隧道复合式衬砌初期支护极限状态模型试验研究

冯冀蒙 ，仇文革 ，王 航

（1. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031; 2. 西南交通大学 土木工程学院，成都 610031）

1 引 言

随着我国铁路建设事业的蓬勃发展，隧道的建设也逐渐涉足于高地应力、高地震烈度、岩溶发育、不良地质发育、软岩分布广的区域。在这类隧道的修建过程中，初期支护是保证隧道稳定性的重要构件[1]，因此，在此之前针对初期支护的研究已经取得了很多成果，为隧道建设的安全生产提供了强有力的技术保证。由于隧道结构自身的特点，决定了初期支护的不可维修性，同时由于环境因素，初期支护不可避免地会在运营期出现劣化，甚至在未到设计年限就已失效达到极限状态[2]，这时势必会引起隧道结构整体承载能力的降低，对于普遍使用的锚杆、钢架和喷混凝土这3种构件的极限状态，隧道结构整体承载能力的变化会有怎样的不同，至今鲜有研究。在软弱围岩隧道中，锚杆、钢架和喷射混凝土这3种构件会被普遍采用，通过室内模型试验，分别对锚杆、钢架和喷射混凝土的失效模拟，了解隧道结构整体承载能力的变化情况，为隧道结构的全寿命期设计提供参考。

2 模型试验设计

模型试验的设计主要有模拟方法、相似比的设计、材料的测试及选用和测点布置设计等方面。

2.1 模拟方法

试验采用设计时速为250 km/h双线V级深埋隧道作为原型，设计参数参照设计标准图，主要参数见表 4中的原型参数。试验的几何相似比采用1:50，考虑了试验域的情况之后，专门定制了净空为1.6 m×1.6 m×0.5 m的模型试验箱，如图1所示，试验箱上盖板做成加载梁，与 MTS控制的千斤顶相连，可以上下移动并进行控制加载；为了满足平面应变条件，前后板外侧采用肋板加固以提高其刚性；正面为了开挖及观察方便，中间设置了0.8 m×0.8 m的钢化玻璃，钢化玻璃中间开隧道断面形状的孔，并用2 mm厚钢板覆盖，在边界上通过设置双层塑料膜以消除边界约束效应。

图1 模型试验箱图（单位：cm）Fig.1 Model test chamber (unit: cm)

2.2 相似比设计

根据室内模型试验的基本原理和 Buckingham的π定理[3]，各物理量相似比如表1。

表1 空间模型各种参数相似比Table 1 Similarity ratios of parameters in model test

2.3 材料的测试与选用[4－5]

隧道模型试验的材料之前已经进行了大量的研究，本试验中衬砌采用石膏和水模拟；采用细砂模拟V级围岩，参数见表2，可见随着含水率的增加，细沙的力学参数变化并不明显，在试验过程中不考虑围岩的变异；由于整体地层是采用透水的细砂模拟，注水后，大部分水会通过地层流失的，因此，在试验过程中不考虑水压的作用；初期支护的材料采用石膏来模拟，石膏遇水之后会软化，细砂和石膏的力学参数见表2、3，同时石膏会随着水作用时间增加，石膏会完全丧失承载力。

锚杆和钢架采用两种材料模拟，一种是细铁丝外表涂强力胶粘上细砂，直径为0.25 mm左右，外面再包裹石膏，用来模拟可以劣化的砂浆锚杆构件，石膏的劣化和失效可以表示为砂浆的劣化后不能提供足够的握裹力使锚杆构件失效；一种是用铝丝外表涂强力胶粘上细砂，模拟不劣化的构件。

表2 模拟围岩的细砂的力学参数Table 2 Mechanical parameters of fine sand simulated surrounding rock

表3 石膏的力学参数Table 3 Mechanical parameters of gypsum

二衬采用M3，初支采用M7，初支和二衬采用刚度等效模拟，锚杆和钢架采用强度等效模拟，隧道材料力学参数见表 4。二衬预先制作，为了防止二衬材料受潮，在烤干后的二衬石膏模型表面涂抹清漆。

2.4 测点布置

测点布置如图2所示。衬砌变形在内部采用百分表进行测量；采用微型土压力盒进行土压力测量；衬砌的应变采用电阻式应变片进行测量；地中位移采用由铜杆和铜管以及铜片共同组成的装置测量，具体是由在3 mm直径端头的位置焊接1个1.5 cm见方的小铜片，另一个端头与百分表测点固定，铜杆外部套一根稍粗点的铜管，以保护铜杆可以在地层内自由移动。地中位移铜杆及铜片的尺度较小，对结构及地层的影响并不明显。

