淺埋大跨隧道預(yù)加固措施相似模型試驗研究

李化云，張志強，王志杰，凌云鵬，張 浩

（西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院地下工程系，成都 610031）

1 引 言

隨著客運專線整個技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的提高，隧道挖方高度受到限制，出現(xiàn)了大量的客運專線淺埋隧道。淺埋隧道圍巖一般風(fēng)化較重，具有大量的軟弱破碎帶，這些隧道工程施工難度大，風(fēng)險大，施工中極易塌方和變形，特別是在圍巖破碎的不良地層中。在淺埋隧道洞口段不穩(wěn)定圍巖中，特別是大斷面隧道中，因開挖寬度和高度都大，隧道上部地層不能很好地形成承載拱，地層松弛將達(dá)到地表，為了控制圍巖的松弛必須采取一定的工程措施。對此，國內(nèi)外先后提出了許多預(yù)加固措施，并且開展了一些的研究，其中應(yīng)用較廣的有注漿加固、管棚加固和小導(dǎo)管加固。

原蘇聯(lián)全蘇運輸建筑工程科學(xué)研究所和莫斯科汽車公路學(xué)院采用物理模型試驗[1]，研究了在管棚預(yù)加固支護(hù)下隧道周圍土體的應(yīng)力狀態(tài)。日本米山秀樹等[2]、足立紀(jì)尚等[3]通過模型試驗，對管棚超前支護(hù)效果及機制進(jìn)行了研究。國內(nèi)孔恒等[4－6]研究認(rèn)為，小導(dǎo)管或管棚具有承載和傳遞荷載以及加固圍巖力學(xué)參數(shù)的作用。此外，陳煒韜[7]對土質(zhì)圍巖隧道開挖過程中注漿、小導(dǎo)管、正面錨桿及其相互組合等預(yù)加固措施的支護(hù)效果進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗研究。

本文采用室內(nèi)相似模型試驗，通過分析隧道開挖過程中圍巖應(yīng)力和位移的變化規(guī)律，研究預(yù)加固措施對隧道開挖過程中圍巖穩(wěn)定性的影響，并且，對管棚和雙排小導(dǎo)管預(yù)加固措施的加固機制進(jìn)行探討。

2 模型試驗概況

2.1 物理力學(xué)參數(shù)的相似關(guān)系

以幾何相似比和重度相似比為基礎(chǔ)相似比，實現(xiàn)在彈性范圍內(nèi)控制各物理力學(xué)參數(shù)的相似性，根據(jù)相似準(zhǔn)則[8]可得各物理力學(xué)參數(shù)原型值與模型值的相似比。幾何相似比 Cl=25，重度相似比Cγ=1，泊松比、應(yīng)變、內(nèi)摩擦角相似比：Cμ=Cε=Cφ=1，強度、應(yīng)力、黏聚力、彈性模量相似比：CR=Cσ=Cc=CE=25。

2.2 相似材料選取

本次試驗以京滬高速鐵路最大規(guī)模巖堆體的西渴馬1號隧道Ⅴ級圍巖為依托工程。圍巖原型、模型的物理參數(shù)按規(guī)范[9]取值，見表 1。相似圍巖材料由重晶石粉、粉煤灰、細(xì)砂以及機油按一定比例配置而成，含量百分比見表2。

表1 圍巖原型和相似材料物理力學(xué)參數(shù)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)

噴射混凝土按規(guī)范[9]取值，相似材料采用比例為水：石膏 = 1:1.5的石膏材料人工現(xiàn)場噴涂模擬。

管棚和小導(dǎo)管通過采用等效抗彎剛度方法模擬。管棚采用外徑為6 mm，內(nèi)徑為5 mm的銅管模擬，銅管的長1.5 m，管棚位置在拱頂120°的范圍內(nèi)，并在管棚的起始端模擬施做了套拱。小導(dǎo)管采用直徑為3 mm銅桿模擬，長30 cm，彈性模量E約為120 GPa。在拱頂120°的范圍內(nèi)布置，第一排為5°，第二排為15°。使用之前，都用環(huán)氧樹脂作膠結(jié)劑并沿桿長粘一層細(xì)粒石英砂，以模擬構(gòu)件與圍巖間摩擦力，開挖之前預(yù)埋到設(shè)計位置。

2.3 試驗設(shè)計

2.3.1 試驗裝置及量測設(shè)備

全部試驗在專門制作的臺架式鋼板試驗?zāi)Ｐ筒蹆?nèi)進(jìn)行，試驗?zāi)Ｐ筒鄣某叽鐬?3.0 m×3.0 m×0.9 m，臺架背面為反力墻，正面由數(shù)個大型鋼架及槽鋼和角鋼組成的剛度較大的結(jié)構(gòu)，并引入鋼化玻璃便于觀察模型的破壞部位和破壞過程，試驗裝置實物見圖1，試驗?zāi)Ｐ途唧w尺寸見圖2。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由位移計、土壓力盒、應(yīng)變片等傳感元件及數(shù)據(jù)采集儀和計算機等構(gòu)成，量測數(shù)據(jù)均由靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀自動采集。

