代　聰,何　川,夏舞陽(yáng),李世琦

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031)

隧道開(kāi)挖將引起洞周?chē)鷰r的應(yīng)力重分布,當(dāng)應(yīng)力超過(guò)圍巖強(qiáng)度或?qū)е聡鷰r過(guò)度變形時(shí),隧道將面臨失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn).應(yīng)力重分布是否導(dǎo)致隧道失穩(wěn)主要取決于初始地應(yīng)力的量值大小和分布特征,因此初始地應(yīng)力是影響隧道穩(wěn)定性的最重要的基本因素之一[1-4].

最大水平主應(yīng)力與隧道軸線之間的位置關(guān)系對(duì)高地應(yīng)力場(chǎng)軟巖隧道圍巖穩(wěn)定性的影響尤為顯著.因此,現(xiàn)有規(guī)范對(duì)高地應(yīng)力區(qū)地下洞室軸線選擇有明確規(guī)定.《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》規(guī)定[5]:對(duì)高地應(yīng)力地區(qū)隧道的設(shè)計(jì)應(yīng)避免隧道洞壁受最大主應(yīng)力的作用,減小洞壁的切向應(yīng)力.《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》則規(guī)定[6]:對(duì)于高地應(yīng)力場(chǎng)隧洞而言,宜使隧洞軸線與最大水平主地應(yīng)力方向平行,或使二者之間的夾角盡量小.

由于成因復(fù)雜,初始地應(yīng)力場(chǎng)的空間分布是很不均勻的.因此,對(duì)于超大埋深特長(zhǎng)公路隧道而言,很難保證洞室軸線始終與最大水平主應(yīng)力方向保持一致.所以,最大水平主應(yīng)力與隧道軸線之間的位置關(guān)系一直是隧道與地下工程研究的重要課題.范秋雁[7]運(yùn)用理論分析的方法得到了巷道應(yīng)沿最大水平主應(yīng)力方向開(kāi)挖的結(jié)論.戚藍(lán)等[8]在對(duì)工程區(qū)地應(yīng)力研究的基礎(chǔ)上研究了地下洞室長(zhǎng)軸向的選取,認(rèn)為地下洞室長(zhǎng)軸方向與主壓應(yīng)力方向盡可能形成較小夾角,并運(yùn)用數(shù)值手段驗(yàn)證了長(zhǎng)軸向選擇的正確性.孫玉福[9]采用數(shù)值分析的方法研究了巷道軸線與最大水平主應(yīng)力之間的夾角對(duì)圍巖變形和應(yīng)力分布的影響規(guī)律,指出應(yīng)根據(jù)地應(yīng)力的分布特征并結(jié)合工程區(qū)實(shí)際情況合理選擇巷道軸線的方向.鄭書(shū)兵[10]、陳慶發(fā)等[11]在分析了工程區(qū)初始地應(yīng)力場(chǎng)特征的基礎(chǔ)上,運(yùn)用數(shù)值模擬、理論分析等手段,優(yōu)化了巷道軸線的走向,得出了最優(yōu)巷道布置方向應(yīng)與最大水平主應(yīng)力呈一定夾角的結(jié)論.李曼等[12]、王俊奇等[13-14]、何本國(guó)等[15]采用數(shù)值模擬、理論分析等手段研究了最大水平主應(yīng)力與隧道軸線線平行和垂直條件下圍巖的穩(wěn)定性,認(rèn)為規(guī)范中宜使洞室軸線與最大水平主應(yīng)力方向平行的規(guī)定是有適用條件的.

已有的成果主要通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬等手段研究最大水平主應(yīng)力與隧道軸線之間夾角對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響,還沒(méi)有采用模型試驗(yàn)的方法對(duì)該問(wèn)題開(kāi)展系統(tǒng)研究.鑒于此,本文采用自主研發(fā)的“隧道三維應(yīng)力場(chǎng)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)”開(kāi)展室內(nèi)模型試驗(yàn),重點(diǎn)研究高地應(yīng)力條件下最大水平主應(yīng)力方向?qū)泿r隧道圍巖穩(wěn)定性的影響.研究成果可對(duì)類(lèi)似工程隧道軸線的布置、支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、圍巖穩(wěn)定性的評(píng)判等具有重要的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值.

