地形偏壓對(duì)公路隧道偏壓程度影響模型試驗(yàn)研究

代樹(shù)林， 楊有源， 辛毓龍， 左天宇

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院， 長(zhǎng)春 130026； 2.青島市勘察測(cè)繪研究院， 青島 266000)

隧道施工過(guò)程中遇到一些復(fù)雜的地形條件時(shí)，就容易出現(xiàn)各種各樣的難題，例如隧道偏壓?jiǎn)栴}就常出現(xiàn)于傍山或沿河的隧道工程中[1-3]。隧道偏壓會(huì)在隧道施工、圍巖和襯砌受力等方面都會(huì)產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響隧道穩(wěn)定甚至造成隧道塌方[4-7]，因此對(duì)公路偏壓隧道的研究具有重大意義。目前，對(duì)公路隧道偏壓程度的判定方面主要參考鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[8]，缺乏明確的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。由于公路隧道與鐵路隧道在斷面形式、尺寸等都有所不同，以鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范來(lái)判定公路隧道偏壓程度誤差會(huì)較大，一些學(xué)者也對(duì)公路隧道偏壓程度等問(wèn)題進(jìn)行了研究。張成良等[9]通過(guò)理論分析結(jié)合數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)公路隧道豎向偏壓應(yīng)力、巖體豎向位移隨埋深增加而減小。于清楊等[10]通過(guò)數(shù)值分析的方法用拱肩應(yīng)力比判定Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖公路隧道是否偏壓。湯競(jìng)等[11]揭示了不同埋深、坡度下不同方向圍巖壓力變化規(guī)律。石效民等[12]發(fā)現(xiàn)修建淺埋偏壓隧道時(shí)，圍巖壓力易集中于隧道拱腳處。白偉等[13]得出了埋深、坡度、跨度對(duì)偏壓程度的大致影響規(guī)律，給出了公路隧道偏壓程度定性判定的參考標(biāo)準(zhǔn)。

為直觀地反映不同地形偏壓對(duì)公路隧道偏壓程度影響情況，以回頭溝隧道右幅進(jìn)口段為原型，以相似理論[14]為基礎(chǔ)，采用模型試驗(yàn)的方式模擬不同埋深和地形坡度組合下的圍巖應(yīng)力分布情況，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的圍巖應(yīng)力值比較，驗(yàn)證模型試驗(yàn)的合理性；以拱腳偏壓系數(shù)來(lái)表述回頭溝隧道偏壓程度，并得出地形偏壓下Ⅴ級(jí)圍巖公路隧道偏壓程度判定表，為本工程提供指導(dǎo)，也為其他不同地形偏壓下Ⅴ級(jí)圍巖公路隧道偏壓程度判定和偏壓?jiǎn)栴}的處理提供參考。

1 工程概況

隧道原型位于吉林省通化市回頭溝村鶴大高速路段，隧道呈東西方向的大體走向[15]。隧道圍巖以花崗片麻巖為主[16]。

試驗(yàn)斷面原型取于回頭溝隧道右幅進(jìn)口淺埋偏壓地段，Ⅴ級(jí)圍巖飽受斷層影響，隧道偏壓?jiǎn)栴}較嚴(yán)重。隧址區(qū)地表水體較小，地下水類型較單一。試驗(yàn)原型照片如圖1所示。

圖1 回頭溝隧道現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.1 Scene photo of the Huitougou Tunnel

2 模型試驗(yàn)

2.1 物理力學(xué)相似參數(shù)確定

本次試驗(yàn)以回頭溝隧道右幅進(jìn)口管棚段為原型，為使試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鲄?shù)都滿足相似性[17]，以相似理論為基礎(chǔ)，相似參數(shù)確定如下。

