劉小玲

摘要：雙連拱隧道模型的相似性試驗(yàn)是進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)研究的主要方法。文章基于相似性試驗(yàn)原理，以廣西馬江隧道的實(shí)際工程為例，對(duì)雙連拱隧道的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，并通過三導(dǎo)坑法及雙導(dǎo)坑法對(duì)隧道洞室周邊的徑向位移進(jìn)行了測(cè)試分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：洞室周邊徑向位移的峰值出現(xiàn)在拱頂處，其次是腰部位置。

關(guān)鍵詞：隧道;雙連拱;結(jié)構(gòu);穩(wěn)定性;圍巖

0 引言

隨著我國(guó)山區(qū)高速公路的不斷建設(shè)，隧道工程的數(shù)量在逐漸增多。山區(qū)環(huán)境下地形較為復(fù)雜，長(zhǎng)度較短（<500m）的山區(qū)隧道通常使用連拱結(jié)構(gòu)，這種新型的隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，施工難度較大，施工過程容易引發(fā)各類問題，例如中墻頂部結(jié)合處的漏水情況對(duì)于隧道的結(jié)構(gòu)安全具有不利影響。為此，對(duì)連拱隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行分析顯得十分必要，這對(duì)于研究隧道圍巖的穩(wěn)定性也具有重要意義[1]。

1 隧道工程概況

廣西桂梧（桂林—梧州）高速公路馬江A匝道隧道為一座上、下行共建的4車道連拱隧道，位于廣西蒼梧縣沙頭鎮(zhèn)境內(nèi)。隧道全長(zhǎng)210m，限凈寬22.0m×5.0m;使用單圓心模式作為內(nèi)輪廓，中墻設(shè)置為直墻，邊墻設(shè)置為曲墻;進(jìn)、出口的設(shè)計(jì)高程分別為37.365m和40.251m，最大埋深為45m，隧道平面線型為曲線，半徑為305m偏左;路面橫坡進(jìn)口為雙向坡3%，出口為單向坡4%，縱坡為“人”字型，進(jìn)口縱坡i1=+3.0%，出口縱坡i2=1.5%;變坡點(diǎn)樁號(hào)為K0+185，豎曲線半徑為3050m。隧道的覆蓋層多見紅褐色黏土，包括基巖碎塊，隧道的軸線兩側(cè)和鞍部南緣基巖外露，殘破積層厚度為2.0～5.0m，平均厚度為2.85m。強(qiáng)風(fēng)化層為灰、黃褐和紫紅色砂巖，弱風(fēng)化層為淺灰、黃褐色砂巖，節(jié)理發(fā)育[2]。馬江雙連拱隧道支護(hù)參數(shù)如下頁表1所示。

2 試驗(yàn)原理與方法

2.1 試驗(yàn)的相似性

2.1.1 力學(xué)參數(shù)的相似性

該模型試驗(yàn)的幾何比例為1∶25，依據(jù)相似性原理得出各力學(xué)參數(shù)原值與模值的相似比如下：幾何相似比CL=25，容重相似比為Cγ=1，泊松比、應(yīng)變和摩擦角的相似比為Cv=Cε=Cφ=1，強(qiáng)度、應(yīng)力、粘聚力以及彈性模量的相似比CR=Cσ=CC=CE=25。

2.1.2 地應(yīng)力場(chǎng)模擬

由地質(zhì)勘測(cè)數(shù)據(jù)可知，隧道區(qū)域附近地應(yīng)力殘存較小，且在地質(zhì)長(zhǎng)期構(gòu)造過程中應(yīng)力已釋放，因此，在模型試驗(yàn)過程中，地應(yīng)力場(chǎng)根據(jù)自重應(yīng)力場(chǎng)模擬。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)內(nèi)容

2.2.1 試驗(yàn)設(shè)備

使用立式加載試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行隧道模型試驗(yàn)，在位于模型上部的兩端布置千斤頂以模擬豎向荷載，隧道模型在中墻頂部填充與圍巖成分同等的材料，在隧道模型左右兩側(cè)布置傳感系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)，用來對(duì)隧道模型結(jié)構(gòu)內(nèi)力試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和測(cè)量，提高試驗(yàn)的精準(zhǔn)度[3]。隧道模型結(jié)構(gòu)內(nèi)力試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。

2.2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)內(nèi)容包括：洞室周圍徑向位移情況，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的接觸壓力，破壞過程和破壞程度的監(jiān)測(cè)、記錄。

