隧道工程物理模擬試驗技術現狀與趨勢分析

李元海， 杜建明,*， 劉 毅

0 引言

國內隧道及地下工程自20世紀80年代以來得到了前所未有的發展，21世紀是隧道工程建設的黃金時期，鐵路隧道、公路隧道、地鐵隧道、水電隧洞以及跨江、跨海通道的建設都將進入高峰期。與此同時，隧道工程面臨巨大的機遇與挑戰，山嶺隧道工程的地質條件越來越復雜，煤礦巷道向深部不斷發展，城市地鐵建設如火如荼，海底隧道與輸油氣工程隧道方興未艾，城市地下管廊隧道悄然興起。大規模復雜的隧道工程修建勢必帶來諸如隧(巷)道軟巖大變形機制、長大深隧道的突水突泥機制、深部復合地層TBM隧道穩定性原理與控制、城市地鐵隧道交叉重疊及穿房過河引起的地層與周圍環境風險等諸多基礎科學與工程技術問題，這些問題的進一步研究和解決可為未來隧道工程建設中的設計和施工提供更加可靠的理論依據與技術保障。

洪開榮[1-2]總結分析了我國隧道及地下工程的現狀及其在各個方面的技術發展與創新； 王夢恕[3]通過典型案例對我國盾構掘進技術存在的問題進行了總結分析； 馬建等[4]對我國隧道工程建設的發展歷程、現狀、技術發展與創新進行了總結，并對未來發展趨勢進行了分析； 何川等[5]對我國盾構法修建地鐵隧道的技術問題及未來發展趨勢進行了闡述分析； 鄧濤等[6]系統論述了國內外山嶺隧道振動臺模型試驗的研究現狀及發展趨勢； 葉飛等[7]對模型試驗在盾構隧道相關研究工作中的進展和成果進行了系統歸納和闡述。

當前隧道工程設計與施工中的諸多理論和技術難題都需要進行深入的探討和研究，物理相似模擬試驗作為研究解決隧道工程相關問題行之有效的方法必將得到進一步的應用和發展。一般來說在滿足相似原理的前提下，隧道物理模擬試驗能夠利用相似材料較為有效地模擬實際工程施工、結構穩定以及地層與周圍環境效應等問題，可以較真實地反映地質構造與工程結構之間的空間關系以及隧道施工過程對工程本身和周圍環境的影響規律。

本文主要針對當前國內隧道工程物理模擬試驗系統及其發展趨勢進行了較為全面細致的總結、分類和闡述，并對當前隧道工程物理模擬試驗系統關鍵技術進行了對比分析。最后，提出了以模型體積大小為依據的試驗系統分類方法，可為隧道工程物理模擬試驗系統的應用及后續建設提供參考。

1 試驗系統分類與特點

隧道工程物理模擬試驗系統的分類對于系統使用與建設規模確定、技術難度分析、建設周期與費用估算等都具有明確的指導意義，但目前尚無一個權威或統一的分類標準。試驗系統分類是一個科學問題，需綜合考慮多方面的因素。通過查閱文獻和總結分析，提出了一種試驗系統分類方法，如圖1所示。即按試驗模型體積將試驗系統分為小型、中型、大型和超大型4類； 按模型體荷載分為自重型和離心型； 按加載動力來源分為重力型(含自重)、電機型、液壓型(千斤頂或液壓枕)、氣壓型和復合型(如氣液結合)5類； 按加載的靜動力狀態可分為靜力型和動力型； 按模型端面加載維數分為單軸型、雙軸型和三軸型3類。

隧道工程物理模擬試驗系統的研制與應用多以大專院校、研究院所和企業技術中心為主。據相關單位研究文獻可知，隧道模型斷面多以正方形或接近正方形的矩形為主，通常按模型斷面最大尺寸(長或寬l)將試驗系統分為小型(l≤0.5 m)、中型(l=0.5～1.0 m)、大型(l=1.0～2.0 m)和超大型(l>2.0 m)。然而，隨著隧道工程物理模擬試驗系統的發展，圓柱體及不規則形狀體的模型越來越多，模型斷面已不局限于正方形或近似正方形，僅僅按模型斷面尺寸很難對現有試驗系統的多樣類型進行準確劃分。

