不同埋深对花岗岩残积土公路隧道支护结构力学性能的影响研究

蒋凌云

（吉首大学张家界学院，湖南 张家界 427000）

0 引言

我国东南部地区分布有大量花岗岩残积土，花岗岩残积土的出露面积高达30%~40%[1-2]。花岗岩属于岩浆岩的一种，喷出或浅层花岗岩经过物理或化学风化后所形成的部分产物称为花岗岩残积土。因其具有碎散性、高压缩性、低强度等特性，给地下结构的施工带来了很大的困难。

湖南省南岳片区就分布有大量花岗岩残积土，主要风化程度为全风化[3-4]。南岳片区的全风化花岗岩残积土其自身颗粒较破碎，力学性能差，在其地表以下进行隧道工程施工作业，可能会面临一些施工问题[5-6]。因此，本文以湖南省南岳片区的花岗岩残积土为研究对象，通过改变公路隧道埋深进行室内相似模型试验，研究不同埋深对花岗岩残积土公路隧道支护结构力学性能的影响，为花岗岩残积土地区的公路隧道支护结构的设计与施工提供参考。

1 材料选取

试样过程中围岩材料的选取方法有：原岩材料法、低弹模相似材料替代法、改变容重相似材料替代法。为使试验结果更接近于实际值，试验围岩材料拟采用原岩材料，即选用湖南省南岳片区花岗岩残积土，其物理力学指标见表1。

表1 花岗岩残积土物理力学指标

基于相似理论，本试验为室内缩尺试验，模型几何相似比Cl=40。通常隧道的衬砌结构为混凝土材质，以石膏为主的脆性材料，其弹性模量主要随水与石膏的重量比而异。衬砌材料的应变、泊松比、摩擦角、容重相似比取1，水膏比在3.5~0.5之间时，其弹性模量一般在0.3~5.5GPa之间，容重一般为3.5~10.0kN/m3，泊松比一般为0.17~0.20[7-8]。因此，本试验采用石膏为主辅以少量水泥作为衬砌的主要材料，水膏比为0.71，水泥掺量为4%的水泥石膏对公路隧道进行支护。其衬砌材料配比情况见表2。

表2 衬砌材料配比情况

2 试验装置模型

基于平面应变问题和相似理论[9-10]，确定试验加载台的具体尺寸为2000cm×300cm×2000cm（长×宽×高），模型结构框架体系为槽钢材质。为了方便观察和监测试验过程中围岩的变化情况，模型箱侧面选用透明的有机玻璃，有机玻璃采用亚克力有机玻璃板且厚度为9mm，通过螺栓将有机玻璃固定在槽钢上，装置模型箱如图1所示。

图1 模型箱实体图

3 试验过程

为研究不同埋深下花岗岩残积土公路隧道围岩支护结构的力学特性，在上述试验模型箱中设置了9种不同的埋置深度，分别为700mm、800mm、900mm、1000mm、1100mm、1200mm、1300mm、1400mm、1500mm。具体试验步骤如下：

（1）将花岗岩残积土装入试验模型中，分层夯实，其埋置深度为700mm；（2）选择量程为200kPa的土压力盒，在隧道拱顶、拱腰（左右各一处）、拱脚（左右各一处）和仰拱各埋设一个，分别标上T201、T202、T203、T204、T205、T206；（3）拱顶和地表B1、B2、B3、B4、B5处各安装百分表一个；（4）记录各百分表的数值和土压力盒的数据；（5）按步骤（1）更换埋置深度至800mm，重复步骤（2）~（4）；（6）分析不同埋深下，围岩压力、各点累计沉降量之间的关系。

隧道断面及设备布置如图2、图3所示。试验模型制作及百分表的安装见图4~图8所示。

图2 隧道开挖横断面图

图3 隧道断面设备布置图

图4 完成填土

图5 地表百分表布置

图6 开挖完成整体效果图

图7 完成初衬整体效果图

图8 安装拱顶百分表

4 试验结果与分析

通过改变隧道埋深，直至衬砌结构破坏，衬砌破坏后的形状见图9。

图9 隧道衬砌破坏形态

为方便衬砌结构的施工，本模型衬砌结构为等厚设计，通过增加上部填土的厚度，衬砌结构最后产生了破坏。从图9可以观察到隧道衬砌结构出现了上下左右对称破坏，拱顶处最先产生破坏，其次是拱腰部分破坏，最后破坏的部位为仰拱，说明拱顶在埋深不断增大的情况下，产生了过大位移致使拱腰处出现应力集中，最终衬砌结构整体产生脆性破坏。因此在进行衬砌结构设计时，应增强隧道拱顶处衬砌结构强度，同时支护结构的设计应尽可能使拱部以上围岩产生“自稳拱”，充分发挥围岩的自承能力，从而减少作用在支护结构上的作用力。

根据上述试验步骤记录各位置处百分表和土压力盒各阶段的数据，并将试验分别绘制在埋深-围岩压力、埋深-累计沉降量坐标系中，具体见图10和图11。

图10 围岩压力与埋深关系曲线图

图11 累计沉降量与埋深关系曲线图

从围岩压力与埋深关系曲线图不难发现，当隧道埋深为1383mm时，拱脚处围岩压力明显增大，拱脚出现应力集中，说明此时衬砌已经出现微裂隙；在不同埋深作用下，拱腰处的围岩压力一直趋于稳定状态，说明埋深对拱腰围岩压力影响不大。

从累计沉降量与埋深关系曲线图不难发现，当埋深≤1100mm时，B1、B4、B5处地表所产生的累计沉降量很少，而当埋深>1100mm时，B1、B4、B5处地表所产生的累计沉降量随埋深增大而增加，可见埋深越大拱顶正上方产生的位移值也就越大。当埋深<1076mm时，B1处地表所产生的累计沉降量要小于B2和B3处地表所产生的累计沉降量，说明小埋深隧道，地表沉降以自重沉降为主；当埋深逐渐增大，上方产生较大自重荷载，衬砌结构开始出现裂缝，当埋深为1500mm时，B4、B5处地表沉降量趋于稳定，甚至减少，说明衬砌已发生明显破坏，致使围岩产生较大水平压力，最终致使地表两侧向上隆起。

5 结束语

本文基于平面应变问题和相似理论，通过改变花岗岩残积土公路隧道埋深，开展室内缩尺模型试验，进而揭示不同埋深下花岗岩残积土公路隧道支护结构力学特性，结论如下：

（1）埋深越大，各点处产生的围岩压力值也会逐渐增大，当埋深超过1383mm时，围岩压力明显增强，特别是拱脚处的围岩压力显著增大，说明此埋深下，隧道拱脚处产生应力集中，因此在实际工程中可增大拱脚衬砌厚度或增强拱脚处衬砌混凝土强度，从而提高拱脚抗变形能力。

（2）不同埋深作用下，隧道地表沉降随隧道埋深的增大而增大，当埋深超过1100mm时，拱顶处地表的沉降值明显增大，是由于拱顶已出现裂缝，故在实际工程中也应增大拱顶衬砌厚度或增强拱顶衬砌混凝土强度。