圖1 模型試驗裝置Fig.1 Model test equipment

圖2 試驗?zāi)Ｐ偷木唧w尺寸（單位：mm）Fig.2 Specific size of test model (unit: mm)

2.3.2 試驗概況

本次主要研究洞口段Ⅴ級圍巖條件下采用管棚、雙排小導(dǎo)管預(yù)加固措施的支護(hù)效果，試驗工況見表3。每次試驗共分為3個階段：準(zhǔn)備階段、預(yù)埋階段、將土壓力盒、管棚、位移計等預(yù)埋到指定位置。開挖試驗階段：(1) 沒有初支的情況下，每次開挖進(jìn)尺為10 cm，直至采集數(shù)據(jù)大致穩(wěn)定后，方可進(jìn)行下個進(jìn)尺的開挖，共開挖70 cm；(2) 在有初支情況下，首先開挖10 cm，待數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定后，進(jìn)行第二個10 cm開挖，在開挖第三個10 cm之前，對第一次開挖的毛洞進(jìn)行支護(hù)，這樣就完成一個循環(huán)，共開挖70 cm。

表3 試驗工況Table3 Test conditions

2.3.3 測點布置

位移測點布置、圍巖應(yīng)力測點布置如圖 3～4所示。所有測點布設(shè)在同一縱斷面上，并在預(yù)加固支護(hù)上方，該斷面離模型邊界（玻璃）大致為15 cm左右。

圖3 地中、地表位移測點布置圖（單位：mm）Fig.3 Layout of surface and inner displacement monitoring points(unit: mm)

圖4 豎向應(yīng)力測點布置圖（單位：mm）Fig.4 Layout of vertical stress monitoring points(unit: mm)

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 預(yù)加固措施對圍巖位移的影響

3.1.1 地表豎向位移

各種工況對應(yīng)的地表豎向位移隨開挖進(jìn)尺的變化關(guān)系（按相似關(guān)系換算），如圖5所示。

圖5 測點1、4、7位移變化曲線Fig.5 Variation curves of displacement of monitoring points 1,4,7

通過圖5可見，在工況1、2、4中，隧道開挖段上方測點 7豎向位移最大，測點 1豎向位移次之，未開挖段上方測點4的地表豎向位移最小，表明越靠近隧道受影響越大。但是，在工況3中，測點7的豎向位移要小于測點1結(jié)果，因為在管棚起始端施做了套拱，約束了管棚起始端，減小了管棚起始端的地表沉降。

以測點7來分析不同的預(yù)加固措施中豎向位移的變化情況，工況1中豎向位移為20.3 mm，工況2中豎向位移為 7.2 mm，工況 3中豎向位移為4.0 mm，相對工況2減少了44.62%，工況4中豎向位移為2.7 mm，相對工況2減少了62.38%，說明在淺埋隧道開挖的過程中，隧道上部地層不能很好地形成承載拱，地層松弛將達(dá)到地表，而管棚和雙排小導(dǎo)管預(yù)加固措施則能與周邊巖土體有效形成承載拱，減少上部巖土體的松弛。

3.1.2 地中豎向位移

經(jīng)幾何相似比換算后各種工況對應(yīng)的地中豎向位移隨開挖進(jìn)尺的變化關(guān)系如圖 6 所示。測點6在隧道開挖范圍的中間部位，在拱頂上方2 m左右，該點位置具有典型性，因此通過該點來分析不同工況下，拱頂上方圍巖豎向位移的變化。由圖 6(c)可見，隧道掘進(jìn)到7.5 m之前，各種工況下測點6的豎向位移變化不大，當(dāng)掌子面達(dá)到測點6正下方時（掘進(jìn)到10 m），工況1、2測點6位移迅速增大，而工況3、4測點6位移變化較小。隧道開挖至17.5 m時，測點6豎向位移：工況1＞工況2＞工況4＞工況 3，表明預(yù)加固措施都能很好地控制拱頂上方巖土體的變形。

對隧道縱向上測點 6與測點 3位移的比較可得，（1）在工況1、2中，離掌子面越近的測點，其豎向位移越小，可見掌子面土體可視為支撐，約束其附近上部一定范圍巖土體的松弛，而使其變形較小。在工況3、4有預(yù)加固措施的情況下，隨著掌子面推進(jìn)，測點6和測點3的位移差值很小，說明了管棚和雙排小導(dǎo)管支護(hù)限制了上部圍巖的變形，使上部圍巖受到隧道開挖的影響較小；（2）隨著隧道的推進(jìn)，工況3中兩個測點位移始終要小于工況4，表明在縱向上管棚支護(hù)的梁效應(yīng)要優(yōu)于雙排小導(dǎo)管，究其原因可能是小導(dǎo)管的長度及抗彎剛度不及管棚，且小導(dǎo)管間搭接次數(shù)多，整體性較差，導(dǎo)致力在傳遞過程中出現(xiàn)一定的耗散。