圖1 隧道工程物理模擬試驗系統分類

Fig. 1 Classification of physical simulation experiment system for tunnel engineering

眾所周知，在相似模型試驗分類中，相似比作為一個重要的分類指標，可以用來準確計算模型體積的大小，但相似比為原型與模型尺寸之比，是一個相對概念。在隧道物理模擬試驗中，模型體積越大，所需相似材料越多，費用越高，難度越大，制備周期越長，故模型體積能夠較為全面地反映試驗系統的規模、試驗實施難度以及費用成本等關鍵要素，概念更為直觀。因此，本文根據模型體積提出了一種新的試驗系統分類方法，即按模型體積(V)的大小將隧道工程物理模擬試驗系統分為小型(V<0.125 m3)、中型(V=0.125～1.0 m3)、大型(V=1.0～8.0 m3)和超大型(V≥8.0 m3)試驗系統。

1.1 小型試驗系統

目前國內主要的小型隧道物理模擬試驗系統見表1。其中，中國礦業大學研制的透明巖體隧道物理模擬試驗系統[8]如圖2所示，其試驗機本質上是一套小型的單軸10 t加載設備，使用透明巖體相似材料，考慮到加載能力與模型透明度的問題，采用的模型尺寸較小(0.40 m×0.35 m×0.15 m)，配合數字照相量測技術可實現模型內部變形的直接量測； 解放軍理工大學研制的深長隧道突水地質災害三維模型試驗系統[9]中，模型尺寸(徑×高)為0.4 m×0.3 m，該系統通過水壓加載技術將壓力水經管道注入積水腔中，以模擬地下水體壓力。

此外，紐約大學Ahmed等[13]自制了透明土盾構隧道物理模擬試驗系統，模型尺寸為0.31 m×0.25 m×0.20 m，隧道直徑為0.025 m，利用該系統可對盾構隧道掌子面的土體變形進行試驗研究； 英國倫敦大學研發了由2個組合式銅制圓環、18根長螺絲和12根短螺栓組成的小型組合式隧道襯砌模型，通過長螺絲可對內圓環進行均布加載，進而模擬隧道襯砌的受力情況，Standing等[14]利用該模型對隧道襯砌(外徑47.29 mm)在不同受力狀態下的變形進行了研究分析； 美國倫斯勒理工學院研制的離心試驗機，加速度高達70g(g為重力加速度)，美國曼哈頓大學Anirban等[15]利用該離心機對作為地下隧道襯砌保護層的聚氨酯泡沫在地表爆破沖擊作用下的效果進行了研究分析，試驗模型尺寸為61.3 m×27.6 m×(17～20) m，幾何相似比為1∶70。

一般來說，小型試驗系統的模型尺寸較小、制作方便，研究、設計和制作周期相對較短，研制成本和制造費用較低，占地空間較小，使用方便。

表1 國內主要小型隧道物理模擬試驗系統

圖2 透明巖體隧道物理模擬試驗系統

1.2 中型試驗系統

國內主要的中型隧道物理模擬試驗系統見表2。山東大學研制的高地應力真三維加載模型試驗系統[16]的模型尺寸為0.6 m×0.6 m×0.6 m，該系統采用雙缸回油卸壓方式，可進行加卸載試驗，并可通過分時控制實現模型一維、二維和三維加載； 清華大學研制的土工離心機振動臺試驗系統[18]通過振動臺可用于模擬隧道工程地震動力響應； 中國礦業大學研制的深部隧道物理模擬試驗系統[23]如圖3所示，其采用框架式結構+分布式真空回油的扁油缸液壓加載方式，模型端面最大加載量為100 t，結構緊湊、占地空間較小，由于模型加載與穩壓時間較短，并沒有采用復雜的伺服系統，而采用氣驅增壓泵自動控制加載與穩壓系統。

此外，伊朗大不里士大學研制的隧道模型離心試驗系統模型尺寸為0.7 m×0.5 m×0.4 m，Kiani等[26]利用該系統對隧道垂直正斷層時的變形破壞機制進行了研究分析； 英國諾丁漢大學研制的磚砌隧道試驗系統中先進的激光掃描和攝影攝像技術可以實現隧道變形的精細化量測和襯砌破壞的有效觀測，Chen等[27]利用該系統(模型尺寸2.0 m×0.33 m×1.5 m)對磚砌隧道的穩定性進行了試驗研究。