1　工程概況

藍(lán)家?guī)r隧道位于阿壩州茂縣境內(nèi),為 5·12 汶川地震災(zāi)后重建項(xiàng)目,是連接茂縣和綿竹交通的控制性工程.藍(lán)家?guī)r隧道的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為8 149 m,最大埋深處約1 780 m,屬于超大埋深特長(zhǎng)公路隧道.隧道全線穿越地層以千枚巖為主,該類(lèi)巖體具有強(qiáng)度低、層間接觸差、節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面發(fā)育、遇水軟化等特點(diǎn),施工難度巨大.藍(lán)家?guī)r隧道縱斷面如圖1所示.

圖1　藍(lán)家?guī)r隧道縱斷面Fig.1　Longitudinal profile of Lanjiayan tunnel

藍(lán)家?guī)r隧道穿越 5·12 汶川地震的發(fā)震主斷裂帶,工程區(qū)地質(zhì)構(gòu)造作用強(qiáng)烈,褶皺和斷裂極為發(fā)育,在區(qū)域構(gòu)造上位于四川盆地西北部的龍門(mén)山后山推覆構(gòu)造體,為韌性推覆體.地處四道溝斷裂(九頂山斷裂)北西側(cè),隧道軸線橫穿鹽井溝等 6條斷裂和九頂山倒轉(zhuǎn)向斜、疏果坪等倒轉(zhuǎn)背斜[16].藍(lán)家?guī)r隧道區(qū)域構(gòu)造如圖2所示.

圖2　藍(lán)家?guī)r隧道縱斷面Fig.2　Regional tectonic map of Lanjiayan tunnel

本文選?、跫?jí)千枚巖高地應(yīng)力軟巖變形中等及嚴(yán)重段設(shè)計(jì)斷面開(kāi)展研究,隧道開(kāi)挖寬度為12.52 m,高度為10.92 m,設(shè)計(jì)斷面如圖3所示.圖中,O1、O2和O3為3圓圓心；R1、R2和R3為3圓半徑.

圖3　隧道斷面布置圖Fig.3　Tunnel sectional layout design

采用水壓致裂法和應(yīng)力解除法開(kāi)展了隧址區(qū)初始地應(yīng)力場(chǎng)的測(cè)試工作,結(jié)果表明藍(lán)家?guī)r隧道工程區(qū)的初始應(yīng)力場(chǎng)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo),且最大主應(yīng)力量值大部分在20 MPa以上,屬于典型的高地應(yīng)力場(chǎng)軟巖隧道.本次試驗(yàn)以初始地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果為基礎(chǔ)[17],分兩種工況對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬:最大水平主應(yīng)力與隧道軸線平行(工況1)、最大水平主應(yīng)力與隧道軸線垂直(工況2),如表1所示.其中,工況1為藍(lán)家?guī)r隧道實(shí)測(cè)地應(yīng)力狀態(tài),可知初始地應(yīng)力場(chǎng)主應(yīng)力的關(guān)系為:最大水平主應(yīng)力(σH)>垂直主應(yīng)力(σV)>最小水平主應(yīng)力(σh),屬于σHV型地應(yīng)力場(chǎng).

表1　初始地應(yīng)力場(chǎng)模擬方案Tab.1　Simulation of in-situ stress field MPa

2　模型試驗(yàn)概況

2.1　試驗(yàn)系統(tǒng)

采用自主研發(fā)的“隧道三維應(yīng)力場(chǎng)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)”開(kāi)展本次模型試驗(yàn),該試驗(yàn)系統(tǒng)能夠模擬自重應(yīng)力場(chǎng)外,還能夠模擬各種復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),是一個(gè)能實(shí)現(xiàn)應(yīng)力場(chǎng)體三維效應(yīng)的綜合試驗(yàn)平臺(tái).其主要由2.5 m×2.5 m×1.5 m(長(zhǎng)×高×寬)試驗(yàn)箱體、反力架、千斤頂和液壓穩(wěn)壓加載裝置及操作控制臺(tái)等構(gòu)成,如圖4所示.