表4 隧道材料力学参数Table 4 Mechanical parameters of tunnel materials

图2 试验测点布置图Fig.2 Layout of measurement points

2.5 试验步骤

试验步骤为：（1）在预定的位置先埋设好锚杆并填埋土体之后，加载 100 kN的竖向力，模拟250 m的埋深；（2）观察上盖板的位移情况，稳定后打开开挖口的钢板进行开挖，记录隧道的地中位移变化情况；（3）开挖并支护初支完成后，将预制好的二衬模型放入洞内，并注石膏浆使初支和二衬保持密贴；（4）待浆液干燥后，由模型箱背后预留的注水管中逐步注入纯净水，使初期支护劣化并失效，记录二衬的位移、应变数据；（5）待数据稳定一段时间之后，施加竖向力，记录隧道变化的情况。

3 试验情况及结果分析

3.1 试验情况

软岩隧道若不加支护，隧道在开挖过程中不能保持稳定，试验模型采用上下短台阶并预留核心土的方式，及时支护钢架和喷混凝土，在开挖过程中记录拱顶和边墙的地中位移，如图3所示，位移向洞内方向为负。初支如图4所示。

图3 地中位移随开挖进尺的关系曲线Fig.3 Relationship curves between displacement and excavation progress

图4 初支支护完成Fig.4 Primary support finish

为了研究初支每种构件的极限状态，设计了 4种工况，如表5所示。N1工况不劣化，不进行劣化步骤，开挖支护完后，直接加载。

在试验过程中，如何保证构件按照设计的方式失效是试验成败的关键。N2工况时，预先埋设的注水管应靠近锚杆的外侧，远离喷射混凝土；N3工况时，钢架紧贴围岩设置，注水管靠近钢架；N4工况，锚杆和钢架都采用可劣化材料。试验中，须严格控制注水量。试验结束后，查看构件劣化的效果，如不满足设计要求，则重新进行试验。

表5 工况设计表Table 5 Conditions design

从图3中可以看出，在开挖过程中，4个工况的地中位移变化规律是一致的，但数值差别不大，因此可以忽略填埋过程中的差异。

3.2 劣化过程结果分析

3.2.1 位移变化规律

位移可以直观地反映隧道结构的状态变化，对于隧道结构，拱顶和边墙的位移具有代表性，如图5、6所示。

随着初期支护构件的劣化，都会引起衬砌和地中位移的变化，总体来讲，锚杆劣化引起的位移是最小的，初支全部劣化是最大的。位移随着锚杆的劣化，呈现出台阶式的变化，地中位移的数值较另外两种工况的差距并没衬砌变形那么明显，可见锚杆的劣化造成的荷载最先是被钢架和喷射混凝土承担，只有一小部分转移到了二次衬砌上。

图5 衬砌位移随初支劣化的变化规律Fig.5 Variations of lining displacement vs. time

图6 地中位移随初支劣化的变化规律Fig.6 Variations of rock displacement vs. time

3.2.2 二衬荷载的变化规律

图7为二次衬砌拱顶和边墙受到的荷载的变化曲线，衬砌受到的荷载为压力，用负值表示。

图7 二衬压力的变化规律Fig.7 Variations of lining pressure

总体来讲，衬砌的压力随着劣化呈现出先缓慢增加，后快速增加，而后又趋于稳定的趋势；与位移所表明的情况相似，锚杆劣化对二次衬砌的影响是最小的，初支全部劣化的影响是最大的。

3.2.3 二衬内力的变化规律

通过对二次衬砌内力的测量，可以直接描述衬砌结构的状态。二衬的内力的主要指标有轴力和弯矩，轴力受压为负，弯矩负值表示衬砌内侧受压，通过测量发现，拱顶的轴力最小的，边墙的轴力最大，拱顶的弯矩最大，边墙的弯矩也较大。拱顶和边墙的内力具有代表性，见图8、9所示。

图8 衬砌轴力随初支劣化的变化规律Fig.8 Variations of lining axial force vs. time

图9 衬砌弯矩随初支劣化的变化规律Fig.9 Variations of lining bending moment vs. time

与之前的位移和荷载的结果相似，工况N3的内力是最小的，工况N4是最大的。采用《铁路隧道设计规范》[7]中的公式（11.2.1）和（11.2.2）和表10.2.1-3对工况N4二次衬砌的拱顶和边墙进行安全性检算。计算表明，拱顶系抗拉强度控制承载能力，边墙是抗压强度控制承载能力，拱顶的安全系数为22.3，边墙的安全系数为49.6，远大于规范要求的2.4，由此可见，单纯初期支护失效不会造成二次衬砌的破坏。

3.3 承载力结果分析

通过对初期支护劣化的模拟可知，初期支护不会造成二次衬砌的破坏，但初期支护劣化后对隧道结构的整体承载能力造成了怎样的影响，可以通过施加荷载来测试。试验过程中，当衬砌出现了大量的裂缝、较大的变形、掉块等情况不能继续承载时作为衬砌破坏的标志，以此时的加载力作为隧道结构整体的极限承载力。如图10～12所示，N1的极限承载力为700 kN，N2为600 kN，N3为350 kN，N4为290 kN，可见初期支护构件劣化都会造成隧道结构整体承载力的降低，锚杆的影响最为明显。