與小型試驗系統相比，中型試驗系統模型尺寸適中，使用率較高，但其研究、設計和制作周期較長、費用較高。

表2 國內主要中型隧道物理模擬試驗系統

表2(續)

(a) 二維模型臺架 (b) 平面模型系統 (c) 真三維模型系統

圖3深部隧道物理模擬試驗系統(單位： mm)

Fig. 3 Physical simulation experiment systems for deep tunnels (unit: mm)

1.3 大型試驗系統

目前國內主要大型隧道物理模擬試驗系統見表3。其中，山東大學研制的超高壓智能數控真三維加載模型試驗系統[28]模型尺寸為1.5 m×1.5 m×0.5 m，其超高壓加載系統由33個獨立加載單元(1個5 000 kN的液壓千斤頂和1個傳力塊組成)構成，可對超埋深隧道的變形破壞機制進行試驗研究； 同濟大學研制的準平面隧道工程物理模型試驗系統[31]模型尺寸為2.0 m×2.0 m×0.4 m，該系統可提供多組荷載分布施加方案，但僅能進行二維準平面應變的模型試驗； 山東大學研制的另一個海底隧道流-固耦合模型試驗系統[33]模型尺寸達到2.4 m×2.4 m×0.8 m，該系統采用新型流-固耦合相似材料及高強度可視化玻璃組成可視箱，為模擬地下水及巖體的真實耦合作用提供可視條件。

大型試驗系統能較真實地反映工程地質條件，但研究、設計和制作周期長、費用高，且大多數試驗臺架整體尺寸較大，利用率偏低。

表3 國內主要大型隧道物理模擬試驗系統

表3(續)

1.4 超大型試驗系統

目前國內主要超大型隧道物理模擬試驗系統見表4。其中，山東大學研制的組合式三維地質力學模型試驗系統[38]模型最大尺寸為4.0 m×3.0 m×6.0 m，臺架裝置可根據試驗需要自由組合，頂部完全開放，可用于模擬隧道工程中實際的地形地貌特征； 上海隧道股份公司研制的盾構掘進物理模型試驗系統[39]，可對盾構隧道地質適應性、土壓平衡等關鍵技術進行試驗研究； 西南交通大學研制的盾構掘進試驗系統[40]可實現盾構始發、刀盤切削和渣土排放等基本功能的模擬；盾構及掘進技術國家重點試驗室研制的盾構施工模態試驗系統主要由機械、液壓加載、水壓調節和計算機控制及輔助系統組成。

超大型物理模型試驗系統的優點是能最大程度地減小邊界效應，試驗結果接近實際工程效應，但超大型試驗系統的研究、設計和制作周期漫長，模型制作困難，需耗費大量的人力和物力，且試驗系統的長時間閑置問題比較突出。

表4 國內主要超大型隧道物理模擬試驗系統

綜上所述，超大型、大型物理模擬試驗系統能最大程度地模擬工程實際條件，但試驗費用高、周期長； 中小型試驗系統不僅費用低、周期短，而且容易實現模型制作的精致化、加載控制的精確化以及測量的精細化。因此，在新系統建設中可將中小型試驗系統作為一個主要的比選方案。

2 試驗系統關鍵技術

試驗系統的關鍵技術包括： 相似材料的選取、加載控制系統的穩定性、應力與應變量測的準確性以及開挖支護方式的選擇等。

2.1 相似材料

模型試驗成敗的前提條件是相似材料的選取是否合理，材料的性質是否能夠準確地反映研究對象的主要物理力學特征。相似材料按功能一般可以分為骨料、膠結劑和調節劑3部分，骨料和膠結劑對材料性能起“總體控制”作用，調節劑對材料某項參數的性能起“單項調節”作用。為方便分析，本文將相似材料按標準試件的單軸抗壓強度σc大致分為高強度(σc>1.5 MPa)、中強度(σc=0.7～1.5 MPa)、低強度(σc≤0.7 MPa)3類。目前隧道工程模擬常用的普通相似材料和透明相似材料分別見表5和表6。