(1)容重相似比：Cγ=1.0。

(2)幾何相似比：CL=80。

2.2 相似材料選取

2.2.1 圍巖

在各種材料選擇時(shí)，主要從材料性能、成本低、購(gòu)買方便、成型時(shí)間短、易于操作等特點(diǎn)[18]來(lái)考慮。所以，在對(duì)各種材料比選后選取骨料(分為粗骨料和細(xì)骨料)和膠結(jié)物作為圍巖制作的主材料。為提高模型材料的強(qiáng)度使其盡量達(dá)到要求，選用鐵砂(粗骨料)、白剛玉(細(xì)骨料)40目和120目，水泥漿膠結(jié)。試樣制作時(shí)鐵砂和白剛玉配比都為1∶1，共25個(gè)試樣，1∶1.6水灰比(水泥漿占比22%)為第一組，1∶1.4水灰比(水泥漿占比19%)為第二組，第三組為1∶1.2水灰比(水泥漿占比16%)，第四組為1∶1水灰比(水泥漿占比13%)，最后一組為1∶0.8水灰比(水泥漿占比10%)。各試樣的物理力學(xué)指標(biāo)通過(guò)單軸壓縮和三軸試驗(yàn)來(lái)測(cè)定，最后選擇的是第三組試樣配比。最終得到的原型與模型圍巖各力學(xué)參數(shù)如表1所示。

師：看來(lái)對(duì)AP 2=BP 2=AN·BM這一關(guān)系的發(fā)現(xiàn)也是制約我們解題和出題的原因，那我們現(xiàn)在會(huì)出題了嗎？

表1 原型和模型圍巖力學(xué)參數(shù)對(duì)應(yīng)表Table 1 Surrounding rock mechanical parameters comparison table of prototype and model

2.2.2 襯砌混凝土

模型襯砌骨料經(jīng)調(diào)查后選擇特種石膏，石膏與水質(zhì)量比從1.3～2.1倍，每隔0.2共配制序號(hào)從小到大的5組試樣。最終經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)定選擇C25號(hào)噴射混凝土(初期支護(hù))采用第四組石膏試樣，C30號(hào)模筑混凝土(二襯)則采用第一組。

由于混凝土模擬材料的力學(xué)參數(shù)與凝固時(shí)間關(guān)系較大,6 d后各參數(shù)才基本穩(wěn)定,所以選取時(shí)間為凝固7 d后，各參數(shù)對(duì)照如表2所示。

表2 原型與模型襯砌混凝土力學(xué)指標(biāo)對(duì)照表Table 2 Lining concrete mechanical indexes comparison table of prototype and model

2.2.3 管棚和鋼筋

采用地層預(yù)加固的方式模擬管棚，用配比(質(zhì)量比)為5∶5∶2的鐵砂、白剛玉和水泥漿來(lái)最終模擬地層加固圈，模型加固圈的地層參數(shù)也由黏聚力C=1.0 kPa，內(nèi)摩擦角φ=24°提升至C=4.0 kPa，φ=52°，進(jìn)行預(yù)加固。鋼支撐工字鋼為2 mm鐵絲，原型材料抗拉剛度EI=1.37×107N·m2，模型抗拉剛度EI=1.07×1010N·m2。二襯主筋選擇若干直徑1 mm的鐵絲，箍筋最合適的材料是混凝土纖維。原型與模型二襯鋼筋抗彎EA、抗拉剛度EI對(duì)照如表3所示。

表3 原型與模型二襯鋼筋抗彎、抗拉剛度對(duì)照表Table 3 Secondary lining steel flexural and tensile stiffness comparison table of prototype and model

2.3 模型制作

模型初襯中的支撐骨架由定制的若干鋼管和試件組合而成。石膏澆筑成型后需養(yǎng)護(hù)7 d，常溫條件即可，最終得到的二襯模型如圖2所示。

圖2 二次襯砌模型Fig.2 Secondary lining model

以二次襯砌為基礎(chǔ)，在制作初期支護(hù)模型時(shí)，在澆筑拌制好的石膏之前需先將鐵片套在支撐骨架兩側(cè)，制作好后同樣養(yǎng)護(hù)7 d，如圖3所示。襯砌模型都制作好后開(kāi)始澆筑圍巖，最后再養(yǎng)護(hù)24 d即可。

圖3 初期支護(hù)模型Fig.3 Initial support model

2.4 模型加載裝置

圖4 模型加載系統(tǒng)Fig.4 The loading system of tunnel model

2.5 模型測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)采用宇博智能薄膜壓力傳感器測(cè)量初襯與圍巖之間的接觸壓力，選取拱頂、上拱肩、下拱肩、邊墻、底腳共9處作為具有代表性壓力測(cè)點(diǎn)。

