不同混凝土隧道二次襯砌模型試驗

劉峻

【摘要】混凝土隧道不同，所襯砌的結構承載力也不盡相同，這也就需要不同的材料作為支持。文章中針對不同混凝土隧道的二次襯砌，進行了模型試驗，以此希望能夠為有關工作者提供參考。

【關鍵詞】混凝土隧道 二次襯砌 模型試驗

隧道襯砌作為整個隧道承載結構的主要部分，其承載能力和耐久性決定著整個隧道施工及運營期間內的安全和穩定性。混凝土作為隧道支護結構中的主要材料，其存在的脆性大、抗拉強度低等缺陷常是造成襯砌破壞的主要原因。為了更好地研究不同受力條件下二次襯砌結構的受力規律、變形情況，我國學者廣泛使用了模型試驗方法。

1試驗概況

1.1模型混凝土配合比及其性能。選擇合適的水泥型號，石子為5～20mm連續級配，壓碎指標4.5%；砂子為中砂，細度模數為2.56；粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰；礦粉為S95高爐礦渣粉；減水劑為萘系減水劑，推薦摻量為2%，減水率為23%；膨脹劑為硫鋁酸鈣型膨脹劑，推薦摻量為內摻6%～8%；減縮劑為聚醚類減縮型外加劑，推薦摻量為1%～2%。

1.2模型斷面及配筋設計。采用幾何相似比為1/20的縮尺模型進行試驗，模型沿截面方向長度為40cm。為了防止加載時混凝土的脆性破壞，對模型進行了配筋，斷面配筋率為0.82%。

1.3試驗裝置。試驗采用自行設計制作三向加載裝置，裝置主要由平面鋼架和上、左、右3個方向的千斤頂及下方配套的弧形支座組成。加載時在二次襯砌模型上面蓋有足夠剛度的弧形加載鋼板，加載鋼板由4段弧形鋼板通過轉軸連接在一起，在加載過程中能隨著模型的變形而變形，確保千斤頂的集中荷載轉化為均布荷載。同時，在加載點布置墊板，確保荷載均勻且處于平面應力狀態。采用一個電動油泵作為壓力源，通過高精度靜態伺服液壓控制臺對3個方向的液壓進行穩定控制。通過該裝置加載，可以實現按照預定的加載值對試件三向同時進行加載，整套裝置能保證施加荷載穩定及精確。

1.4加載方案及量測系統

1.4.1加載方案。為了保證商品混凝土早期強度穩定發展和驗證自制混凝土在相對較差養護環境下的抗裂性，商品混凝土模型采取的養護條件為1d拆模后覆蓋澆水養護至7d，摻抗裂外加劑的混凝土模型構件養護條件為拆模1d后自然養護。相對濕度27%，白天平均氣溫為23℃，晝夜溫差為15～20℃。觀察養護過程中表面否出現細裂紋。養護至30d時對模型進行加載試驗，豎向荷載每級為20kN，每級荷載穩定1.5h。加載過程中始終保證側壓力系數為0.5，保證構件的受力均衡。在結構喪失承載力之前，在每級荷載穩定期間對構件的內表面進行加熱，保證內外表面溫差為25～35℃，并用噴霧器對內表面進行噴水，在內表面將要完全干燥時再次進行噴水，保證每個濕熱循環的完整性。在構件開裂之后，連續慢速地加載直至構件破壞，觀察開裂后的裂縫發展情況。

1.4.2量測系統。在拱頂及仰拱的中部結構受力會產生很大的變形，由于在模型試驗時仰拱部分可以認為是固定端，所以只需在每個模型的拱頂布置1個位移傳感器測量試驗產生的豎向位移，每個模型布置1個測點。在結構上下受力主筋上布置電阻應變片，二次襯砌模型的內外表面布置混凝土應變片，分別測試鋼筋及結構內外側的應變值，然后，根據材料力學壓彎或拉彎公式計算得出結構的截面受力情況。每個模型布置10個鋼筋測點和16個混凝土測點。由拱頂起順時針編號，為了方便測量，受力主筋的測點位置選取中間2根主筋，且各選擇半邊進行布置。

2試驗結果與分析

2.1商品混凝土構件最大豎向承載力比自制高抗裂混凝土大，而最大豎向位移相對較小。這是由于自制高抗裂混凝土28d強度比商品混凝土強度低，彈性模量相對較小，導致商混模型最大承載力比摻內養護劑的構件高6.3%，比摻入減縮劑的構件高12.3%，最大豎向位移比摻內養護劑的模型構件小11.1%，比摻入減縮劑的模型構件小30.7%[3]。分析可知，摻入減縮劑及內養護劑后，混凝土早期強度較低，本次模型試驗是在混凝土澆筑后30d進行的，摻入減縮劑及內養護劑的混凝土硬化還沒有完全完成，后期強度還有很大的增長空間，現階段的彈性模量也比普通的商品混凝土低，因此，豎向變形相對較大。

2.2不同混凝土二次襯砌結構的內力分析

2.2.1彎矩分析。每個構件的彎矩分布規律基本相同，最大彎矩出現在拱腳部位，為負彎矩，結構的內側受拉；商品混凝土及自制高抗裂混凝土模型構件都滿足這個規律，除此之外拱頂及其周邊范圍也受負彎矩作用，其中拱肩處的彎矩最小，幾乎為零，拱腰處受正彎矩的作用，結構的外表面受拉。在彎矩的大小方面，28d抗壓強度最高的商品混凝土模型構件在破壞時承受的彎矩最大，摻內養護劑的混凝土模型構件次之，摻減縮劑的混凝土模型構件最小。不同強度等級的二次襯砌結構模型，混凝土強度等級越高，承載力越高，破壞時各部位的彎矩也相對較高。

2.2.2軸力分析。二次襯砌結構在荷載作用下軸力都是負的，表明結構受壓，軸力的大小為拱腳部分最大，從拱腳到拱頂軸力是逐漸減小的，但相差不大，可以近似地認為是均勻分布。普通混凝土澆筑的構件在破壞時軸力也最大，摻入內養護劑的次之，摻入減縮劑的混凝土最小。不同強度等級的二次襯砌結構模型，強度等級越高，破壞時所受的軸力也越大。

結束語：①通過研究發現，在加入抗裂外加劑后，混凝土的強度會有所下降，致使構件原本的極限承載力低于商品混凝土構件；②二次襯砌模型結構所呈現的受力規律如下：結構最大彎矩主要存在于當前的拱腳部位，且拱腰彎矩比較小，結構拱頂變形至最大，基于荷載的作用下使得彎矩為負，由此可以證明結構的受壓較為均勻；③當混凝土襯砌開裂后，支護特性曲線會呈現緩慢上升的趨勢，但是素混凝土卻急劇下降。所以混凝土支護結構可以利用變形和圍巖特征曲線相交的方式達到共同穩定的狀態。

參考文獻：

[1]崔光耀，王道遠，倪嵩陟，袁金秀，馬軍輝，朱長安.軟弱圍巖隧道鋼纖維混凝土襯砌承載特性模型試驗研究[J].巖土工程學報，，：1-7.

[2]王大剛.隧道二次襯砌混凝土配合比優化試驗及支護結構力學特性研究[J].工程建設與設計，2016，（06）：117-119.

[3]雷堅強.公路隧道二次襯砌混凝土厚度及密實性試驗研究[J].公路，2016，（02）：201-208.