2.2 加載控制

物理模型試驗的順利進行與加載控制系統是否穩定密切相關。根據模型試驗加載邊界條件，加載方式可分為剛性加載和柔性加載2種；根據加載動力來源可分為重力加載、電機加載、液壓加載、氣壓加載和復合加載5種。隧道模擬試驗常用的加載方式見表7。

表5 隧道工程模擬常用的普通相似材料

表6 隧道工程模擬常用的透明相似材料

表7 隧道模擬試驗常用的加載方式

2.3 應力與應變量測

應力與應變是隧道物理模型的重要力學參數，也是試驗中需要獲取的基礎數據。應力值一般可通過測量元件直接量測，也可利用元器件測得的應力-應變關系求解得到。應力的量測方法主要有應變片電測法、電阻應變塊、光纖光柵法、光彈法和微型土壓力盒(包括薄膜土壓力計、膜式土壓力盒等)。試驗中常用的應力與應變量測技術見表8。

表8 主要應力與應變量測技術

2.4 位移、變形量測

位移或變形是隧道工程圍巖與其所處應力環境及環境變化相互作用的結果，是分析和評價隧道工程安全穩定性最常用的指標，也是試驗中最重要的量測內容。位移量測方法主要有千分尺、網格法、LVDT位移傳感器、微型多點位移計和數字照相變形量測技術等。隧道模型試驗中主要位移量測方法見表9。

表9隧道模擬試驗中主要位移量測方法

Table 9 Main displacement measurement methods for tunnel simulation experiment

名稱優點缺點位移計或千分尺應用范圍大，精度較高 對模型擾動大，測點數量有限網格法網格繪制簡單 需手工繪制網格與量算，精度較低LVDT位移傳感器使用簡單，精度高 對模型存在干擾，測點數量有限微型多點位移計 可測內部位移，受外界影響小 器件結構復雜，制作困難 數字照相變形量測技術 非接觸，全域精細化，精度高，可計算應變 要求能通過相機鏡頭可視觀測面

2.5 開挖支護

目前，隧道模擬開挖一般有人工和機械2種方式。人工開挖可以比較靈活地調整隧道形狀，但成型效果差，開挖效率低； 而機械開挖操作簡單、成型好、效率高，但形狀多局限于圓形。李利平等[41]研制的由可伸縮式長鏟、錨桿定位器以及混凝土施作器組成的開挖裝置以及李浪等[9]研制的步進電機驅動切削刀盤，對隧道開挖裝置的研制有著重要的借鑒意義。

對于隧道支護結構來說，一般根據等效抗拉或抗彎剛度原則選用鋁絲、銅絲或鐵絲等模擬錨桿或鋼架，選用石膏和硅藻土或塑料等混合料模擬混凝土或襯砌。例如： 李術才等[45]利用幾何和力學相似比接近的銅絲、鐵絲等模擬錨桿(索)，李元海等[23]采用石膏模擬隧道開挖后的二次襯砌。

2.6 加載與開挖方式

根據研究問題的不同，加載與開挖方式主要有“先加載后開挖”和“先開挖后加載”2種方式。一般而言，若研究隧道開挖和地應力影響問題，推薦采用“先加載后開挖”的方式，這種方式更加接近實際工程施工條件； 若研究采動應力對礦山巷道的影響問題，則可以采用“先開挖后加載”的方式，因為采動應力一般多在巷道開挖支護完成之后出現。

3 試驗系統研究問題分析

3.1 圍巖變形規律與機制

圍巖變形規律與機制一直是國內外學者研究的主要問題。通過物理模擬試驗系統可以有效研究隧道圍巖變形的時空演化過程與變形模式和機制。目前的相關研究主要有： 李樹忱等[46]采用大型三維模型試驗系統對深部多組裂隙巖體在開挖強卸荷作用下的圍巖變形破壞規律進行了研究； 李為騰等[47]對壓型錨索箱梁支護系統作用下的巷道圍巖變形破壞機制進行了大比尺模型試驗； 林志斌等[48]采用透明巖體試驗方法對深埋軟巖巷道圍巖內部變形規律與機制進行了試驗研究。

