浅埋大跨隧道预加固措施相似模型试验研究

李化云，张志强，王志杰，凌云鹏，张 浩

（西南交通大学 土木工程学院地下工程系，成都 610031）

1 引 言

随着客运专线整个技术标准的提高，隧道挖方高度受到限制，出现了大量的客运专线浅埋隧道。浅埋隧道围岩一般风化较重，具有大量的软弱破碎带，这些隧道工程施工难度大，风险大，施工中极易塌方和变形，特别是在围岩破碎的不良地层中。在浅埋隧道洞口段不稳定围岩中，特别是大断面隧道中，因开挖宽度和高度都大，隧道上部地层不能很好地形成承载拱，地层松弛将达到地表，为了控制围岩的松弛必须采取一定的工程措施。对此，国内外先后提出了许多预加固措施，并且开展了一些的研究，其中应用较广的有注浆加固、管棚加固和小导管加固。

原苏联全苏运输建筑工程科学研究所和莫斯科汽车公路学院采用物理模型试验[1]，研究了在管棚预加固支护下隧道周围土体的应力状态。日本米山秀树等[2]、足立纪尚等[3]通过模型试验，对管棚超前支护效果及机制进行了研究。国内孔恒等[4－6]研究认为，小导管或管棚具有承载和传递荷载以及加固围岩力学参数的作用。此外，陈炜韬[7]对土质围岩隧道开挖过程中注浆、小导管、正面锚杆及其相互组合等预加固措施的支护效果进行了室内模型试验研究。

本文采用室内相似模型试验，通过分析隧道开挖过程中围岩应力和位移的变化规律，研究预加固措施对隧道开挖过程中围岩稳定性的影响，并且，对管棚和双排小导管预加固措施的加固机制进行探讨。

2 模型试验概况

2.1 物理力学参数的相似关系

以几何相似比和重度相似比为基础相似比，实现在弹性范围内控制各物理力学参数的相似性，根据相似准则[8]可得各物理力学参数原型值与模型值的相似比。几何相似比 Cl=25，重度相似比Cγ=1，泊松比、应变、内摩擦角相似比：Cμ=Cε=Cφ=1，强度、应力、黏聚力、弹性模量相似比：CR=Cσ=Cc=CE=25。

2.2 相似材料选取

本次试验以京沪高速铁路最大规模岩堆体的西渴马1号隧道Ⅴ级围岩为依托工程。围岩原型、模型的物理参数按规范[9]取值，见表 1。相似围岩材料由重晶石粉、粉煤灰、细砂以及机油按一定比例配置而成，含量百分比见表2。

表1 围岩原型和相似材料物理力学参数Table1 Physico-mechanical parameters of prototype of surrounding rock and similarity material

表2 相似材料配合比（重量百分比）Table2 Mixing proportion of similarity materials(weight percentage)

喷射混凝土按规范[9]取值，相似材料采用比例为水：石膏 = 1:1.5的石膏材料人工现场喷涂模拟。

管棚和小导管通过采用等效抗弯刚度方法模拟。管棚采用外径为6 mm，内径为5 mm的铜管模拟，铜管的长1.5 m，管棚位置在拱顶120°的范围内，并在管棚的起始端模拟施做了套拱。小导管采用直径为3 mm铜杆模拟，长30 cm，弹性模量E约为120 GPa。在拱顶120°的范围内布置，第一排为5°，第二排为15°。使用之前，都用环氧树脂作胶结剂并沿杆长粘一层细粒石英砂，以模拟构件与围岩间摩擦力，开挖之前预埋到设计位置。

2.3 试验设计

2.3.1 试验装置及量测设备

全部试验在专门制作的台架式钢板试验模型槽内进行，试验模型槽的尺寸为 3.0 m×3.0 m×0.9 m，台架背面为反力墙，正面由数个大型钢架及槽钢和角钢组成的刚度较大的结构，并引入钢化玻璃便于观察模型的破坏部位和破坏过程，试验装置实物见图1，试验模型具体尺寸见图2。数据采集系统由位移计、土压力盒、应变片等传感元件及数据采集仪和计算机等构成，量测数据均由静态应变数据采集仪自动采集。

