双连拱隧道结构内力样式及围岩稳定性模型试验研究

1、双连拱隧道结构内力样式及围岩稳定性模型试验研究摘  要：大型相似模型试验是双连拱隧道结构内力样式与围岩稳定分析研究的重要方法和手段之一。结合广州-惠州高速公路小金口双连拱隧道工程的修建，在，类围岩条件下，对双连拱隧道的施工方法和结构内力样式及围岩稳定进行了深入的研究工作。通过模型试验研究提出了一种新的施工方法中导坑拓展法，这种施工方法对围岩的扰动少；同时采用三导坑法、双导坑法和中导坑拓展法3种施工方法进行模型试验研究。结果表明：周边最大径向位移发生于拱顶，其次为腰部；首次建立了双连拱隧道二次衬砌内力(轴力和弯矩)模型及围岩的稳定与变形的规律。这些研究成果对双连拱隧道的设计与施工具有重

2、要指导作用。关键词：隧道工程；双连拱隧道结构内力样式；模型试验；围岩稳定性分析；施工方法 1  引  言    随着高速公路进入山区，隧道数量日益增多。由于受地形及展线限制，一些较短的隧道(隧道长一般<500m)选用了连拱结构型式。这是一种新型的隧道结构样式，由于其结构特殊、跨度大，因此设计和施工技术较复杂。尽管当前设计施工完成有一定数量的双连拱隧道工程，但其中仍存在较多问题，例如在中墙顶部的结构接合处往往出现漏水现象，严重威胁到隧道结构安全。在国内外尚无可供借鉴的系统性成熟资料的情况下，迫切需要对其结构内力样式及围岩稳定分析等

3、双连拱隧道综合修建关键技术的基础理论问题进行深入的研究工作。    大型相似模型试验研究是双连拱隧道结构内力样式与围岩稳定分析研究的重要方法之一。本文通过相似模型试验，对，类围岩条件下，采用三导坑法、双导坑法和中导坑拓展法修建的跨度为24.36m的双连拱公路隧道进行了模型试验研究，提出了在不同围岩类别条件下双连拱隧道采用3种不同施工方法时，围岩的稳定与变形规律及双连拱隧道结构的内力样式。其研究成果对于广惠高速公路小金口双连拱隧道的修建起到了有效的指导作用，同时，对类似工程也具有重大的指导意义。    20世纪90年代中后期，尤其是进入

4、21世纪后，我国相继修建了不少连拱隧道，但这些连拱隧道存在着工期长、设计繁琐、施工要求高以及施工方法单一等特点，因此有必要对连拱隧道的设计与施工理论进行深入的研究工作。 2 依托隧道工程概况    广惠高速公路小金口互通A匝道隧道是一座上、下行合建的4车道连拱高速公路短隧道，位于广东省惠州市小金口镇。隧道轴向近EW向，长200m，隧道建筑界限净宽22.0 m×5.0m，内轮廓采用承载能力较好的单心圆形式，边墙为曲墙，中墙为直墙。进、出口设计高程分别为37.165和40.323m，隧道最大埋深45m。本隧道平面线型为曲线，曲线半径R=300m(左

5、偏)，路面超高横坡进口为双向坡2，出口为单向坡5。纵坡线型为“人”字形，进口纵坡i1=+2.0，出口纵坡i2=1.405，变坡点桩号为K0+180，竖曲线半径R=3000m。    隧道覆盖层以褐黄、褐红色亚粘土为主，含基岩碎块，硬塑。除隧道轴线两侧山顶及鞍部西南缘见基岩出露外，该覆盖层均有分布，残破积层厚1.26.0 m，平均2.89m。隧道基岩为侏罗系下统蓝塘群，灰、灰白、紫红色粉砂岩、泥质粉砂岩，隐伏于残破积层以下，偶见露头。强风化层为灰、浅灰、褐黄、紫红色粉砂岩、构造角砾岩，半岩半土状，岩心破碎，以碎块状为主，次为短柱状，钻厚0.006.10m，平均3.2

6、3m。弱风化层为浅灰、褐黄、紫红色粉砂岩、构造角砾岩，节理发育，岩心破碎，以碎块、短柱状为主，层厚7.533.0m，平均17.35m。    小金口双连拱隧道结构支护参数见表1，将其作为基本的试验对象进行模拟试验。施工方法采用三导坑法、中导坑拓展法和双导坑法分别进行不同工况下的双连拱隧道内力和围岩稳定的模型试验研究。3  模型试验原理与方法3.1模型试验的相似关系    (1)物理力学参数的相似关系    本次模型试验采用几何比例尺为1:25。根据相似理论原理推得各物理力学参数原型值与模型值之间