2.6 偏壓加載方案

在彈性設(shè)計(jì)階段進(jìn)行9組試驗(yàn)，控制起始埋深5 m，每次增加5 m直至45 m；起始坡度5°，以每5°的梯度增加至40°，計(jì)算施加在不同埋深和地表坡度條件下模型上的壓力并記錄，加壓順序由低到高，每次加載完30 min后讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取完后再隔30 min進(jìn)行下次加載。每組試驗(yàn)均進(jìn)行8次加壓，直至襯砌破壞。使用壓力傳感器監(jiān)測(cè)初期支護(hù)與圍巖間徑向壓力。在坡腳和埋深的不同組合下，對(duì)模型前后兩斷面進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)各檢測(cè)位置取平均值。

3 模型試驗(yàn)合理性驗(yàn)證分析

為分析所制作的隧道模型與試驗(yàn)原型誤差大小，選取回頭溝隧道進(jìn)口段埋深約12.5 m，地表坡度約20°的RK315+710斷面，并與模型試驗(yàn)進(jìn)合理性驗(yàn)證。，采用土壓力盒監(jiān)測(cè)圍巖與初襯間圍巖壓力。選取地面地形坡度為20°，埋深在10 m和15 m之間線性插值的模型圍巖應(yīng)力值進(jìn)行換算后與所選斷面監(jiān)測(cè)的圍巖應(yīng)力值相對(duì)比。由于模型試驗(yàn)在隧道斷層、節(jié)理、含水性等方面無(wú)法準(zhǔn)確模擬，故和試驗(yàn)原型存在一定的誤差[19]，各測(cè)點(diǎn)具體誤差值如圖5所示。

分析可知，模型試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圍巖壓力值變化趨勢(shì)大體相同，隧道兩側(cè)都從上拱肩到拱腳大致減小。由于模型材料澆筑后無(wú)法保證完全達(dá)到強(qiáng)度要求,加壓后對(duì)試驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生干擾，且采用條形加載方式加壓，加壓不均勻，導(dǎo)致模型試驗(yàn)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖應(yīng)力存在誤差，深埋側(cè)下拱肩、邊墻誤差最大，但誤差都不超過(guò)13%，試驗(yàn)結(jié)果基本符合實(shí)際，模型制作較合理。

4 不同地形偏壓對(duì)公路隧道偏壓程度影響分析

為更直觀地了解隧道對(duì)稱位置圍巖應(yīng)力差距，進(jìn)而得出隧道不同位置偏壓程度，引用工程中不對(duì)稱程度的表達(dá)式[13，20],以隧道左右兩側(cè)圍巖應(yīng)力差與兩側(cè)圍巖應(yīng)力均值之比定義拱肩、邊墻、拱腳的偏壓系數(shù)，計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：σ右為隧道右側(cè)測(cè)點(diǎn)圍巖應(yīng)力；σ左為隧道左側(cè)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)圍巖應(yīng)力。

根據(jù)模型加載結(jié)果，設(shè)定模型試驗(yàn)的偏壓系數(shù)范圍為0～2，偏壓程度和偏壓系數(shù)成正比例關(guān)系。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)得到初期支護(hù)和圍巖間的壓力值，結(jié)合式(1)，得到不同地形偏壓下上拱肩、下拱肩、邊墻、拱腳的偏壓系數(shù)值，并進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

圖6 坡度不同時(shí)各位置偏壓系數(shù)對(duì)比圖Fig.6 Bias coefficients comparison diagram of various positions with different slope

分析可知，各地表坡度、埋深組合下，拱腳偏壓系數(shù)均是最大的，說(shuō)明拱腳處偏壓最嚴(yán)重，在實(shí)際公路偏壓隧道中應(yīng)該優(yōu)先考慮拱腳處偏壓程度。

4.1 埋深對(duì)公路隧道偏壓程度影響分析

為分析埋深對(duì)偏壓程度影響，繪制以埋深為橫坐標(biāo)的拱腳偏壓系數(shù)曲線，如圖7所示。

圖7 拱腳偏壓系數(shù)隨埋深變化曲線Fig.7 Curve of arch foot bias coefficient with depth

拱腳偏壓系數(shù)隨埋深變化曲線類似反比例函數(shù)曲線，隨著埋深的增加，拱腳偏壓程度不斷減小，偏壓系數(shù)變化率也大致遞減。坡度小于10°時(shí)偏壓程度隨埋深的變化較不明顯。埋深小于10 m時(shí)：偏壓程度下降較慢；10～25 m時(shí)，下降速率明顯加快；25～35 m時(shí)：下降速率又減緩；當(dāng)埋深大于35 m時(shí)：偏壓程度和隨埋深增加的變化程度都較小，坡度大于30°時(shí)，偏壓程度仍略有減小且最小偏壓系數(shù)明顯大于25°，坡度小于30°時(shí)偏壓程度基本不變。