圖4　隧道三維應(yīng)力場(chǎng)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4　3D geotechnical model test system for tunnels

試驗(yàn)箱體能夠?qū)崿F(xiàn)前后、左右和上下3個(gè)方向的獨(dú)立加載,在寬度方向上可進(jìn)行0.5、1.0、1.5 m 3種尺寸的變換,從而模擬隧道的平面應(yīng)變場(chǎng)、準(zhǔn)三維應(yīng)力場(chǎng)、三維應(yīng)力場(chǎng).反力架能夠?yàn)橄潴w上、下、左、右4個(gè)面上的36套60 t級(jí)加載千斤頂提供反力,前、后兩個(gè)面通過(guò)對(duì)拉桿連接,可為位于后面板上的9套100 t級(jí)千斤頂提供反力.液壓穩(wěn)壓加載裝置及操作控制臺(tái)能夠跟蹤負(fù)載的變化,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償與長(zhǎng)期穩(wěn)壓.

2.2　相似關(guān)系

綜合考慮到試驗(yàn)裝置的實(shí)際情況、模型的可操作性、相對(duì)精度、邊界效應(yīng)對(duì)結(jié)果的影響、試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和時(shí)間等因素,確定試驗(yàn)的幾何相似比CL=35，重度相似比Cγ=1.以幾何相似比和重度相似比為基礎(chǔ),根據(jù)相似準(zhǔn)則可得到泊松比、應(yīng)變和內(nèi)摩擦角物理力學(xué)參數(shù)原形值與模型值的相似比滿(mǎn)足Cμ=Cε=Cφ=1;強(qiáng)度、應(yīng)力、黏聚力和彈性模量的相似比滿(mǎn)足CR=Cσ=Cc=CE=35.

2.3　相似材料

(1) 圍巖

本次試驗(yàn)以Ⅴ級(jí)千枚巖作為原型,模型材料主要通過(guò)控制彈性模量、容重、內(nèi)摩擦角和黏聚力等參數(shù)滿(mǎn)足相似關(guān)系,以實(shí)現(xiàn)對(duì)原型的模擬,原型材料與模型材料的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示.

表2　原型和模型材料的力學(xué)參數(shù)Tab.2　Mechanical parameters of prototype and model materials

圍巖相似材料采用一定比例的重晶石粉、粉煤灰、河沙、石英砂、凡士林、松香和機(jī)油等混合物進(jìn)行模擬.將相似材料按照不同比例制成大量標(biāo)準(zhǔn)試件,采用常規(guī)三軸壓力機(jī)和直剪儀等開(kāi)展物理力學(xué)參數(shù)的測(cè)定試驗(yàn),如圖5所示.最終確定了滿(mǎn)足物理力學(xué)參數(shù)要求的配合比,如表3所示.

(b) 直剪試驗(yàn)圖5　圍巖相似材料配比試驗(yàn)Fig.5　Mechanical parameters test of similar materials

表3　圍巖相似材料的配比(質(zhì)量比)Tab.3　Mixture ratio of similar material for rock(mass ratio)

(2) 超前管棚

試驗(yàn)中采用地層預(yù)加固的方法對(duì)超前管棚進(jìn)行模擬[18],即提高開(kāi)挖輪廓線外一定范圍內(nèi)的圍巖參數(shù)以滿(mǎn)足地層預(yù)加固的要求.因?yàn)樵囼?yàn)斷面在隧道拱頂部的120°范圍內(nèi)布置有超前管棚.所以,試驗(yàn)中同樣在隧道拱頂部120°范圍內(nèi)將開(kāi)挖輪廓線以外5 cm范圍內(nèi)的圍巖參數(shù)提高一個(gè)等級(jí),即將Ⅴ級(jí)圍巖變?yōu)棰艏?jí)圍巖.

(3) 初期支護(hù)

在本次試驗(yàn)中,僅模擬隧道的初期支護(hù).限于室內(nèi)模型試驗(yàn)的條件,鋼架、噴射混凝土和縱向連接鋼筋網(wǎng)等難以單獨(dú)模擬,故采用一定比例的水、石膏和硅藻土的混合材料來(lái)模擬初期支護(hù).