比較隧道橫向測點 9 和測點 3 可知：（1）離地表越近，豎向位移越小，愈靠近預(yù)加固措施上方巖土體豎向位移越大，可見隧道的開挖影響了上部圍巖的穩(wěn)定，越靠近地表影響越小。工況 3、4 的位移要小于工況 1、2，說明預(yù)加固措施與周邊的圍巖形成了承載拱，控制了隧道上覆巖土體的變形；（2）工況4中測點3的位移要大于工況3的，但工況4中測點9的位移卻要小于工況4，說明橫向上雙排小導(dǎo)管與周邊圍巖形成的承載拱效應(yīng)要強于管棚支護(hù)，因為小導(dǎo)管具有錨桿的作用，且其在橫向上的加固范圍要大于管棚。

圖6 測點2、3、6、9位移變化曲線Fig.6 Variation curves of displacement of monitoring points 2,3,6,9

3.2 預(yù)加固措施對圍巖應(yīng)力的影響

經(jīng)相似比換算后得出各種工況對應(yīng)的圍巖豎向應(yīng)力的變化量隨開挖進(jìn)尺的變化關(guān)系如圖 7所示。由圖7(a)可見，在隧道掘進(jìn)到7.5 m之前，各種工況下測點豎向應(yīng)力變化量很小，當(dāng)掌子面達(dá)到其正下方時（掘進(jìn)到10 m），工況1、2中測點應(yīng)力迅速減小，而工況3、4測點應(yīng)力變化很小，可見掌子面圍巖起到支撐作用限制了上部圍巖的應(yīng)力釋放。隧道開挖至17.5 m時，測點3豎向應(yīng)力變化量：工況1＞工況2＞工況4＞工況3，管棚和雙排小導(dǎo)管加固，使得應(yīng)力減小量相對于僅在初期支護(hù)作用下分別減小了 65.6%和 57.8%。觀察其余測點數(shù)據(jù)變化，整體上都有相同規(guī)律，與章節(jié)3.1的位移分析結(jié)果也相吻合，說明預(yù)加固措施能改善圍巖的內(nèi)部環(huán)境，將未松動的初始平衡直接轉(zhuǎn)移到已建成隧道段和前方未開挖段形成最終平衡，有效控制了拱頂上方圍巖的應(yīng)力釋放，且預(yù)加固措施與周圍巖土體形成的承載拱，使下部圍巖不直接承受上部全部荷載，僅受到加固圈變形引起的形變壓力，大大減小了開挖面圍巖所承受的壓力，有利于掌子面的穩(wěn)定。

圖7 測點豎向應(yīng)力變化曲線Fig.7 Variation curves of vertical stress of monitoring points

通過分析各測點應(yīng)力變化量隨開挖進(jìn)尺的變化規(guī)律可知，（1）縱向測點3～5的豎向應(yīng)力變化量相對于測點8、9、13而言，變化較大，印證了離隧道越近圍巖受影響越大；（2）工況3中各測點應(yīng)力變化量小于工況4相對應(yīng)測點的應(yīng)力變化量，說明管棚的梁效應(yīng)要大于小導(dǎo)管；（3）工況 3中測點3～5的豎向應(yīng)力變化量要小于工況4，但測點8、9、13在工況3中的應(yīng)力變化量卻大于工況4，這很好地印證了前面位移分析結(jié)果：橫向上雙排小導(dǎo)管與周邊圍巖形成的承載拱效應(yīng)要強于管棚支護(hù)，從而更好地控制上部圍巖的應(yīng)力釋放。

4 結(jié) 論

（1）在隧道軸向上，管棚和雙排小導(dǎo)管都能起到梁的作用，將上部荷載傳遞給后方的支護(hù)結(jié)構(gòu)以及掌子面前方的巖體，很好地控制上方巖土體由于隧道開挖而導(dǎo)致的松動，并且減少掌子面上方圍巖應(yīng)力，保證了掌子面的穩(wěn)定性。

（2）在隧道橫向上，管棚和雙排小導(dǎo)管能與周圍的巖體形成承載拱，承受上部圍巖的重量，使下部的圍巖與支護(hù)體系只承受上部棚架體系變形引起的形變壓力。

（3）管棚的縱向梁效應(yīng)要強于雙排小導(dǎo)管，因小導(dǎo)管的長度及抗彎剛度都不及管棚，且小導(dǎo)管間搭接次數(shù)多，整體性較差，但雙排小導(dǎo)管的橫向拱效應(yīng)要強于管棚，因小導(dǎo)管具有錨桿作用同時，在橫向上的加固范圍要大于管棚。

預(yù)加固措施與周圍巖土體形成的支護(hù)體系產(chǎn)生的梁拱效應(yīng)，減少了上部圍巖因開挖而產(chǎn)生的應(yīng)力釋放、加快了巖土體的平衡，從而控制了地層位移、保證掌子面穩(wěn)定，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性。

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