4.2 坡度對(duì)公路隧道偏壓程度影響分析

為分析地表坡度對(duì)偏壓程度的影響，繪制以地表坡度為橫坐標(biāo)的拱腳偏壓系數(shù)曲線，如圖8所示。

圖8 拱腳偏壓系數(shù)隨坡度變化曲線Fig.8 Curve of arch foot bias coefficient with slope

隨著地表坡度的增加，拱腳偏壓程度不斷增大。坡度小于10°時(shí)：偏壓程度呈線性遞增，偏壓程度隨坡度的增加變化不明顯；坡度10°～15°時(shí)：埋深小于15 m偏壓程度變化速率加快，埋深大于10 m保持線性增加；坡度大于15°時(shí)：埋深小于30 m偏壓程度近似呈線性增加，增加速率變化較小。坡度大于25°時(shí)：偏壓程度增加速率較大，偏壓效應(yīng)明顯。

4.3 公路隧道偏壓程度判定

根據(jù)不同偏壓條件下拱腳偏壓系數(shù)變化規(guī)律，并結(jié)合工程實(shí)際偏壓程度，將Ⅴ級(jí)圍巖公路隧道劃分為可忽略、輕微、稍嚴(yán)重和嚴(yán)重4種偏壓程度。拱腳偏壓系數(shù)小于0.6為可忽略偏壓，0.6～0.8為輕微偏壓，0.8～0.9為稍嚴(yán)重偏壓，大于0.9為嚴(yán)重偏壓，得到Ⅴ級(jí)圍巖公路隧道偏壓程度判定表，如表4所示。

表4 Ⅴ級(jí)圍巖公路隧道偏壓程度判定表

該偏壓程度判定表埋深和坡度都以每5個(gè)單位間隔進(jìn)行累加。偏壓程度與埋深和地形坡度的關(guān)系分別是負(fù)相關(guān)和正相關(guān)。當(dāng)坡度小于10°時(shí)，隧道多為可忽略偏壓狀態(tài)。當(dāng)埋深超過(guò)35 m時(shí)，隧道多呈輕微甚至可忽略偏壓狀態(tài)，偏壓效應(yīng)不明顯。需要注意的是，當(dāng)埋深小于10 m且坡度大于25°時(shí)，大多為嚴(yán)重偏壓狀態(tài)，易影響隧道穩(wěn)定性。在實(shí)際工程若遇到非整數(shù)梯度情況，應(yīng)將參數(shù)降低到就近的整梯度結(jié)合該表進(jìn)行判定。

5 結(jié)論

回頭溝隧道模型試驗(yàn)被驗(yàn)證合理之后，根據(jù)模型試驗(yàn)不同地形偏壓條件下偏壓程度分析，得到如下結(jié)論。

(1)隨著埋深的增加，隧道偏壓程度不斷減小，變化率也大致遞減。坡度小于10°時(shí)偏壓程度較小，隨埋深的增加變化不明顯，多為可忽略偏壓。埋深大于35 m時(shí)，偏壓程度變化較小，多為輕微甚至可忽略偏壓。

(2)隨著地表坡度的增加，隧道偏壓程度不斷增大。坡度小于10°時(shí)，偏壓程度呈線性遞增，偏壓程度隨坡度的增加變化不明顯；坡度大于25°時(shí)：偏壓程度增加速率較大，偏壓效應(yīng)明顯，且埋深小于10 m時(shí)，大多為嚴(yán)重偏壓狀態(tài)。

(3)結(jié)合不同偏壓條件下拱腳偏壓系數(shù)變化規(guī)律和工程實(shí)際，得到埋深5 m、地表坡度5°為梯度的Ⅴ級(jí)圍巖公路隧道偏壓程度判定表。