依托工程初期支護(hù)的參數(shù)為:I20b全環(huán)鋼架,間距為0.5 m;C20噴射混凝土,厚度為26 cm;φ8鋼筋網(wǎng),間距為20 cm×20 cm(雙層).經(jīng)等效計(jì)算[19],得到初期支護(hù)的等效彈性模量為31.66 GPa、等效厚度為26.27 cm.

將不同配比的特殊石膏制作成大量標(biāo)準(zhǔn)試件,通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定其物理力學(xué)參數(shù),如圖6所示.該試驗(yàn)主要研究隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形,故以彈性模量滿(mǎn)足相似關(guān)系為準(zhǔn).通過(guò)實(shí)驗(yàn),最終確定了滿(mǎn)足相似關(guān)系要求的配合比：水∶石膏∶硅藻土=2.0∶1.0∶0.4.

(a)試件養(yǎng)護(hù)(b)壓縮試驗(yàn)圖6　初襯相似材料配比試驗(yàn)Fig．6　Mechanicalparameterstestofsimilarmaterials

2.4　量測(cè)系統(tǒng)

試驗(yàn)箱體的尺寸為2.5 m×2.5 m×1.5 m(長(zhǎng)×高×寬),為監(jiān)測(cè)隧道洞周位移、圍巖與初襯之間的接觸壓力和圍巖應(yīng)變隨開(kāi)挖過(guò)程的變化規(guī)律,在隧道軸向的中間設(shè)計(jì)了1個(gè)觀測(cè)斷面,在監(jiān)測(cè)斷面的控制部位埋設(shè)了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)儀器,圖7為監(jiān)測(cè)斷面位置圖.

2.4.1洞周位移

試驗(yàn)中主要量測(cè)隧道拱頂處的沉降及拱腳處的收斂,在各測(cè)點(diǎn)處預(yù)埋位移傳導(dǎo)桿,采用差動(dòng)式數(shù)顯位移計(jì)在試驗(yàn)箱體的表面進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量精度達(dá)0.01 mm,測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示.

2.4.2圍巖壓力

采用鋼弦式微型土壓力盒對(duì)圍巖與初襯之間的接觸壓力進(jìn)行量測(cè),按照設(shè)計(jì)位置預(yù)先埋入模型中,使用靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)采集土壓力盒的數(shù)據(jù),測(cè)點(diǎn)布置如圖9所示.

圖7　模型監(jiān)測(cè)斷面布置Fig.7　Model monitoring section layout

圖8　洞周位移測(cè)點(diǎn)布置Fig.8　Test point arrangement of convergence displacement

圖9　圍巖壓力測(cè)點(diǎn)布置Fig.9　Test point arrangement of surrounding rock pressure

2.4.3圍巖應(yīng)變

采用特制的應(yīng)變磚(如圖10所示)監(jiān)測(cè)圍巖應(yīng)變與應(yīng)力的變化,應(yīng)變磚采用圍巖相似材料制作而成,在其表面粘貼三向應(yīng)變花[20],按照設(shè)計(jì)位置預(yù)先埋入模型中,并嚴(yán)格保證應(yīng)變磚與圍巖材料緊密接觸,應(yīng)變片的應(yīng)變通過(guò)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)進(jìn)行采集,應(yīng)變磚的測(cè)點(diǎn)布置如圖11所示.

圖10　應(yīng)變磚Fig.10　Strain brick sensor

圖11　圍巖應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置Fig.11　Test point arrangement of surrounding rock strain

2.5　模型的制作與開(kāi)挖

2.5.1模型制作

本次試驗(yàn)采用“先加載,后開(kāi)挖”的方式進(jìn)行,采用填注壓實(shí)的方法制作隧道模型,其具體流程為:(1) 根據(jù)圍巖材料的配比大量配置模型土體;(2) 在試驗(yàn)箱體內(nèi)從下向上逐層攤鋪模型土體;(3) 采用人工對(duì)模型土體進(jìn)行逐層夯實(shí);(4) 按設(shè)計(jì)位置在監(jiān)測(cè)斷面處埋設(shè)測(cè)量?jī)x器;(5) 繼續(xù)填注模型土體并夯實(shí)直至模型頂部.模型的制作過(guò)程如圖12所示.

