洞內(nèi)塌方易形成直達(dá)地表的破裂漏斗，在隧道運(yùn)營(yíng)期間如果遭受雨水入滲，圍巖會(huì)產(chǎn)生較大的濕陷變形，導(dǎo)致圍巖壓力增大，而基底的濕陷變形會(huì)導(dǎo)致基底產(chǎn)生不均勻沉降，最終導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。通過模型浸水試驗(yàn)，可以更加直觀的去了解大斷面黃土隧道在不利工況條件下的濕陷變形及基底位移應(yīng)力變化過程。采用滲水的方式，讓水通過土體孔隙和裂縫滲入圍巖內(nèi)部，直至土體飽和。滲水從開挖完成圍巖變形穩(wěn)定后開始，土體飽和之后結(jié)束。

本次測(cè)試數(shù)據(jù)使用的采集器為DH3820Net靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，應(yīng)變片測(cè)試采用1/4橋連接，壓力盒測(cè)試則采用全橋接法，采樣頻率設(shè)定為1 Hz。本次模型試驗(yàn)通過研究隧道襯砌與圍巖的接觸壓力尤其是仰拱處的接觸壓力的變化規(guī)律，探討隧道基底處理具體措施，為隧道基底合理化處治方法等研究提供數(shù)據(jù)。為量測(cè)圍巖與襯砌之間的接觸壓力，在洞室周邊典型位置(拱頂、拱腰、墻腳、仰拱或樁間、樁頂?shù)忍?布置測(cè)點(diǎn)，在它們之間埋設(shè)微型土壓力盒13個(gè)。具體作法是在襯砌埋設(shè)前，將土壓力盒粘貼在相應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置。具體見圖1。壓力盒埋設(shè)在距洞口50 cm的斷面上。

圖1 隧道圍巖壓力監(jiān)測(cè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of tunnel surrounding rock pressure monitoring

試驗(yàn)平臺(tái)采用模型試驗(yàn)坑槽，尺寸為2.50 m×1 m×4 m(隧道橫向×隧道縱向×埋深)，采用370 mm厚的磚混結(jié)構(gòu)和方鋼玻璃擋墻對(duì)模型試驗(yàn)體進(jìn)行約束，玻璃采用15 mm的鋼化玻璃，玻璃擋墻是通過結(jié)構(gòu)玻璃膠與方鋼框架粘接而成。模型試驗(yàn)坑槽底用混凝土澆筑，坑壁采用370 mm磚混墻，墻面用水泥磨平。方鋼-玻璃擋墻一側(cè)為隧道開挖洞口所在，方鋼-玻璃擋墻可以起到方便觀察和監(jiān)測(cè)試驗(yàn)時(shí)坑內(nèi)圍巖的變化情況的作用。為方便方鋼-玻璃擋墻的安裝，總共設(shè)置4塊，隧道洞口預(yù)留在距離坑底1 m高的位置，具體見圖2。

圖2 模型試驗(yàn)坑槽的制作Fig.2 Fabrication of model test pit

1.3 模型相似材料的選取

1.3.1 模型試驗(yàn)相似比

一般，隧道洞室邊界應(yīng)大于3倍洞室直徑，由本次研究的總體意圖出發(fā)，采用大幾何比例尺模型進(jìn)行本次模型試驗(yàn)[13]。

幾何相似比：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況、試驗(yàn)場(chǎng)地以及試驗(yàn)本身的條件限制，確定模型的幾何尺寸比為1∶40，則幾何相似常數(shù)為Cl=40。

重度相似比與強(qiáng)度相似比：根據(jù)前人研究的經(jīng)驗(yàn)一般相似材料的重度能夠控制在較大范圍內(nèi)。為計(jì)算方便起見，原型與模型的重度相似比Cγ可取1。

根據(jù)相似準(zhǔn)則可知，強(qiáng)度指標(biāo)(包括彈性模量、內(nèi)聚力、抗壓強(qiáng)度)的相似常數(shù)，等于幾何相似常數(shù)Cl與重度相似常數(shù)Cγ的乘積，即Cσ=CγCl。幾何相似比：Cl=40。①重度相似比：Cγ=1；②泊松比、應(yīng)變、摩擦角相似比：Cμ=Cε=Cφ=1；③強(qiáng)度、應(yīng)力、黏聚力、彈性模量相似比：CR=Cσ=Cc=CE=40。