3.2 隧道開挖方法優化

根據圍巖條件和環境控制要求，隧道開挖方法一般有全斷面法、臺階法、分部法、盾構法與TBM法等。正確選擇開挖方法是隧道安全施工的前提，試驗研究的主要內容是進行方法比選和優化工藝參數。對于復雜的隧道工程地質條件，合理優化現有的施工方法是保證隧道工程安全快速施工的重要前提。目前的相關研究主要有： 譚忠盛等[49]通過物理模型試驗對管幕支護條件下不同的開挖方法進行了對比分析； 劉泉聲等[50]以重慶軌道交通3號線為工程背景，對十字巖柱暗挖大斷面隧道開挖工序進行了優化試驗研究。

3.3 隧道支護方法優化

隧道支護主要包括以錨噴支護或鋼拱架為主的初期支護、以模板混凝土或管片為主的二次支護以及小導管和大管棚超前支護等。合理選擇支護方式、確定支護參數是確保隧道穩定的前提條件。目前的相關研究主要有： 何川等[51]對南京長江盾構隧道超大斷面單層裝配式管片襯砌在高水壓條件下的力學行為特征、結構與周圍土體的相互作用關系進行了相似模擬試驗研究； 郭璇等[52]通過自主設計的平面準應變模型試驗系統對管棚預支護(120°和150°布置)條件下的地表沉降規律進行了研究分析。

3.4 隧道開挖災害問題

如何合理模擬隧道開挖過程中出現的災害問題(突水突泥、巖爆、斷層塌方等)也是物理模擬試驗研究的主要內容。目前的相關研究主要有： 李浪等[9]采用深長隧道突水地質災害三維模型試驗系統對隧道突水成災時的最小安全隔水巖層厚度進行了研究； 李天斌等[53]利用具有巖爆傾向的相似材料制作了大尺寸模型，對采取后開孔成洞方式的隧洞進行了巖爆物理模擬試驗； 徐前衛等[54]對跨斷層破碎帶隧道施工過程中圍巖的漸進性破壞過程及受力變形特征進行了試驗研究。

3.5 “長大深”及海底隧道問題

模型試驗主要用來合理模擬工程所處的高地應力環境影響、大型斷面與超長隧道的結構穩定性以及水環境下的水壓作用與流-固耦合作用。胡指南等[55]采用局部相似裝配式剪力鍵方案，利用模型試驗對超長海底沉管隧道在不均勻沉降及不均勻荷載作用下節段接頭的作用機制進行了研究分析； 李利平等[41]采用研制的大型三維均勻梯度加載模型試驗系統對超大斷面隧道圍巖隨埋深逐漸增加的漸進性破壞過程進行了模擬分析； 張強勇等[28]開展了超埋深隧(巷)道的三維地質力學模型試驗研究； 李術才等[33]以青島膠州灣海底隧道工程為背景，采用新型流-固耦合相似材料對海底隧道涌水量與巖石覆蓋厚度和海水深度的關系進行了研究分析。

3.6 隧道施工環境影響問題

地鐵隧道施工中帶來的環境問題比較突出，隧道施工過程中如何保證工程本身、地面與地下鄰近建(構)筑物的安全是物理模擬試驗研究的主要問題。臧宏陽等[56]對盾構隧道施工時上覆地層的沉降特點進行了試驗分析； 何川等[57]對地鐵盾構隧道重疊下穿施工引起的上方已建隧道圍巖變形破壞規律進行了試驗模擬研究； 韓立忠[58]通過離心試驗對某地鐵越江隧道的地基沉降規律進行了試驗分析。

4 存在問題及發展方向

4.1 存在的問題

1)系統規模。目前，大型、超大型試驗系統模型制作周期長、費用高、所需人員多，且存在一定的閑置問題，利用率較低。

2)試驗模型。采用常用的相似材料制作的試驗模型內部不可見，難以實現模型內部變形的直接觀測，透明巖土材料主要以模擬軟巖、砂土和黏土為主，因此需進一步研究拓展巖土材料的模擬范圍。

3)加載控制。剛性加載強度大，屬于“位移加載”方式，即加載面位移保持均勻，應力不均勻，使得模型邊界位移一致，與實際受力不符； 柔性加載屬于“應力加載”方式，即加載過程保持加載面應力均勻，位移不均勻，柔性加載有利于提高試驗精度，減小邊界效應影響范圍，但其行程小、加載強度低。

