新建公路隧道交叉近接段施工力學行為室內(nèi)模型試驗研究

劉曉慶 李君君 馬亞利

（石家莊鐵道大學四方學院1） 河北石家莊 051132 石家莊鐵路職業(yè)技術學院2） 河北石家莊 050041 ）

1 前 言

巴通萬高速公路位于四川省東北部，屬達州市萬源市。新建公路羊子嶺隧道左右線分別在ZK231+193.753 和K231+171.228 處，上跨襄渝鐵路二線羊子嶺鐵路隧道，左線上跨鐵路樁號為K441+490，右線上跨鐵路樁號為K441+524.74。為了深入研究新建公路隧道與既有襄渝鐵路之間施工力學的影響，在試驗室進行了室內(nèi)模型試驗研究。

2 交叉近接段室內(nèi)模型試驗研究

2.1 模型相似理論及相似比

關于隧道穩(wěn)定性的研究，主要有理論計算、數(shù)值模擬、模型試驗三個方面。模型試驗是研究解決大型巖土工程問題的重要手段，已在國內(nèi)外廣泛應用，并取得了顯著的成果。為了真實準確反映隧道開挖過程中圍巖和支護的變形特征和影響，必須考慮原結構模型與試驗模型之間的相似關系，如模型材料、模型形狀以及荷載等。

若兩個系統(tǒng)在彈性范圍的力學是相似的，則原型和模型都應滿足彈性力學基本方程：平衡方程、物理方程、幾何方程、邊界條件及相容方程。

分別用p 和m 代表原型和模型的物理量，則試驗中相關的物理量相似比關系如下：

將以上各相似比代入彈性力學的基本方程，可推導出各相似比之間的關系。其關系如下：

參與本次試驗現(xiàn)象的變量有：σ、ε、φ、μ、γ、x、E、L、c，分別是材料變形過程中的應力、材料變性過程中的應變、材料摩擦角、材料泊松比、材料重度、模型位移、材料彈性模量、模型尺寸、材料粘聚力。綜上所述，按照相似第一定理和Buckingham π 定理，這些變量中有兩個基本量綱，根據(jù)量綱至少出現(xiàn)一次的原則，取L 和σ 為基本物理量，綜上所述，推導出各物理量之間的相似比關系為：

因此，本次模型試驗的材料屬性以及相關試件尺寸均按照以上7 個相似準則進行相似模擬。

新建羊子嶺隧道實際最大寬度為12.78m，最大高度為10.25m，既有襄渝鐵路二線隧道實際最大寬度為6.26m，最大高度為8.73m。由于模型箱尺寸大小為長×寬×高=100cm×300cm×300cm，隧道模型放置臺開口為長×寬=60cm×60cm，且考慮盡量減小模型平臺邊界效應對隧道的影響，在相似比關系中取的幾何相似比為基礎相似比，推算出新建羊子嶺隧道模型寬度最大為25cm，最大高度為20.5cm，既有襄渝鐵路二線隧道模型寬度最大為12.5cm，最大高度為17.5cm。且邊界對隧道的位移影響已經(jīng)較小，故確定模型幾何相似比為。并根據(jù)所確定的幾何相似比和所推導的7 個相似準則，推導得出其它物理力學參數(shù)相似比如下：材料應變、材料摩擦角、材料泊松比相似比材料彈性模量、模型位移、材料粘聚力

2.2 模型相似材料確定

2.2.1 圍巖相似材料

為簡化試驗，試驗選用單一地層角礫巖層。遵循上述相似比關系，經(jīng)過大量的配比實驗，獲取圍巖模型相似材料見表1，相似材料物理力學參數(shù)見表2。

表1 上層軟土（黏土）模型相似材料配合比

表2 圍巖相似材料的模型參數(shù)

2.2.2 支護相似材料

通過大量文獻及多個隧道室內(nèi)模型試驗的調(diào)研，初噴混凝土一般采用石膏與水結合進行模擬。模型試驗噴射混凝土模型采用水：石膏為2.5：1.0 的質(zhì)量比時的相似材料。支護原型和模型對比情況如表3 所示。

表3 隧道初期支護原型及模型對比表

2.3 試驗裝置和測試內(nèi)容

2.3.1 模型試驗裝置

模型箱以鋼架為基本組成單元，鋼架與鋼架的連接處由高強度螺栓固定而成，其封閉穩(wěn)定的結構能夠很好的滿足本試驗所需要的圍巖邊界條件，確保與實際工況一致。整個模型箱尺寸為300cm×300cm×100cm（長×高×寬），中間放置模型部位尺寸為60cm×360cm，模型斷面如圖1～圖2 所示。模型箱前側為厚2cm 有機玻璃構成，可以清晰觀測到圍巖的變化情況。