要完全滿足第三定理規(guī)定的全部相似條件常常是困難的[14-16]。尤其在比較復(fù)雜的現(xiàn)象中就更加困難，根據(jù)試驗(yàn)中各因素對(duì)現(xiàn)象影響的大小，抓住其起主要作用的因素，略去其次要因素，來進(jìn)行試驗(yàn)和整理試驗(yàn)結(jié)果。它不保持所有的相似條件，而是保持其主要的相似條件，獲得在實(shí)際上具有足夠準(zhǔn)確性的近似相似。遵循上述相似關(guān)系的模型主要力學(xué)參數(shù)取定如下[17-19]。

(1)圍巖：容重γ=1.52 g/cm3，彈性模量E=1.3 MPa，泊松比μ=0.3，濕陷系數(shù)δs=0.043。

(2)模筑混凝土及噴射混凝土：彈性模量E=3 300 MPa，泊松比μ=0.38，厚度h=15 mm。

(3)旋噴樁：彈性模量E=260 MPa、泊松比μ=0.22。

1.3.2 圍巖模型試驗(yàn)材料的選取與制備

選取重晶石粉、膨潤(rùn)土、工業(yè)鹽、石膏和標(biāo)準(zhǔn)砂按質(zhì)量比為8∶12∶45∶25∶10混合攪拌而成，將其濕陷系數(shù)δs控制在0.043以內(nèi)。采用分層填筑，每次填筑6 cm，用水平尺整平后，用10 kg的夯一遍遍擊實(shí)，每擊實(shí)一遍用環(huán)刀取樣測(cè)試其密度，直至其達(dá)到要求為止。表1為圍巖材料及模型材料力學(xué)參數(shù)。

表1 圍巖材料及模型材料力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of surrounding rock material and model material

1.3.3 襯砌相似材料的選取與制備

大斷面黃土隧道V級(jí)圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)采用型鋼與噴混聯(lián)合支護(hù)，原型隧道初襯厚度30 cm，C25混凝土，HW175型鋼支護(hù)，縱向間距為60 cm，每榀鋼拱架之間采用Φ22 mm鋼筋連接，環(huán)向間距為1 m，噴射C25混凝土30 cm，原型初支的彈性模量計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中：E為折算后噴射混凝土的彈性模量；E0為原噴射混凝土的彈性模量；Sg為鋼拱架截面積；Eg為鋼材的彈性模量；Sc為噴射混凝土截面積；Sb為鋼筋網(wǎng)的截面積；γg為鋼拱架的重度；γc為噴射混凝土的重度；γb為鋼筋網(wǎng)的重度；L為單位長(zhǎng)度；a、b為方程系數(shù)。

使用有機(jī)玻璃作為來模擬襯砌結(jié)構(gòu)，有機(jī)玻璃是一種各向同性的均質(zhì)材料，加工方便，一般木工工具即可。采用電測(cè)法通過室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)得有機(jī)玻璃的彈性模量為E=3 300 MPa，泊松比為μ=0.38。按照相似公式計(jì)算其厚度為15 mm。圖3為襯砌結(jié)構(gòu)相似模型，襯砌外表面粘貼一層磨砂膠布增大襯砌與土體接觸力。表2為原型與模型材料力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，以抗彎剛度為主要控制指標(biāo)進(jìn)行縮制。

圖3 襯砌結(jié)構(gòu)相似模型Fig.3 Lining structure similarity model

表2 襯砌結(jié)構(gòu)原型材料及模型材料力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of prototype materials and model materials of lining structure

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

天然地基模型試驗(yàn)，主要測(cè)試了襯砌周圍接觸壓力、襯砌周圍土中應(yīng)力、各層土土中應(yīng)力，結(jié)合研究目的，在圍巖壓力和土體內(nèi)部應(yīng)力測(cè)試時(shí)，對(duì)基底下部和基底上部都進(jìn)行了測(cè)試，其中將基底接觸壓力及基底下部圍巖應(yīng)力作為重點(diǎn)分析內(nèi)容。

2.1 天然基底下測(cè)試結(jié)果分析

2.1.1 接觸壓力分析

1)基底以上測(cè)點(diǎn)圍巖壓力

圖4 基底上部結(jié)構(gòu)接觸壓力隨開挖變化曲線Fig.4 Variation curve of contact pressure of basement superstructure with excavation