2.2.3 模型試驗(yàn)組合

本次隧道模型結(jié)構(gòu)內(nèi)力試驗(yàn)主要進(jìn)行了Ⅱ、Ⅲ類圍巖在各種施工情況下的超載破壞試驗(yàn)，包括三種不同類型的施工方法，即三導(dǎo)坑法、中導(dǎo)坑法以及雙導(dǎo)坑法，共進(jìn)行了12組模型系列組合試驗(yàn)，隨機(jī)抽取其中的3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，如表2所示。

3 模型材料準(zhǔn)備和隧道開挖、襯砌模擬

3.1 模型材料的準(zhǔn)備

3.1.1 圍巖

馬江雙連拱隧道的圍巖力學(xué)參數(shù)如表3所示。

依據(jù)各類圍巖的原始參數(shù)以及所應(yīng)滿足的相似性關(guān)系，經(jīng)過正交試驗(yàn)多次比選，最終選取一定比例的重晶石粉、石英砂以及凡士林熱融混料來作為各種圍巖類別情況下的同等材料，如表4所示。

3.1.2 噴射混凝土

使用特質(zhì)材料按一定比例配置后，可進(jìn)行C20噴射混凝土的模擬過程，配置后應(yīng)立即灌注，當(dāng)完成初凝后可拆除外模，使混凝土表面均勻散熱，20h后進(jìn)行試驗(yàn)。噴層同等材料的力學(xué)特性模擬分析如表5所示。

3.2 加載試驗(yàn)

3.2.1 豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力模擬

通過兩個(gè)千斤頂施加并模擬豎向應(yīng)力σ2，由不同類型圍巖的側(cè)向壓力系數(shù)求得水平應(yīng)力σ1，具體量值為：σ1=λσ2=vσ2/（1-v），其中，λ代表側(cè)向壓力系數(shù)，v代表泊松比。

3.2.2 破壞試驗(yàn)

應(yīng)盡可能在模型上施加與原型相似的荷載，每次試驗(yàn)在加到荷載峰值之后，可按原型應(yīng)力的25%～50%進(jìn)行加載，當(dāng)模型被破壞后進(jìn)行卸載。應(yīng)注意的問題是，在試驗(yàn)過程中，每次施加載荷之后，應(yīng)及時(shí)檢查洞室附近圍巖以及結(jié)構(gòu)體的支護(hù)情況，將裂紋的產(chǎn)生及發(fā)展過程詳細(xì)記錄[4]。

3.3 隧道開挖模擬與襯砌模擬

3.3.1 隧道開挖模擬

在模型試驗(yàn)過程中的隧道開挖部分，主要通過開洞來實(shí)現(xiàn)。模型常見的開洞方式有兩種，分別是“開洞后加載”和“加載后開洞”。第一種方式是模型制作時(shí)洞室已做好，第二種方式是指對(duì)模型整體施加荷載時(shí)進(jìn)行的開洞。依據(jù)不同的試驗(yàn)?zāi)康氖褂镁唧w的開洞方式。例如在進(jìn)行彈性模量分析時(shí)，應(yīng)使用“開洞后加載”的方式;而在研究開挖過程中對(duì)洞室的圍巖應(yīng)力場(chǎng)以及位移場(chǎng)的實(shí)際影響時(shí)，應(yīng)使用“加載后開洞”的方式。本試驗(yàn)中擬使用后者來進(jìn)行隧道的開挖模擬。

