不等跨连拱铁路隧道围岩压力分布及受力特征模型试验研究

张俊儒，孙克国，卢 锋，郑宗溪，孙其清

（1.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031）

1 引 言

近年来，随着高速铁路的快速发展，隧道迎来了大量建设的新时期。较一般的隧道不同，连拱隧道因具有空间利用率高，占地面积少，对线路线型具有高度适应性等优点而出现在洞口地形狭窄段、短隧道以及一些线路的并行段和折返线。由于连拱隧道跨度大、施工工序复杂、隧址区地质条件往往较差、开挖与支护往往交错进行，从而使得围岩压力和支护荷载复杂多变，所以建设难度很高。目前，在设计和施工中，对于连拱隧道支护参数、结构形式、施工方法以及理论方面的研究已经取得了一定的成果[1-9]，但还存在一些问题和不足。因此，有必要对连拱隧道的围岩压力分布及衬砌结构的受力特征开展深入研究。

目前，我国建设的连拱隧道已具一定数量，在设计和施工方面积累了一定的工程经验。为研究连拱隧道的施工力学行为及围岩、衬砌结构的受力特征，国内外学者采用数值模拟、现场监测以及室内模型试验等手段进行了研究。肖林萍等[10]通过模型试验，提出中导坑拓展法，建立了连拱隧道二次衬砌内力模型及围岩的稳定与变形的规律；刘涛等[11]结合模型试验与数值计算对连拱隧道施工工况进行模拟，得出施工过程中隧道围岩位移、应力和塑性区分布规律；林刚等[12]通过模型试验，对连拱隧道不同围岩级别下不同施工方法进行了对比研究；申玉生等[13]通过对连拱隧道结构受力的关键部位进行现场监控测试与分析，获得了隧道支护结构在施工偏压条件下各施工阶段的围岩受力、锚杆轴力、中墙内力以及隧道支护结构中的内力变化情况；邓建等[14]采用有限元软件对不等跨连拱隧道施工全过程进行数值模拟，得出了隧道围岩应力、围岩位移、初衬与二衬的接触压力等随施工过程的变化规律；朱合华等[15]采用平面有限元方法，对罗长高速公路马宅顶不对称连拱隧道的施工过程进行了数值模拟分析，重点研究了“三导洞”开挖条件下围岩的变形和应力以及衬砌的受力和变形；王军等[16]针对马宅顶隧道进行了现场测试，基于监测结果，分析了不对称连拱隧道围岩和支护体系的变形及受力特征；郑宗溪等[17-18]对浅埋偏压条件下不等跨连拱隧道的中隔墙设计、施工工法以及防排水等关键技术进行了计算分析和详细阐述；聂善文等[19]采用数值模拟方法综合分析了不同地表倾斜情况下不同开挖方案对非对称连拱隧道稳定性的影响。

从目前查阅文献及研究成果可以看出，对于连拱隧道的研究主要以对称连拱隧道为主，而对于不等跨连拱隧道，其结构形式及围岩衬砌受力相对对称连拱隧道更为复杂，但国内外的研究较少，目前鲜有的工程实例，也主要出现在公路隧道及城市地下铁道折返线中，其结构形态与不等跨铁路隧道的结构形态相差很大，以至于现有的设计模式无法直接借鉴，而对于不等跨连拱隧道围岩压力分布与受力特征的相关研究，更是趋于空白。因此，本文结合具体工程实际，采用模型试验的方法对不等跨连拱隧道明挖施工段的围岩压力分布、衬砌结构受力特征及其破坏形态进行研究，以期研究成果为今后不等跨连拱隧道的设计与施工提供一定的借鉴和理论依据。

2 依托工程概况

新作坊隧道位于重庆市合川区铜溪镇境内，起讫里程DK888+177～DK888+643，为兰渝线（双线）和遂渝二线（单线）在重庆渭沱、合川站区的并行段。隧道DK888+500～643 段兰渝左线到遂渝二线线间距为5.3～8.8 m，由工程经验，当线间距达到7.3 m 时，有条件采用连拱隧道断面形式，若该段选用三线大跨隧道，则开挖面积将达到302.9～336.7 m2，且开挖跨度将达22.3 m，高度为11.7 m，施工风险极大；若采用连拱隧道，开挖面积为240.93～262 m2。通过不同方案比选，最终确定在DK888+600～643 段采用不等跨连拱隧道通过。

隧址区基岩多裸露，隧道穿越侏罗中统上沙溪庙组J2s 紫红色泥岩夹砂岩。丘坡处基岩多裸露，局部覆盖坡残积土；隧道进口附近分布有坡残积Q4(dl+el)粉质黏土，出口分布人工填土Q4(ml)和坡残积Q4(dl+el)粉质黏土；总体来说，隧道洞身位于强风化及弱风化的泥岩夹砂岩地层中，隧道穿越地层岩体破碎，风化严重且上覆人工填土，整体稳定性较差。暗挖段隧道埋深4.7～20.6 m，明挖段隧道埋深1.2～4.7 m，地下水位位于隧道仰拱以下。隧道线路平面图如图1 所示，明挖段横断面图如图2所示。