圖4為天然基底工況下，基底以上各測(cè)點(diǎn)接觸壓力隨開挖過程的變化曲線。從圖4(a)中可以看出：隧道開挖過中，拱頂G′|1測(cè)點(diǎn)處圍巖壓力在開挖初期減小緩慢，當(dāng)開挖到掌子面并拆除臨時(shí)支撐后，拱頂圍巖壓力迅速降低，由9.8 kPa降低到0.5 kPa左右。而拱腳E′|1測(cè)點(diǎn)隨著開挖的進(jìn)行，圍巖徑向壓力表現(xiàn)為緩慢增加，對(duì)于拱肩F′|1測(cè)點(diǎn)圍巖壓力的變化呈現(xiàn)出類似現(xiàn)象。邊墻處D′|1圍巖壓力全段呈現(xiàn)增加狀態(tài)，尤其是當(dāng)掌子面開挖到監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，圍巖壓力增加速率加大，且增幅較大。

從圖4(b)中可以看出，對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)上部對(duì)稱位置處的圍巖切向壓力的變化規(guī)律，則表現(xiàn)為隧道拱頂處G1切向壓力在開挖初期逐漸增加。當(dāng)開挖到掌子面監(jiān)測(cè)斷面并拆除臨時(shí)支撐時(shí)，切向壓力降低迅速，且幅度較大，但圍巖切向壓力最終穩(wěn)定后，該值大于徑向圍巖壓力值。拱腳測(cè)點(diǎn)E1處切向壓力全段表現(xiàn)為緩慢減小趨勢(shì)，拱肩F1測(cè)點(diǎn)切向接觸壓力的變化呈現(xiàn)出類似現(xiàn)象。邊墻測(cè)點(diǎn)D1隨開挖全程呈增大趨勢(shì)，開挖完成后切向壓力由4.5 kPa增大到5.5 kPa。如不考慮側(cè)壓力系數(shù)的影響，與徑向規(guī)律一致。

2)基底圍巖壓力

圖5為天然基底工況下，基底及邊墻各測(cè)點(diǎn)接觸壓力隨開挖變化曲線。

圖5 基底及邊墻測(cè)點(diǎn)圍巖壓力隨開挖變化曲線Fig.5 Variation curve of surrounding rock pressure with excavation at measuring points of base and side wall

從圖5(a)中可以看出，隨著隧道開挖，在隧道基底仰拱中間位置處，圍巖壓力表現(xiàn)為全程減小趨勢(shì)，當(dāng)掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，圍巖壓力迅速降低，由14.6 kPa降低到6.2 kPa。對(duì)于仰拱半幅中間測(cè)點(diǎn)處，圍巖壓力變化規(guī)律則與仰拱中間圍巖壓力變化規(guī)律類似。而對(duì)于靠近邊墻仰拱結(jié)合處，圍巖壓力則表現(xiàn)為全程增加的規(guī)律，尤其是開挖到監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，增加速率較大，增加幅值較大。

從圖5(b)中可以看出：對(duì)于仰拱中間測(cè)點(diǎn)，如不考慮圍巖介質(zhì)側(cè)壓力系數(shù)變化的影響，切向接觸壓力變化規(guī)律與圍巖壓力變化規(guī)律基本類似。對(duì)于靠近墻腳位置處測(cè)點(diǎn)的切向接觸壓力在開挖到監(jiān)測(cè)斷面后，接觸壓力不但沒有增加，反而出現(xiàn)小幅度減小情況，由此可以推斷，該位置圍巖介質(zhì)可能出現(xiàn)塑性破壞，導(dǎo)致切向接觸壓力減小情況，而對(duì)于仰拱半幅中間測(cè)點(diǎn)，則表現(xiàn)為徑向圍巖壓力降低的同時(shí)而切向接觸壓力增加的現(xiàn)象，導(dǎo)致該種現(xiàn)象的主要原因，是在墻腳圍巖在較高應(yīng)力水平作用下土體產(chǎn)生側(cè)向變形對(duì)該點(diǎn)圍巖擠壓所造成的。