(a)材料攪拌(b)材料裝填(c)模型夯實(shí)(d)儀器埋設(shè)圖12　隧道模型制作過(guò)程Fig．12　Makingprocessoftunnelmodel

2.5.2模型加載

試驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)加載操作臺(tái)控制千斤頂在試驗(yàn)箱體各側(cè)面施加不同的荷載以模擬表1所示的兩種地應(yīng)力工況.千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)出力與實(shí)際地應(yīng)力之間的換算過(guò)程如下:

(1) 計(jì)算地應(yīng)力模型值為

(1)

(2) 計(jì)算每個(gè)加載板上的集中力為

F=σHmA;

(2)

(3) 計(jì)算每個(gè)千斤頂所需提供的集中力為

(3)

(4) 計(jì)算每個(gè)千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)出力為

(4)

式(1)～(4)中:σHp為最大水平主應(yīng)力的原型值;A為加載板的面積;n為每個(gè)加載板上千斤頂?shù)膫€(gè)數(shù);AJ為千斤頂油缸的面積.

計(jì)算得到兩種工況下各方向千斤頂?shù)某隽θ绫?所示.試驗(yàn)過(guò)程中,3個(gè)方向的千斤頂根據(jù)設(shè)計(jì)出力按比例分級(jí)輪流加載,每施加一級(jí)荷載需靜置一段時(shí)間,直到應(yīng)力在模型內(nèi)部完全傳遞調(diào)整平衡后,再進(jìn)行其他方向下一級(jí)荷載的施加.液壓千斤頂?shù)募虞d如圖13所示.

表4　液壓千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)出力Tab.4　Design output of hydraulic jack MPa

圖13　液壓千斤頂加載圖片F(xiàn)ig.13　Hydraulic jack loading photos

2.5.3模型開(kāi)挖

模型開(kāi)挖采用上下臺(tái)階法,每一步的開(kāi)挖進(jìn)尺為10 cm (對(duì)應(yīng)實(shí)際工程3.5 m),上臺(tái)階長(zhǎng)度為20 cm (對(duì)應(yīng)實(shí)際長(zhǎng)度7.0 m),共需開(kāi)挖30步,如圖14 所示.

圖14　隧道開(kāi)挖示意Fig.14　Schematic diagram of the tunnel excavation

模型開(kāi)挖與支護(hù)由人工采用特制工具完成,利用全站儀等測(cè)量?jī)x器輔助開(kāi)挖從而保證隧道的走向,隧道模型開(kāi)挖照片如圖15所示.

圖15　隧道模型開(kāi)挖Fig.15　Tunnel model excavation

2.5.4模型測(cè)試

模型開(kāi)挖過(guò)程中,采用多種測(cè)量?jī)x器開(kāi)展測(cè)試工作.其中,應(yīng)變磚及微型土壓力盒采用TST3826F動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量,洞周位移采用差動(dòng)式位移計(jì)進(jìn)行測(cè)量,如圖16所示.

圖16　位移及應(yīng)變量測(cè)系統(tǒng)Fig.16　Displacement and strain measurement system

3　模型試驗(yàn)結(jié)果的分析

隧道模型開(kāi)挖、支護(hù)和測(cè)試完成后,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,并根據(jù)相似準(zhǔn)則及試驗(yàn)相似比,將隧道模型測(cè)得的洞周位移、圍巖壓力及圍巖應(yīng)變等結(jié)果轉(zhuǎn)換為隧道原型的洞周位移、圍巖壓力及圍巖應(yīng)變.

3.1　洞周位移

利用位移計(jì)監(jiān)測(cè)拱頂沉降和拱腳收斂隨開(kāi)挖步序的變化規(guī)律,如圖17、18所示.由圖17、18可知,兩種工況下監(jiān)測(cè)斷面處洞周位移的變化規(guī)律基本一致.