图1 模型试验装置Fig.1 Model test equipment

图2 试验模型的具体尺寸（单位：mm）Fig.2 Specific size of test model (unit: mm)

2.3.2 试验概况

本次主要研究洞口段Ⅴ级围岩条件下采用管棚、双排小导管预加固措施的支护效果，试验工况见表3。每次试验共分为3个阶段：准备阶段、预埋阶段、将土压力盒、管棚、位移计等预埋到指定位置。开挖试验阶段：(1) 没有初支的情况下，每次开挖进尺为10 cm，直至采集数据大致稳定后，方可进行下个进尺的开挖，共开挖70 cm；(2) 在有初支情况下，首先开挖10 cm，待数据基本稳定后，进行第二个10 cm开挖，在开挖第三个10 cm之前，对第一次开挖的毛洞进行支护，这样就完成一个循环，共开挖70 cm。

表3 试验工况Table3 Test conditions

2.3.3 测点布置

位移测点布置、围岩应力测点布置如图 3～4所示。所有测点布设在同一纵断面上，并在预加固支护上方，该断面离模型边界（玻璃）大致为15 cm左右。

图3 地中、地表位移测点布置图（单位：mm）Fig.3 Layout of surface and inner displacement monitoring points(unit: mm)

图4 竖向应力测点布置图（单位：mm）Fig.4 Layout of vertical stress monitoring points(unit: mm)

3 试验结果及分析

3.1 预加固措施对围岩位移的影响

3.1.1 地表竖向位移

各种工况对应的地表竖向位移随开挖进尺的变化关系（按相似关系换算），如图5所示。

图5 测点1、4、7位移变化曲线Fig.5 Variation curves of displacement of monitoring points 1,4,7

通过图5可见，在工况1、2、4中，隧道开挖段上方测点 7竖向位移最大，测点 1竖向位移次之，未开挖段上方测点4的地表竖向位移最小，表明越靠近隧道受影响越大。但是，在工况3中，测点7的竖向位移要小于测点1结果，因为在管棚起始端施做了套拱，约束了管棚起始端，减小了管棚起始端的地表沉降。

以测点7来分析不同的预加固措施中竖向位移的变化情况，工况1中竖向位移为20.3 mm，工况2中竖向位移为 7.2 mm，工况 3中竖向位移为4.0 mm，相对工况2减少了44.62%，工况4中竖向位移为2.7 mm，相对工况2减少了62.38%，说明在浅埋隧道开挖的过程中，隧道上部地层不能很好地形成承载拱，地层松弛将达到地表，而管棚和双排小导管预加固措施则能与周边岩土体有效形成承载拱，减少上部岩土体的松弛。

3.1.2 地中竖向位移

经几何相似比换算后各种工况对应的地中竖向位移随开挖进尺的变化关系如图 6 所示。测点6在隧道开挖范围的中间部位，在拱顶上方2 m左右，该点位置具有典型性，因此通过该点来分析不同工况下，拱顶上方围岩竖向位移的变化。由图 6(c)可见，隧道掘进到7.5 m之前，各种工况下测点6的竖向位移变化不大，当掌子面达到测点6正下方时（掘进到10 m），工况1、2测点6位移迅速增大，而工况3、4测点6位移变化较小。隧道开挖至17.5 m时，测点6竖向位移：工况1＞工况2＞工况4＞工况 3，表明预加固措施都能很好地控制拱顶上方岩土体的变形。

对隧道纵向上测点 6与测点 3位移的比较可得，（1）在工况1、2中，离掌子面越近的测点，其竖向位移越小，可见掌子面土体可视为支撑，约束其附近上部一定范围岩土体的松弛，而使其变形较小。在工况3、4有预加固措施的情况下，随着掌子面推进，测点6和测点3的位移差值很小，说明了管棚和双排小导管支护限制了上部围岩的变形，使上部围岩受到隧道开挖的影响较小；（2）随着隧道的推进，工况3中两个测点位移始终要小于工况4，表明在纵向上管棚支护的梁效应要优于双排小导管，究其原因可能是小导管的长度及抗弯刚度不及管棚，且小导管间搭接次数多，整体性较差，导致力在传递过程中出现一定的耗散。