綜上所述，隧道基底壓力徑向表現(xiàn)為非均勻分布，在仰拱中間位置處最小，墻腳位置處最大，其他位置的圍巖壓力大小則介于二者之間，模型試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)中有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)后果較一致，同時(shí)也與依托工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果較為一致。該種分布規(guī)律的原因經(jīng)分析可認(rèn)為：對(duì)仰拱中間圍巖而言，隧道開挖卸載的同時(shí)，鄰近左右圍巖有著基本相同的回彈變形，周圍巖體對(duì)該位置處的圍巖“鉗制”小，圍巖壓力釋放較大所致，而墻腳位置由于受外側(cè)圍巖的約束作用，圍巖變形小應(yīng)力釋放變小，也與隧道開挖方式密切相關(guān)。綜合基底圍巖壓力模型測(cè)試結(jié)果表明了隧道開挖過程中基底圍巖應(yīng)力路徑和應(yīng)力狀態(tài)的變化規(guī)律，同時(shí)也為分析基底圍巖變形奠定了良好基礎(chǔ)。

2.1.2 隧道圍巖應(yīng)力分析

為了分析隧道開挖，對(duì)圍巖內(nèi)部應(yīng)力的影響程度和范圍，沿隧道周邊布設(shè)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行了圍巖內(nèi)部應(yīng)力量測(cè)，具體成果整理如下。

1)隧周圍巖徑向應(yīng)力

圖6 距襯砌不同深度處各測(cè)點(diǎn)徑向土應(yīng)力變化曲線Fig.6 Radial soil stress variation curve of each measuring point at different depths from the lining

圖6為A′到G′位置不同深度處土應(yīng)力隨開挖變化曲線，從圖中可知：A′2和A′3測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨開挖不斷減小，45 cm深度處變化已不明顯，最大響應(yīng)深度在45 cm左右；B′變化規(guī)律與A′類似，應(yīng)力最大響應(yīng)深度也在45 cm左右；C′2和C′3測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨開挖不斷增大，45 cm深度處變化已不明顯，響應(yīng)深度也在45 cm左右；響應(yīng)范圍也在40 cm以上。F′2隨開挖不斷減小，F(xiàn)′3隨開挖小幅增大，增幅不明顯，應(yīng)力響應(yīng)范圍在40 cm左右，G′變化規(guī)律與F′相同，應(yīng)力響應(yīng)范圍也在40 cm以上?？梢钥闯龈鳒y(cè)點(diǎn)應(yīng)力影響深度和程度不盡相同。隧底圍巖受開挖應(yīng)力影響深度在仰拱中間區(qū)域處最大，為1.1倍洞徑，墻腳處為0.8倍洞徑。上部圍巖受開挖影響范圍較大，推斷其范圍已達(dá)地表。

從整體變化規(guī)律可知：距基底仰拱中間區(qū)域和拱頂中間區(qū)域一定深度范圍內(nèi)是應(yīng)力釋放區(qū)域，應(yīng)力不斷減小，如基底測(cè)點(diǎn)A′和拱頂測(cè)點(diǎn)G′，應(yīng)力隨開挖整體呈減小趨勢(shì)，而墻腳測(cè)點(diǎn)C′應(yīng)力隨開挖整體呈增大趨勢(shì)，為應(yīng)力增大區(qū)域。F′測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨開挖變化幅度較小。從上述分析可知，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化具有較大的差異性。分析其原因：首先，隧道開挖過程中，隧道周圍土體由于受到施工擾動(dòng)打破原有的應(yīng)力平衡，應(yīng)力場(chǎng)重新分布。其次，拱效應(yīng)的存在，使得隧道開挖過程中不同位置處，主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)程度不一，造成不同位置處應(yīng)力響應(yīng)深度會(huì)有所差異；最后，這種差異跟隧道開挖工法和隧道斷面形式密切相關(guān)，一般墻腳和邊墻處，斷面曲率較大，對(duì)周邊圍巖有約束作用，導(dǎo)致該部位應(yīng)力相對(duì)其他部位較大。

2)隧周圍巖切向應(yīng)力

圖7為A到G位置不同深度處各測(cè)點(diǎn)切向土應(yīng)力。從圖7中可以明顯看出，A和C測(cè)線受開挖響應(yīng)深度較小都在15 cm左右，G測(cè)點(diǎn)應(yīng)力響應(yīng)深度相對(duì)較深在40 cm以上，越靠近開挖面的測(cè)點(diǎn)，應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間越短，變化趨勢(shì)越明顯，與徑向規(guī)律基本一致。