4)量測技術。以傳統傳感器為主的接觸式位移量測方法在一定程度上會影響模型完整性，且會不同程度地干擾模型的力學行為。為了減少對模型的干擾，對于模型內部應力量測所需要的壓力傳感器需要在尺寸方面進一步微型化。

5)支護模擬。對于隧道支護，例如： 錨桿或錨索主要采用與其材料力學性質相近的銅絲、鋁絲等模擬，混凝土或襯砌采用石膏、硅藻土和塑料等混合料模擬。支護模擬方法主要有先開挖后支護和先預埋支護體后開挖2種。先開挖后支護主要適用于錨桿(索)支護； 先預埋后開挖主要適用于管片襯砌類支護，但其會影響模型的完整性且在預壓過程中可能會發生變形。

6)環境模擬。隧道工程所處地質環境復雜多變，如水環境、溶洞、地裂縫等。由于復雜地質條件的獨特性，如海底隧道上覆無限水體、溶洞形狀大小各異、隱伏溶洞的隱蔽性、地裂縫結構形式多種多樣以及爆破振動影響的不確定性等，需要合理簡化這些不利地質條件，準確模擬其主要影響特征。

4.2 發展方向

1)物理試驗系統精致化。中小型試驗系統由于設計制作周期短、費用低、使用方便、經濟高效、利用率較高，且比較容易使試驗框架結構更緊湊、模型更精致、控制更精確以及測量更精細等，有望成為使用率最高的物理模型試驗系統。

2)物理試驗模型透明化。隨著透明巖土相似材料的進一步研究，如由均質地層到復合地層的模擬、由軟巖向中硬巖的拓展，隧道物理模型透明化的方法有望不斷發展，配合數字照相量測技術，將實現模型內部變形的全方位精細可視化。此外，運用3D打印技術制作模型，具有制作速度快、精度高、費用低、無需模具、形狀不受限制等優點，其與透明巖土材料將成為制作透明隧道模型的2個主要技術。

3)加載控制方式靈活化。電機加載占地空間小、纜線少，利于環境整潔，且試驗費用低、操作方便，配合尺寸適中的模型可對較大埋深位置的隧(巷)道進行模型試驗研究。對于中小型試驗系統，電機加載更加靈活且更易于精確控制，可以作為中小型試驗系統加載控制的優選技術。

4)數字照相量測標配化。數字照相量測主要采用相機作為數據采集設備，利用計算機進行圖像處理與分析，能夠實現隧道模型全域變形的非接觸精細通用量測。同時，結合專業算法研究，其也可以實現巖土材料局部化變形(如巖土裂隙、圍巖松動圈和剪切帶等)的專業分析[30]，將逐漸成為隧道模型試驗的標配量測技術。

5)開挖支護方式合理化。目前對隧道支護開挖前預埋與開挖后安裝的模擬都存在一些問題，難以準確有效地模擬支護結構的作用，需進一步研究更加合理的支護模擬方法。此外，由于盾構法和TBM法在隧道工程中的廣泛應用，其開挖、支護、注漿等一體化的整體模擬裝置也需進一步研究。

6)隧道多場耦合模擬法。隧道工程處于復雜地質環境中，會涉及應力場、溫度場、滲流場或地震場等多場相互作用的問題。對于復雜隧道工程的試驗研究，若忽略多場之間的耦合作用，試驗結果與工程實際情況則會產生較大的差別。因此，多場耦合作用的模擬方法是隧道工程物理模擬試驗研究的一個發展方向。

5 結論與建議

1)提出了一種基于模型體積大小的隧道工程物理試驗系統分類方法，即將試驗系統分為小型(V<0.125 m3)、中型(V=0.125～1.0 m3)、大型(V=1.0～8.0 m3)和超大型(V≥8.0 m3)4種類型。該分類可以較好地反映試驗系統的規模、研發周期、費用、模型制作及使用率等主要問題。

2)中小型試驗系統具有研發周期短、費用低、使用方便、利用率高、更易精致化、加載控制更精確與量測更精細等優點，因此，建議新系統建設中將其作為一個主要的比選方案。

3)隨著透明巖土試驗技術的發展，結合非接觸數字照相變形量測方法與3D打印技術，可實現模型內部全域變形的直接精細量測與全面可視化，透明巖土試驗有望成為隧道物理模擬試驗系統發展的一個新方向。

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