比较隧道横向测点 9 和测点 3 可知：（1）离地表越近，竖向位移越小，愈靠近预加固措施上方岩土体竖向位移越大，可见隧道的开挖影响了上部围岩的稳定，越靠近地表影响越小。工况 3、4 的位移要小于工况 1、2，说明预加固措施与周边的围岩形成了承载拱，控制了隧道上覆岩土体的变形；（2）工况4中测点3的位移要大于工况3的，但工况4中测点9的位移却要小于工况4，说明横向上双排小导管与周边围岩形成的承载拱效应要强于管棚支护，因为小导管具有锚杆的作用，且其在横向上的加固范围要大于管棚。

图6 测点2、3、6、9位移变化曲线Fig.6 Variation curves of displacement of monitoring points 2,3,6,9

3.2 预加固措施对围岩应力的影响

经相似比换算后得出各种工况对应的围岩竖向应力的变化量随开挖进尺的变化关系如图 7所示。由图7(a)可见，在隧道掘进到7.5 m之前，各种工况下测点竖向应力变化量很小，当掌子面达到其正下方时（掘进到10 m），工况1、2中测点应力迅速减小，而工况3、4测点应力变化很小，可见掌子面围岩起到支撑作用限制了上部围岩的应力释放。隧道开挖至17.5 m时，测点3竖向应力变化量：工况1＞工况2＞工况4＞工况3，管棚和双排小导管加固，使得应力减小量相对于仅在初期支护作用下分别减小了 65.6%和 57.8%。观察其余测点数据变化，整体上都有相同规律，与章节3.1的位移分析结果也相吻合，说明预加固措施能改善围岩的内部环境，将未松动的初始平衡直接转移到已建成隧道段和前方未开挖段形成最终平衡，有效控制了拱顶上方围岩的应力释放，且预加固措施与周围岩土体形成的承载拱，使下部围岩不直接承受上部全部荷载，仅受到加固圈变形引起的形变压力，大大减小了开挖面围岩所承受的压力，有利于掌子面的稳定。

图7 测点竖向应力变化曲线Fig.7 Variation curves of vertical stress of monitoring points

通过分析各测点应力变化量随开挖进尺的变化规律可知，（1）纵向测点3～5的竖向应力变化量相对于测点8、9、13而言，变化较大，印证了离隧道越近围岩受影响越大；（2）工况3中各测点应力变化量小于工况4相对应测点的应力变化量，说明管棚的梁效应要大于小导管；（3）工况 3中测点3～5的竖向应力变化量要小于工况4，但测点8、9、13在工况3中的应力变化量却大于工况4，这很好地印证了前面位移分析结果：横向上双排小导管与周边围岩形成的承载拱效应要强于管棚支护，从而更好地控制上部围岩的应力释放。

4 结 论

（1）在隧道轴向上，管棚和双排小导管都能起到梁的作用，将上部荷载传递给后方的支护结构以及掌子面前方的岩体，很好地控制上方岩土体由于隧道开挖而导致的松动，并且减少掌子面上方围岩应力，保证了掌子面的稳定性。

（2）在隧道横向上，管棚和双排小导管能与周围的岩体形成承载拱，承受上部围岩的重量，使下部的围岩与支护体系只承受上部棚架体系变形引起的形变压力。

（3）管棚的纵向梁效应要强于双排小导管，因小导管的长度及抗弯刚度都不及管棚，且小导管间搭接次数多，整体性较差，但双排小导管的横向拱效应要强于管棚，因小导管具有锚杆作用同时，在横向上的加固范围要大于管棚。

预加固措施与周围岩土体形成的支护体系产生的梁拱效应，减少了上部围岩因开挖而产生的应力释放、加快了岩土体的平衡，从而控制了地层位移、保证掌子面稳定，提高了支护结构的安全性。

[1]马同骧译. 管棚支护与土壤的相互作用(俄文)[J]. 隧道译丛. 1986,(3): 34－38.Translation MA Tong-xiang. The interaction between pipe-roof support and soil(Russian)[J]. Tunnel Translation Series,1986,(3): 34－38.

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