A2測(cè)點(diǎn)隨開挖過程應(yīng)力不斷減小，測(cè)試斷面土體開挖完成后，基底卸載完成，測(cè)點(diǎn)土應(yīng)力大幅減小，并隨著后續(xù)開挖緩慢減小；A3和A4測(cè)點(diǎn)變化趨勢(shì)較不明顯。墻腳測(cè)點(diǎn)C2隨著開挖的進(jìn)行切向土應(yīng)力不斷減小，墻腳測(cè)點(diǎn)C3測(cè)點(diǎn)在右下導(dǎo)洞開挖完成后，呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但增幅較小，C4變化較不明顯。拱肩測(cè)點(diǎn)F2和F3隨開挖變化趨勢(shì)不明顯。G2和G3測(cè)點(diǎn)在測(cè)試斷面挖通前呈增大趨勢(shì)，挖通后整體呈減小的趨勢(shì)。

圖7 距襯砌不同深度處各測(cè)點(diǎn)切向土應(yīng)力變化曲線Fig.7 Variation curve of tangential soil stress at each measuring point at different depths from the lining

依據(jù)上述分析可知，隧道周邊切向應(yīng)力變化規(guī)律與徑向應(yīng)力變化規(guī)律基本類似，但變化幅度較小，影響范圍表現(xiàn)為切向相對(duì)較小，這是由于隧道開挖使得徑向直接卸載，切向受到擠壓，圍巖被動(dòng)徑向變形的結(jié)果。

2.2 增濕條件下測(cè)試結(jié)果分析

2.2.1 浸水過程分析

為了掌握浸水情況，特別是隧道周邊及基底浸水情況，在不同埋深土層中，和隧道周邊布設(shè)濕度傳感器，圖8為不同深度各測(cè)點(diǎn)處體積含水率隨時(shí)間變化曲線。

圖8 不同深度處土體體積含水率隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Variation curve of soil volume moisture content with time at different depths

由圖8可知，圍巖各部位土體體積含水率隨時(shí)間變化規(guī)律一致性較好，浸水曲線整體呈現(xiàn)先增大后減小然后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。這也反映了水流的下滲過程，浸水初期，水流不斷下滲，測(cè)點(diǎn)位置土體飽和度逐漸增大，然后趨于飽和，由于浸水是連續(xù)進(jìn)行的，水流會(huì)不斷從上往下滲，所以土體周圍體積含水率會(huì)不斷增大，浸水停止后，水流會(huì)繼續(xù)下滲，當(dāng)土體趨于飽和狀態(tài)時(shí)，體積含水率趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后各測(cè)點(diǎn)體積含水率基本維持在45%左右。由于水流是從地表入滲，各測(cè)點(diǎn)埋深不同，所以埋深越深的測(cè)點(diǎn)，從浸水到水流流經(jīng)測(cè)點(diǎn)所需時(shí)間越長(zhǎng)，從圖8中也可以明顯看出，埋深越大，體積含水率達(dá)到峰值所需時(shí)間越長(zhǎng)，分別為1.5、4、10、19、42 h，且深度越深平均流速越小，埋深15、30、50、80、130 cm的平均流速分別為10、7.5、5、4.21、3.09 cm/h。

2.2.2 接觸壓力分析

(1)基底以上測(cè)點(diǎn)接觸壓力分析。圖9為基底以上測(cè)點(diǎn)在浸水工況下各測(cè)點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化曲線，從整體來看，浸水完成之后各測(cè)點(diǎn)壓力總體都呈增大趨勢(shì)，但在浸水6 h左右的時(shí)候都有先增大后減小的趨勢(shì)，這是由于采集數(shù)據(jù)時(shí)，水流正好流經(jīng)測(cè)點(diǎn)位置，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)接觸壓力達(dá)到峰值狀態(tài)，隨著水流的不斷下滲，接觸壓力不斷減小并趨于穩(wěn)定。浸水完成后，拱頂徑向和切向應(yīng)力分別從浸水前的0.42 kPa和4.32 kPa增加到5.83 kPa和5.06 kPa，徑向壓力增幅相對(duì)較大。而拱肩和拱腳徑向接觸壓力增幅相對(duì)較小，切向相對(duì)較大。這主要是因?yàn)榻畷r(shí)，不同階段圍巖容重變化和圍巖軟化相互作用的結(jié)果。