圖17　拱頂沉降隨開(kāi)挖步的變化曲線Fig.17　Vault displacement curves with excavation step

圖18　拱腳收斂隨開(kāi)挖步的變化曲線Fig.18　Convergence curve of arch foot with excavation step

3.1.1拱頂沉降

由圖17可知:掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面之前,拱頂沉降已經(jīng)發(fā)生,工況1的拱頂前期沉降量約占沉降量最終穩(wěn)定值的43%左右,工況2的拱頂前期沉降量約占最終沉降量的40%左右;在掌子面后方,隨著開(kāi)挖步的推進(jìn),拱頂沉降的速率逐漸減小,最終趨于收斂;最大水平主應(yīng)力與隧道軸線之間夾角對(duì)拱頂沉降影響顯著,工況1、2拱頂沉降的最終值分別為-0.221 、-0.309 m.由此可知，最大水平主應(yīng)力與隧道軸線平行更利于控制拱頂沉降.

3.1.2拱腳收斂

由圖18可知:掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面之前,拱腳收斂已經(jīng)發(fā)生,工況1的拱腳前期收斂量約占最終收斂量的21%左右,工況2的拱腳前期收斂量約占最終收斂量的40%左右;在掌子面后方,隨著開(kāi)挖步的推進(jìn),拱腳收斂的速率逐漸減小,最終趨于穩(wěn)定;最大水平主應(yīng)力方向?qū)澳_收斂影響顯著,工況1、2拱腳收斂的最終值分別為-0.454 、-0.548 m.由此可知,最大水平主應(yīng)力與隧道軸線平行更利于控制拱腳收斂.

對(duì)比圖17、18可知:工況1拱頂處的徑向位移(-0.221 m)與拱腳處的徑向位移(-0.227 m)差距不大,說(shuō)明隧道拱部變形比較均勻,原因是隧道橫斷面上豎向地應(yīng)力(16.40 MPa)與水平地應(yīng)力(13.26 MPa)相差不大,應(yīng)力較為均勻;工況2拱頂處的徑向位移(-0.309 m)與拱腳處的徑向位移(-0.274 m)差距較大,說(shuō)明隧道拱部變形不均勻性增大,原因是隧道橫斷面上豎向地應(yīng)力(16.40 MPa)與水平地應(yīng)力(22.05 MPa)相差較大,導(dǎo)致拱頂處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,使得圍巖屈服變形較為嚴(yán)重.

3.2　圍巖壓力

在隧道洞周預(yù)埋試驗(yàn)用微型土壓力盒用以量測(cè)初期支護(hù)與圍巖之間的徑向接觸壓力,結(jié)果如圖19 所示.

(b) 工況2圖19　初期支護(hù)與圍巖之間的徑向接觸壓力(單位:MPa)Fig.19　Radial contact pressure between the primary support and surrounding rock (unit:MPa)

由圖19可知:工況1與工況2各測(cè)點(diǎn)初期支護(hù)與圍巖之間的徑向力均為壓力,說(shuō)明隧道開(kāi)挖導(dǎo)致圍巖向洞內(nèi)產(chǎn)生擠壓;兩種工況下,各測(cè)點(diǎn)圍巖壓力的量值均大于規(guī)范荷載,依托工程Ⅴ級(jí)圍巖中深埋隧道的垂直壓力為0.252 MPa,水平壓力為0.075～0.126 MPa,說(shuō)明高地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)圍巖壓力影響顯著,在襯砌設(shè)計(jì)及工法選擇時(shí)應(yīng)引起注意;工況2各測(cè)點(diǎn)初期支護(hù)與圍巖之間的徑向接觸壓力均大于工況1;兩種工況下,初期支護(hù)與圍巖之間的徑向接觸壓力的最大值均出現(xiàn)在墻腳處,最小值均出現(xiàn)在仰拱處;工況1拱腳處的圍巖壓力小于拱頂處的圍巖壓力,工況2拱腳處的圍巖壓力則大于拱頂處的圍巖壓力.

3.3　圍巖應(yīng)變

試驗(yàn)過(guò)程中,在隧道洞周預(yù)埋應(yīng)變磚,用以監(jiān)測(cè)隧道開(kāi)挖引起的洞周?chē)鷰r的應(yīng)變?cè)隽?依據(jù)應(yīng)變磚記錄結(jié)果,通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到了各觀測(cè)點(diǎn)的徑向和切向圍巖應(yīng)變?cè)隽?結(jié)果如圖20所示.圖中,3 737.09 表示3 737.09 με，其余數(shù)據(jù)同理；正值表示拉應(yīng)變?cè)隽?負(fù)值表示壓應(yīng)變?cè)隽浚沪艦閼?yīng)變.