7、的相似比为：几何相似比CL=25；容重相似比C=1；泊松比、应变、摩擦角相似比Cv=C=C=1；强度、应力、粘聚力、弹性模量相似比CR=C=Cc=CE=25。    (2)地应力场模拟    根据地质调查及勘察，隧道区地应力残存较小，在构造变动及地壳的长期演化过程中应力多已释放，为此，在模型试验中地应力场按自重应力场进行模拟。3.2试验装置及量测内容    (1)试验装置    对于隧道模型试验，加载台架有立式和卧式之分。本次模型试验采用立式台架(见图1)，立式台架是指进行试

8、验时，模型直立于台架上，模拟竖向荷载的千斤顶分别置于模型上部的两侧(见图1)。    (2)量测内容    量测内容包括：洞室周边径向位移：二次衬砌内力；围岩与支护间接触压力；破坏过程观测及破坏状态记录。3.3模型试验系列组合    本次模型试验对，类围岩的各种工况进行超载破坏试验，对于3种施工方法(三导坑法、中导坑拓展法和双导坑法)开展了15组模型试验系列组合的研究工作。本文仅选择其中的3组试验组合对其测试结果进行深入的分析研究(见表2)。4  模型材料的制备与隧道开挖和衬砌的模拟4.1模型材

9、料的选择与制备4.1.1围岩    小金口双连拱隧道围岩物理力学参数如表3所示。    根据各类围岩原型参数及必须满足的相似关系，经正交试验数十次反复比选调配，最后选用不同比例的重晶石粉、石英砂和凡士林的热融混合料作为不同围岩类别的相似材料(见表4)。4.1.2喷射混凝土    采用特定的材料按专有的配合比配置后模拟C20喷射混凝土，在配制后，立即进行灌注，且待初凝后即拆去外模，让材料表面均匀放热，20h后进行试验(见表5)。4.1.3模筑混凝土    模筑混凝土二次衬砌的相

10、似材料采用特定材料的配合比，二次衬砌系采用预制方法加工而成。4.2试验加蛾4.2.1竖向应力与水平应力的模拟    竖向应力(竖向)运用2个千斤顶进行施加和模拟。水平应力(水平)主要根据不同围岩的侧压力系数来计算。其量值为：水平=竖向=竖向(1)，其中，为侧压力系数，v为泊松比。4.2.2破坏试验    施加在模型上的荷载，应尽量与原型相似。每次试验加载至峰值荷载后，按照原型应力的2050加载，直到模型破坏时再卸载。在试验过程中，每次荷载施加后，均观察洞室周边围岩及支护状况，并记录裂纹的发生及发展过程。4.3隧道开挖与衬砌的模拟4.3

11、.1隧道的开挖模拟     隧道的开挖在模型试验中以开洞的方式实现。模型开洞有两种方式：一种是“先开洞后加载”，另一种是“先加载后开洞”。前者指在制作模型时已将洞室作好；后者则是在对整体模型施加要求荷载并保持荷载作用的条件下开洞。采用哪种开洞方式主要取决于试验目的，如进行弹性分析时，可采用“先开洞后加载”，而如要研究开挖过程对洞室围岩应力场和位移场的影响时，则应采用“先加载后开洞”。本试验采用第二种方式实现隧道的开挖模拟。4.3.2衬砌的模拟    在模型试验中，对复合式衬砌包括初次衬砌和二次衬砌进行了模拟。初次衬砌主要运用浇注的方式

12、实现，二次衬砌则主要运用预制成型的方式实现。5  模型试验数据采集及处理分析结果5.1洞室周边径向位移    洞室周边径向位移共量测8个点，每个测点均采用30mm级大量程电测位移计直接测读，精度为0.01mm。同时在拱顶，水平、仰拱等处安设电测位移传感器，配接CBWll03型高精度位移仪和16路接口转换接口仪，自动采集位移量，其量程为30mm，精度为±0.3。    隧道洞室周边径向位移量测是隧道在施工开挖支护过程中必须进行的基本工作之一。由于单拱隧道的径向位移及其收敛速率在相关的规范中有明确的规定，而对于双连拱隧

13、道的径向位移及其收敛速率的警戒值一直是隧道工作者近年来不断探索的课题之一。本文进行的周边径向位移模型试验研究就是为此而开展的。    模型试验时，当荷载=1.0MPa时，洞室周边径向位移见图2。从表3可知，模型试验6代表三导坑法施工，模型试验9代表双导坑法施工，模型试验12代表中导坑拓展法施工，针对这3种施工方法对围岩的稳定进行了试验研究。对于II，类围岩，采用不同的施工方法对围岩的扰动程度是不同的，扰动程度越大，其周边的径向位移值就越大。在埋深小于45m时，采用三导坑法和双导坑法施工时，周边径向位移最大值发生于拱顶，其值分别为9.99和1.288mm，拱腰位移分