（2）筑模拱蓋應力-應變及壓力監(jiān)測

本試驗模型中，根據(jù)尺寸相似比，事先進行筑?；炷恋念A制，將應變片貼于筑模拱蓋拱頂、拱肩、拱腰、拱腳內(nèi)外側，將壓力盒貼于筑模拱蓋拱頂、拱肩、拱腰、拱腳外側,準備完畢的筑模拱蓋模型如圖4 所示。

2.3.2 監(jiān)測測試內(nèi)容

（1）支護位移監(jiān)測

對隧道關鍵點進行結構位移變形監(jiān)測，監(jiān)測的部位主要是隧道拱頂、左拱腰和右拱腰三個點。位移計采用預埋的方式，在填土階段將位移計埋設到相對應的位置，位移計埋設位置需要高于隧道支護3～4cm，防止隧道模型開挖時位移桿滑落。位移計布置測點如圖3 所示。

2.4 試驗工況和結果分析

2.4.1 試驗過程及工況

圖1 模型試驗箱

圖2 模型斷面圖

圖3 支護位移計的布

圖4 應變片及壓力

既有鐵路隧道僅設置二次襯砌，先填土過程中預埋至對應位置。

新建隧道開挖進尺為10cm，開挖時通過石膏模擬初期支護，挖通后設置二次襯砌。具體開挖方式如圖5 所示。

試驗工分為三個工況，為模擬相同埋深，在開挖前需加載約4t（埋深100m）：

工況一：上下臺階法開挖；工況二：三臺階法開挖；工況三：CD 法開挖。

新建隧道成型后，進行超載破壞試驗，研究超載過程中不同工況隧道支護漸進破壞規(guī)律及承載能力。加載通過模型箱上部千斤頂完成，采用分級加載，每級加載2t（增加50m 埋深），靜置20 分鐘，直至結構破壞或無法加載為止。

圖5 隧道開挖工法

圖6 既有隧道拱頂處豎向位移隨開挖步變形情況

圖7 新建隧道襯砌破壞圖

2.4.2 不同工況下圍巖變形規(guī)律

不同工況下交叉點位移變化曲線如圖6 所示。

對比三種工況下隨開挖步圍巖變形曲線，可以得到：

（1）由于既有隧道上部卸載開挖，故不同工況下既有隧道拱頂處均表現(xiàn)為上浮；

（2）不同開挖工法對應既有隧道拱頂上浮不同，兩臺階法開挖（工況一）最大為0.69mm，三臺階次之0.63mm，CD 法最小為0.56mm，其大小對應為仰拱處應力釋放情況，仰拱應力釋放越大，對既有隧道影響越大；

（3）三種工況變形均較小，工況一變形僅比工況三大18.8%，即由于既有隧道與新建隧道凈距較大，弱化了仰拱應力釋放（新建隧道施工）對既有隧道的影響。

2.4.3 隧道結構漸進破壞過程分析 由于三種工況下漸進破壞過程基本相同，故選取工況一加載過程進行分析。

在加載至2t 后，新建左右隧道均出現(xiàn)接近貫通的微裂縫，出現(xiàn)裂縫位置為拱頂與仰拱。裂縫寬度仰拱＞拱頂。在加載至6t 后，新建左右隧道隧道拱頂與仰拱有貫通裂縫，右側隧道仰拱出現(xiàn)平行的微裂縫。加載至8t 后，隧道拱頂與仰拱裂縫寬度增加。加載至14t 后，新建左側隧道左右拱墻處有已經(jīng)發(fā)展到襯砌里面?zhèn)鹊牧芽p，右側隧道拱墻處外側已有裂縫，且后續(xù)變形較大無法加載。加載后襯砌如圖7 所示。

加載完成后，既有隧道僅在拱腳處出現(xiàn)輕微裂縫，其他部位完好。綜合既有隧道及新建隧道襯砌破壞情況可以看出，在隧道開挖完成后，交叉處上部荷載主要由新建隧道承擔，致使上部隧道結構破壞嚴重，但既有隧道襯砌依舊完好。

3 結 論

目前，近接隧道設計與施工較為保守，落后于現(xiàn)有研究水平，本研究依托新建公路羊子嶺隧道上穿既有襄渝鐵路二線既有隧道工程。通過理論分析以及不同工法現(xiàn)場試驗，對既有隧道襯砌進行分析，通過室內(nèi)試驗可知，在隧道開挖完成后，交叉處上部荷載主要由新建隧道承擔，致使上部隧道結構破壞嚴重，但既有隧道襯砌依舊完好。