图1 新作坊隧道线路平面图Fig.1 Plan view of Xinzuofang tunnel

图2 新作坊隧道明挖段横断面图(单位:cm)Fig.2 Cross-section of Xinzuofang tunnel in open excavated section(unit:cm)

3 模型试验设计

3.1 相似关系

本试验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全相似性，根据相似理论推得各物理力学参数原型值与模型值的相似比如下[20-21]：几何相似比满足Cl=75，重度相似比满足Cγ=1，泊松比μ、应变ε、内摩擦角φ 相似比满足Cμ=Cε=Cφ=1，边界力、应力、凝聚力、弹性模量相似比满足CX=Cσ=Cc=CE=75。

3.2 相似材料

3.2.1 围岩

试验以新作坊不等跨连拱隧道为原型，模拟Ⅴ级围岩明挖段围岩压力分布及受力特征。相似材料采用特定比例的重晶石粉、河砂、粉煤灰和机油的混合物模拟。先期通过对相似材料大量的配比试验，最终确定满足物理力学参数要求的配合比和相似材料。这种混合材料基本不受温度和湿度的影响，具有很好的环境适应性。原型和模型的力学参数见表1，相似材料的配合比见表2。

表1 原型和模型材料力学参数Table 1 Mechanical parameters of prototype and model material

表2 模型围岩相似材料配合比(质量比)Table 2 Mixture ratio of model materials(mass ratio)

3.2.2 隧道结构

本次模型试验只模拟初期支护和中隔墙。由于亚克力板具有较好化学稳定性和耐久性，同时其易成型，且为人工材料，材料物理力学参数离散型小，弹性阶段性能同混凝土相似，适合模拟多种工况下相同参数的材料。本试验隧道结构相似材料选用亚克力板，其材料力学性质对比如表3 所示。

表3 隧道结构相似材料力学性质对比Table 3 Comparison of mechanical indices of similar material with the values recommended by codes and the values of prototype

值得注意的是，本试验所模拟的是常规施工状况而不是极限破坏状况，故弹性模量E 对试验的结果的影响是决定性的，所以在单轴抗压强度Rb与弹性模量E 不能同时满足要求时，首先使弹性模量E满足要求。模型纵向长度为500 mm，模型实体及尺寸见图3。

图3 模型实体及尺寸(单位:mm)Fig.3 Model and its size(unit:mm)

3.3 试验装置

研究地下洞室围岩应力分布应考虑洞室开挖对围岩的扰动，因此，模拟范围应大于扰动区范围。本次试验是根据已有数值分析结果作为参考来确定模型尺寸，在此不再赘述。根据计算结果，其最大影响范围横向为38 m 左右，竖向在22 m 左右，由相似关系，确定试验装置的尺寸为长×宽×高=180 cm×50 cm×180 cm。模型试验装置见图4。前立板采用钢化玻璃和钢板结合的方式，外部采用钢板形成加强肋，以提高前后板的刚度；前后板和侧板之间采用螺栓连接，背板分为两段，方便拆装以及填土。

图4 模型试验装置(单位:cm)Fig.4 Model test devices(unit:cm)

3.4 量测系统

围岩压力测试采用钢弦式压力盒，精度为0.1 kPa，量程为0.8 MPa；隧道结构内力测试采用箔式电阻应变计，型号为BX120-1AA，灵敏系数为2.06～2.12。根据测试得到的应变计算出应力，由材料力学知识即可反算出隧道结构的轴力和弯矩，从而对其受力特征进行分析。测点布置及隧道模型如图5 所示。

图5 测点布置Fig.5 Arrangements of measuring points

3.5 试验步骤

本试验以不等跨连拱隧道明挖段为试验对象，只模拟初期支护，具体步骤如下：①试验装置入位后，将隧道结构模型底部、左右侧的岩土回填到位；② 将隧道结构模型入位并将压力盒埋入，将压力盒电缆线引出介入数据采集箱；③将隧道结构模型上部的覆土回填到位；④ 上述工作准备好后，开始加载，加载开始后，每加10 kN 采集数据一次，直到隧道模型破坏。部分试验过程如图6 所示。

图6 模型试验过程Fig.6 Process of model test

4 模型试验结果分析

4.1 围岩压力分布模式

取前15 次加载采集到的数据为研究样本，加载级别分别为20、40、60、80、100、120、140、160、180、200、220、240、260、280、300 kN。限于篇幅，取部分试验结果，如图7 所示。图中以单线隧道拱顶的围岩压力为基准值，取为1.00，其他部位的数值为该部位与单线隧道拱顶围岩压力的相对值。