14、别为4.396和0.355mm，边墙的位移变化不大(见图2)。所以对于浅埋隧道，周边径向位移主要发生于拱顶，其次发生于拱腰部位，在施工过程中要加强这2个部位的支护。当位移大于10mm时，隧道模型即遭破坏，此即为径向位移收敛警戒值的范围。当采用中导坑拓展法施工时，周边径向位移变化比较小，在拱顶的位移为0.148mm，在拱腰的位移为-0.659mm，在边墙的位移为-1.632mm。这种施工方法对围岩的扰动少，径向位移值不大，是通过模型试验而提出的一种新的施工方法，需要在实际的双连拱隧道的施工中加以验证与充实。  5.2二次衬砌内力    采用在衬砌内、外侧对

15、称布设环向电阻应变片方式测读内、外侧应变值，以此获得内、外侧的应力及衬砌截面的内力。具体选用2mm×3mm泊式胶基电阻应变片，布片前用环氧树脂对布片部位设基底，应变片布设经检查合格后作防潮处理。    接收仪器选用7V14静态电阻应变多通道数据采集仪，应变片采用半桥联结，每5片共用一温度补偿片，经用YX1型标准应变箱对试验用应变量测系统作测值系统误差标定。    本次模型试验共计进行了15组模型试验系列，限于篇幅，本文仅对模型试验6，9和12进行探讨。而对于二次衬砌内力的分析，仅选择模型试验6展开讨论，且二次衬砌的内力仅介绍

16、轴力和弯矩。    图3是模型试验6中，当荷载=2.0，3.0MPa时二次衬砌轴力图。从图3可以看出，轴力随着隧道上覆荷载的增大而增大，最大轴力分布于仰拱和边墙的结合部位(边墙脚)，其次为仰拱和拱顶部位。在=2.0，3.0MPa时，边墙脚轴力分别为-367，-564kN。    图4是模型试验6的二次衬砌弯矩图(=2.0，3.0MPa)，假定向洞室外侧方向的弯矩值为正，而向洞室内侧方向的弯矩值为负值，正弯矩代表受拉，负弯矩代表受压。从图4可以看出，最大的弯矩分布于边墙和仰拱的结合部位(边墙脚)，受拉主要有2个部位：拱腰和边墙脚，其弯矩

17、分别为1.01(0.424)和1.21(0.44)kN·m；受压主要有3个部位：拱顶、边墙和仰拱(见图4)，其弯矩值分别为-1.08(-0.61)，-0.35(-0.76)和-1.19(-0.591)kN·m。    综上所述，采用三导坑法对围岩的开挖和支护是合理的，最关键的问题是控制围岩的变形以及了解弹塑性区域的分布情况。尤其是对拱顶、拱腰及边墙在施工过程中要特别注意加强支护的安全性和可靠性，确保隧道施工的安全。总之，采用三导坑法对双连拱隧道的施工是合理有效的施工方法，值得加以不断推广。5.3围岩与支护间接触压力  

18、60; 采用0.5级GYT10型精密土压力传感器量测围岩与支护间的接触压力。在施作喷射混凝土层和模筑之前，将土压力传感器预埋在围岩与喷层之间，以测试围岩与支护间的层间径向接触压力。土压力传感器接入应变量测系统，且均在电子万能试验机上采用试验用围岩材料介质，经预压3次后进行标定。针对模型试验6的土压力测试结果进行了分析，其土压力值的范围为0.0050.020MPa，最大土压力分布于中墙的底部。5.4 破坏过程观测及破坏状态记录    每次试验加至峰值荷载后再卸载，然后对结构的破坏情况进行观察并作素描记录，同时用数码照相机及数码摄像机作实况图像记录。在试验过程中，每次荷载施加后，均观察洞室周边围岩及支护状况，并记录裂纹的发生及发展过程。6  结  论    通过双连拱隧道模型试验研究，得出以下主要认识：    (1)双连拱隧道相似模型试验研究成功地模拟了双连拱隧道施工过程中洞室周边径向位移的变化规律。在试验过程中，采用三导坑法和双导坑法施工方法，分别进行了周边径向位移的测试分析，认为在埋深小于45m时，最大的径向位移发生于拱顶，其次为腰部，提出在施工过程中要加强这2个部位的支护。