3.3.1 衬砌位移变化规律

图10为隧道衬砌拱顶和边墙各工况随加载力的变化规律，从图中可以看出，随着加载力的增加，拱顶的位移是不断增加的，而边墙的位移也会出现一个先向洞外位移然后又向洞内位移的转变过程；在加载力较小时，位移增加不明显，随着加载的增加，各工况的拱顶位移的斜率有了差异，初支全部劣化的斜率最大，其次是锚杆劣化的，然后是钢架劣化的，初支未劣化的最小。

图10 衬砌位移随加载力的变化规律Fig.10 Variations of lining displacement vs. load

3.3.2 围岩压力变化规律

从图11中可以看出，二衬拱顶和边墙的压力都呈现出先增加后减小的趋势，拱顶压力的最大值相差不大，可见二衬在开裂的荷载上是相差不大的。二衬在未开裂前受到的荷载会随着加载的增加而逐渐增加，但随着二衬的开裂，承载能力下降很快，荷载也逐渐随着开裂的程度减小，直到二衬完全不能承载。

图11 二衬压力的变化规律Fig.11 Variations of secondary lining pressure

3.3.3 衬砌内力变化规律

从3.2.3中的检算可知，隧道拱顶的安全系数是最小的，现仅就拱顶的内力进行分析，从图12中可见，衬砌轴力和弯矩基本都呈现出先增加，后逐渐趋于稳定的状态，而且弯矩最大值相差不大，可见拱顶的破坏是由弯矩控制的。从轴力和弯矩的数值看出，随着加载的增加，却并没有和压力那样减小，这是由于弯矩和轴力的测量是通过测量衬砌的应变计算所得，衬砌开裂后，已经进入塑性阶段，应变不会减小，因此，此时的内力值会表现为不减小。

4 讨 论

对于初期支护在隧道修建之初的作用，早有了一致的认识，但初期支护在长期使用期内的作用以及其失效后结构耐久性的认识和研究就显得相对不足。在设计基准期内是否考虑初期支护的耐久性，一直是有争论的，由于复合式衬砌结构的特殊性，初期支护的维修是很难完成的，因此，对于软弱围岩来讲，一直都不对初期支护的长期耐久性做要求，这样是偏于安全的。从前面劣化和加载两个阶段的试验可以看出，初期支护不同构件的劣化失效对于隧道结构的影响是有差异的，锚杆的劣化没有钢架和喷射混凝土层劣化对二次衬砌影响大，这是源于锚杆的劣化造成荷载的增加会先转移到钢架和喷混凝土层上，转移到二衬上的荷载不大，而钢架和喷混凝土层的劣化会首先转移荷载到二次衬砌上。即使初期支护全部劣化，转移的荷载也不足以威胁二衬的安全，但这并不意味着以往的针对软弱围岩的设计是保守的，因为影响隧道结构耐久性的因素很多，初期支护失效只是其中的一个因素。

图12 二衬拱顶内力随荷载的变化规律Fig.12 Internal force variations of the lining vault

从隧道结构整体的承载力测试上，虽然钢架和喷射混凝土的失效对二衬造成的影响较大，但承载力的损失上并不明显，锚杆失效对承载力的影响确很明显，最大承载力与初期支护全部失效的情况相差不大，可见初期支护构件中，对整体承载力影响最大的是锚杆失效。由于围岩是承载的主体，锚杆的失效，会降低围岩的承载能力，进而影响隧道结构整体的承载能力。

隧道结构是由围岩、初期支护及二衬组成的复合体系，单独评价二次衬砌的安全性及耐久性是不够的，提高隧道结构的长期耐久性，应该从隧道结构的所有构件入手，适当对初期支护构件采用一些施工保障及防劣化的耐久性措施，对隧道结构整体的耐久性是极为有利的。

5 结 论

（1）通过室内模型试验，对软弱围岩中的隧道复合式衬砌结构的初期支护极限状态进行模拟，发现隧道结构的初期支护失效会引起二衬结构的受力变化，钢架及喷射混凝土层劣化对二衬影响较大，锚杆影响较小，单纯初期支护的劣化远远不会引起二衬结构的失效。

（2）由于锚杆的劣化会降低围岩的承载力，对隧道结构整体的承载能力有较大的影响，因此，保证隧道结构整体承载力不过分降低，对初期支护采取一定的防护措施是极为必要的。

（3）本文是基于室内模型试验的研究，具有一定的局限性，对于特定的以及较为复杂的围岩环境，初期支护失效造成的影响需要进一步研究。

注：特别感谢西南交通大学结构试验中心的薛艾老师给予的大力支持和帮助。

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