圖9 浸水工況下基底上部結(jié)構(gòu)接觸壓力變化曲線Fig.9 Contact pressure variation curve of base superstructure under water immersion condition

(2)基底各測(cè)點(diǎn)接觸壓力。圖10為天然基底增濕工況下，基底及邊墻壓力隨時(shí)間變化曲線。

從圖10中可以看出圍巖浸水后基底徑向和切向壓力都有增大趨勢(shì)，由圖10(a)可知，浸水完成后，基底A′1、B′1和C′1浸水后壓力分別增大了3.25、5.03、2.03 kPa。浸水前后基底圍巖壓力分布規(guī)律保持一致，都表現(xiàn)為仰拱中間部位圍巖壓力較小，墻腳部位圍巖壓力較大。由圖10(b)可知，浸水完成后，基底A1、B1和C1切向測(cè)點(diǎn)浸水后切向接觸壓力分別增大了1.23、0.98、0.96 kPa。較徑向圍巖壓力，增幅較小，這是由于側(cè)壓力系數(shù)小于1造成的。

圖10 浸水工況下基底接觸壓力隨時(shí)間變化曲線Fig.10 Variation curve of substrate contact pressure with time under immersion condition

2.2.3 隧道圍巖應(yīng)力分析

圖11 距襯砌不同深度處各測(cè)點(diǎn)徑向土應(yīng)力變化曲線Fig.11 Radial soil stress variation curve of each measuring point at different depths from the lining

圖12 距襯砌不同距離處各測(cè)點(diǎn)切向土應(yīng)力變化曲線Fig.12 Variation curve of tangential soil stress at each measuring point at different distances from the lining

(1)徑向土中應(yīng)力。圖11為沿襯砌結(jié)構(gòu)徑向不同距離處各測(cè)點(diǎn)徑向土壓力隨時(shí)間變形曲線，從整體來看，開挖完成后，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力處于動(dòng)態(tài)調(diào)整的狀態(tài)，根據(jù)其受擾動(dòng)程度，應(yīng)力穩(wěn)定所需時(shí)間也不盡相同。一般離襯砌結(jié)構(gòu)越近的土體受擾動(dòng)程度越大，這部分土體應(yīng)力穩(wěn)定需要時(shí)間相對(duì)其他測(cè)點(diǎn)更長(zhǎng)。浸水后，各測(cè)點(diǎn)土體應(yīng)力都有增大趨勢(shì)。這是由于圍巖浸水后重度的增大造成的。另外大部分測(cè)點(diǎn)在浸水一段時(shí)間后都有應(yīng)力減小的趨勢(shì)[20]，這是由于水流的不斷下滲造成的。

(2)切向土應(yīng)力。圖12為沿襯砌結(jié)構(gòu)徑向不同距離處各測(cè)點(diǎn)切向土壓力隨浸水變形曲線。從圖12中可以看出，切向壓力與徑向壓力基本一致，浸水完成后各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值都呈現(xiàn)在突增趨勢(shì)，且在邊墻、拱腳與拱頂位置增加幅度較大，在拱肩位置幾乎保持不變。在仰拱位置距離襯砌45 cm處，切向土壓力增加幅度達(dá)到45%。浸水完成后，土應(yīng)力在不同深度位置處的大小分布規(guī)律與浸水前基本保持一致。

浸水之后土體容重增大，埋深越大，土應(yīng)力增幅越大。從圖中還可以看出，第一層土體3 h之內(nèi)浸水基本完成，第二層土體15 h之內(nèi)，第三層土體28 h之內(nèi)，第四層76 h之內(nèi)浸水基本完成，這也反映了自上而下浸水的過程。

3 結(jié)論

(1)隧道基底壓力徑向表現(xiàn)為非均勻分布，在仰拱中間位置處最小，墻腳位置處最大，其他位置的圍巖壓力大小則介于二者之間。

(2)隧道周邊切向應(yīng)力變化規(guī)律與徑向應(yīng)力變化規(guī)律基本類似，但變化幅度較小，影響范圍表現(xiàn)為切向相對(duì)較小。

(3)隧道切向壓力與徑向壓力基本一致，浸水完成后各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值都有所增大。浸水完成后，應(yīng)力大小分布規(guī)律與浸水前基本保持一致。