3.3.2 襯砌模擬

在模型的試驗(yàn)過程中，模擬了復(fù)合式襯砌中的初次襯砌。初次襯砌通過澆筑的方法來實(shí)現(xiàn)[5]。

4 試驗(yàn)過程與結(jié)果分析

4.1 洞室周邊的徑向位移

在進(jìn)行洞室周邊徑向位移的試驗(yàn)中，計(jì)劃測(cè)量8個(gè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)使用30mm量程的位移測(cè)量計(jì)進(jìn)行直接度數(shù)，精度在±0.01mm以內(nèi)。與此同時(shí)，分別在拱頂處、水平及仰拱處設(shè)置電測(cè)傳感器，用來監(jiān)測(cè)位移的變化，并通過高精度轉(zhuǎn)換接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集和傳送。隧道洞室附近的徑向位移分析屬于隧道開挖支護(hù)中的主要工作，與單拱隧道不同的是，雙連拱隧道在徑向位移和收斂速率閾值方面尚未有較為明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，僅可在實(shí)際工程的實(shí)踐中進(jìn)行研究和探索。本文對(duì)于雙連拱洞室附近徑向位移的相關(guān)討論可為國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的研究提供一定的參考。當(dāng)載荷σ=1.0MPa時(shí)，洞室周圍的徑向位移如圖2所示。由表3中數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)5表示三導(dǎo)坑法施工，試驗(yàn)8表示雙導(dǎo)坑法施工，而試驗(yàn)11代表中導(dǎo)坑法施工，根據(jù)上述3種施工方法來研究圍巖的穩(wěn)定性。Ⅱ、Ⅲ類圍巖中，圍巖所受的擾動(dòng)因施工方法的不同而相應(yīng)變化，擾動(dòng)范圍越大，洞室周邊的徑向位移也越大。當(dāng)埋深<45m時(shí)，若使用三導(dǎo)坑法或雙導(dǎo)坑法進(jìn)行施工時(shí)，洞室周邊的徑向位移的峰值出現(xiàn)在拱頂，具體數(shù)值分別是9.68mm和1.155mm，而拱腰的位移為4.257mm和0.366mm，但邊墻位移變化程度不明顯。故此，在淺埋隧道中，洞室周邊的徑向位移多見于拱頂，其次是拱腰位置，實(shí)際施工過程中應(yīng)加強(qiáng)這兩個(gè)位置的支護(hù)。當(dāng)位移超過10mm時(shí)，隧道模型受到破壞，可將此數(shù)值作為徑向位移收斂閾值。使用中導(dǎo)坑法施工時(shí)，洞室周邊徑向位移的變化程度較小，拱頂處位移為0.125mm，拱腰處位移為-0.589mm，邊墻位移為-1.524mm，即此種施工方法對(duì)圍巖的擾動(dòng)程度較小，發(fā)生的徑向位移值較小，此種方法經(jīng)過本次試驗(yàn)而提出，但需要在實(shí)際的施工過程中進(jìn)一步驗(yàn)證。

4.2 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的接觸壓力

使用0.5級(jí)的SGT-8型壓力傳感器對(duì)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)間的接觸壓力進(jìn)行測(cè)量，在噴射混凝土和模筑前，將壓力傳感器置于圍巖和噴層之間，以完成圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間徑向的接觸壓力測(cè)試，且壓力傳感器與測(cè)量系統(tǒng)相連接，經(jīng)過多次預(yù)壓后進(jìn)行標(biāo)定，分析試驗(yàn)5的壓力測(cè)試結(jié)果可知，其壓力范圍是0.006～0.025MPa，壓力最大值出現(xiàn)在中墻底部。

4.3 破壞過程和破壞程度的監(jiān)測(cè)、記錄

試驗(yàn)中荷載加到峰值后卸載，隨后對(duì)隧道模型結(jié)構(gòu)的破壞情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)并記錄，條件允許時(shí)亦可記錄相關(guān)的試驗(yàn)圖像或視頻數(shù)據(jù)，便于洞室周邊圍巖以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的觀察，記錄裂紋的產(chǎn)生和變化全過程[6]。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)雙連拱隧道模型的深入研究，詳細(xì)分析了雙連拱隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及圍巖穩(wěn)定性的變化，主要得出以下結(jié)論：

（1）本試驗(yàn)較好地模擬了雙連拱隧道實(shí)際施工過程中的徑向位移變化情況，通過三導(dǎo)坑法及雙導(dǎo)坑法對(duì)洞室周邊的徑向位移進(jìn)行了測(cè)試和分析，得出結(jié)論：在埋深<45m情況時(shí)，徑向位移的峰值出現(xiàn)在拱頂，而腰部的位移次之，因此在實(shí)際施工過程中應(yīng)加強(qiáng)拱頂及腰部位置的支護(hù)。

（2）本文提出了中導(dǎo)坑法的新型施工方法，并針對(duì)此施工方法進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，其徑向位移的變化程度較小，此種方法的具體優(yōu)勢(shì)需要在雙連拱隧道的實(shí)際施工過程中進(jìn)一步驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚振凱，黃運(yùn)平，彭立敏.公路連拱隧道工程技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2]申玉生，趙玉光.偏壓連拱隧道圍巖變形的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與分析研究[J].公路，2005（4）：194-198.

[3]金豐年，王 波，蔣美蓉.雙連拱隧道穿越破碎山體圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].巖土力學(xué)，2008，28（增刊1）：227-231.

[4]賓城華.明挖隧道穿越河道鋼板樁圍堰倒邊施工技術(shù)研究——以佛山樂從鎮(zhèn)英雄河為例[J].黑龍江科學(xué)，2020，11（2）：48-49.

[5]何 川，林 剛，汪會(huì)幫.公路雙連拱隧道[M].北京：人民交通出版社，2006.

[6]JTGD70-2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].