由圖20可知，兩種工況下洞周?chē)鷰r的徑向應(yīng)變?cè)隽烤鶠槔瓚?yīng)變?cè)隽?切向應(yīng)變?cè)隽烤鶠閴簯?yīng)變?cè)隽?即隧道開(kāi)挖使得圍巖向洞內(nèi)產(chǎn)生松動(dòng)變形,導(dǎo)致洞周?chē)鷰r徑向應(yīng)力減小,切向應(yīng)力集中.

兩種工況洞周?chē)鷰r應(yīng)變?cè)隽吭诳臻g分布和量值大小上存在明顯差異:最大水平主應(yīng)力與隧道軸線平行時(shí),由于在隧道橫斷面上豎向地應(yīng)力(16.4 MPa)大于水平地應(yīng)力(13.26 MPa),導(dǎo)致拱腳處的圍巖應(yīng)變?cè)隽啃∮诠绊敽脱龉疤幍膰鷰r應(yīng)變?cè)隽?最大水平主應(yīng)力與隧道軸線垂直時(shí),由于在隧道橫斷面上豎向地應(yīng)力(16.4 MPa)小于水平地應(yīng)力(22.05 MPa),使得拱腳處的圍巖應(yīng)變?cè)隽看笥诠绊敽脱龉疤幍膰鷰r應(yīng)變?cè)隽?工況1拱腳處的應(yīng)變?cè)隽啃∮诠r2的,而工況1 拱頂處的應(yīng)變?cè)隽縿t大于工況2的,兩種工況拱肩和墻腳處的應(yīng)變?cè)隽吭诹恐瞪陷^為接近.

(b) 工況2圖20　開(kāi)挖引起的洞周?chē)鷰r應(yīng)變?cè)隽縁ig.20　Strain increment of surrounding rock caused by tunnel excavation

4　結(jié)　論

本文以藍(lán)家?guī)r超大埋深特長(zhǎng)公路隧道為依托,采用自主研制的“隧道三維應(yīng)力場(chǎng)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)”開(kāi)展了室內(nèi)模型試驗(yàn),研究了特定高地應(yīng)力場(chǎng)條件下最大水平主應(yīng)力方向?qū)泿r隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律,得到了如下結(jié)論:

(1) 在σHV型高地應(yīng)力場(chǎng)條件下,最大水平主應(yīng)力與隧道軸線平行時(shí),洞周?chē)鷰r的拱頂沉降、拱腳收斂的量值比最大水平主應(yīng)力與隧道軸線垂直時(shí)要小.

(2) 兩種工況下,初期支護(hù)與圍巖之間的接觸壓力量值均大于規(guī)范值,圍巖壓力的最大值均出現(xiàn)在墻腳處,最小值均出現(xiàn)在仰拱處;最大水平主應(yīng)力方向?qū)鷰r壓力影響顯著,工況2各測(cè)點(diǎn)的圍巖壓力均大于工況1,且工況1拱頂處的圍巖壓力大于拱腳處的圍巖壓力,工況2拱頂處的圍巖壓力則小于拱腳處的圍巖壓力.

(3) 兩種工況下,圍巖的徑向應(yīng)變?cè)隽烤鶠槔瓚?yīng)變?cè)隽?切向應(yīng)變?cè)隽烤鶠閴簯?yīng)變?cè)隽?說(shuō)明隧道開(kāi)挖使得圍巖向洞內(nèi)產(chǎn)生松動(dòng)變形,導(dǎo)致洞周?chē)鷰r徑向應(yīng)力減小,切向應(yīng)力集中;在隧道橫斷面上,工況1拱腳處的圍巖應(yīng)變?cè)隽啃∮诠绊敽脱龉疤幍膰鷰r應(yīng)變?cè)隽?工況2拱腳處的圍巖應(yīng)變?cè)隽看笥诠绊敽脱龉疤幍膰鷰r應(yīng)變?cè)隽?工況1拱腳處的應(yīng)變?cè)隽啃∮诠r2拱腳處的應(yīng)變?cè)隽?而工況1拱頂處的應(yīng)變?cè)隽縿t大于工況2拱頂處的應(yīng)變?cè)隽?

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