由图可以看出：（1）隧道在中墙顶部的围岩压力均大于隧道拱顶处的围岩压力；且大洞拱顶处的围岩压力是小洞拱顶处围岩压力的1.2 倍左右；（2）水平侧压力小于竖向围岩压力，拱顶处的侧压力小于墙脚处的侧压力，在小洞侧侧压力系数平均约为0.55，大洞侧平均约为0.65；同时可以明显地看出，大洞侧的侧压力大于小洞侧的侧压力。

图7 不等跨连拱隧道围岩压力分布图Fig.7 Surrounding rock pressure distributions of unequal-span double-arch tunnel

根据不同加载条件下得到的围岩压力分布结果，经过对多组样本的统计分析，得出了无量纲的分布特征，综合目前的规范、隧道设计手册等中浅埋条件下围岩压力的分布特征，对实测围岩压力进行了适当的简化，最终，参照《公路隧道设计细则》中浅埋无偏压连拱隧道的围岩压力分布特征，得到不等跨连拱隧道无偏压情况下围岩压力分布模式，如图8 所示。图中以单线隧道拱顶位置的围岩压力为基准值，取为1.00，其他部位的数值为该部位与单线隧道拱顶围岩压力的相对值。

图8 不等跨隧道围岩压力分布模式Fig.8 Surrounding rock pressure distribution mode of unequal-span double-arch tunnel

需要注意的是，本试验得到的侧压力系数为静止土压力与被动土压力共同作用下的侧压力系数，其值应大于静止土压力系数，所以基于图8 中围岩压力分布模式的隧道设计还是偏于安全的。

4.2 不对称连拱隧道受力特征研究

取前15 次加载吨位采集到的数据为研究样本，加载吨位同4.1 节所示。限于篇幅，取部分试验结果，如图9 所示。

由图可以看出：（1）不论在隧道的拱顶、拱腰、边墙还是仰拱，偏心距都很小，隧道结构总体为小偏心压弯构件；（2）大洞所承受的轴力总体比小洞承受的轴力大20%～30%，因此，建议在结构设计中大、小洞采用非等参支护，大洞考虑适当加强；（3）不管是大洞还是小洞，最大轴力均出现在拱圈部位以及仰拱部位，在结构设计时对这些关键部位应重点关注。

图9 不等跨连拱隧道结构轴力和弯矩图Fig.9 Axial force and bending moment diagrams of unequal-span double-arch tunnel

4.3 不对称连拱隧道破坏形态

在试验开始后，加载按10 kN 的量级逐级递加，荷载每加10 kN 采集一次数据，直到隧道模型发生破坏。在加载破坏过程中，隧道模型首先从大洞靠近中隔墙的拱腰部位破坏，其次小洞靠近中隔墙的拱腰破坏，然后大小洞仰拱靠近中隔墙的部位相继破坏，最后直至整个隧道体系失稳破坏。从整个隧道模型破坏失稳的情况来看，靠近中隔墙的大小洞拱腰及仰拱是设计中重点关注的部位。图10为破坏后的隧道模型，图中标记的是结构破坏部位。

图10 破坏后的隧道模型Fig.10 Destruction of tunnel model

5 结 论

（1）对于明挖段不等跨连拱隧道，隧道中隔墙顶部的围岩压力均大于隧道拱顶处的围岩压力，且大洞拱顶处的围岩压力是小洞拱顶处围岩压力的1.2 倍左右；水平侧压力均小于竖向围岩压力，拱顶处的侧压力小于墙脚处的侧压力，且大洞侧的侧压力大于小洞侧的侧压力；小洞侧侧压力系数平均为0.55，大洞侧侧压力系数平均为0.65。并最终获得了不等跨连拱隧道的围岩压力分布模式，为今后不等跨连拱隧道的设计与施工提供一定的借鉴和依据。

（2）在围岩压力作用下，衬砌结构偏心距都很小，隧道结构总体为小偏心压弯构件；大洞所承受的轴力总体比小洞承受的轴力大20%～30%，因此，建议在结构设计中大、小洞采用非等参支护，大洞考虑适当加强；不管是大洞还是小洞，最大轴力均出现在拱圈、仰拱部位，在结构设计时对这些关键部位应重点关注。

（3）在加载过程中，隧道首先从大洞靠近中隔墙的拱腰部位破坏，其次小洞靠近中隔墙的拱腰破坏，然后大小洞仰拱靠近中隔墙的部位相继破坏，最后直至整个隧道体系失稳破坏。从整个隧道模型破坏失稳的情况来看，靠近中隔墙的大小洞拱腰及仰拱是设计应重点关注的部位。

（4）本文的研究成果适用于不等跨连拱隧道的明挖段，对于暗挖段不等跨连拱隧道的围岩压力分布及受力特征，还有待于进一步研究。

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