連拱隧道二次襯砌結構破壞試驗研究

【摘 要】 本文通過幾何比1／20相似模型試驗，對Ⅱ類圍巖條件下連拱隧道二次襯砌結構破壞的力學行為進行了研究，通過研究提出了作者對連拱隧道二次襯砌的認識，為設計施工提供參考。
【關鍵詞】連拱隧道；二次襯砌；模型試驗
1前言
在高等級公路及市政道路的建設中，為獲得良好的技術經濟效果，大量采用了雙連拱隧道方案【1】。但在我國，連拱隧道尚為新型隧道結構，已建成的連拱隧道數量極少，缺乏可借鑒的設計施工經驗。從目前國內其他省市在建中的為數不多的連拱隧道工程來看，在施工中均不同程度地出現了開挖過程中圍巖坍坍、已修筑的襯砌產生大面積裂縫、襯砌接頭處嚴重漏水、工程造價難于控制等問題”。隨著連拱隧道的大量出現，連拱隧道的綜合修建技術就成為當前亟待研究解決的課題。
現階段我國的隧道設計基本以新奧法作為指導理論【3】【4】，設計時除少數情況使二次襯砌在施工階段和運營初期承受一定比例的荷載外，大部分將初期支護作為施工階段和隧道運營初期的承載體系進行
考慮，而將二次襯砌作為長期安全性儲備，但設計時如何確定二次襯砌的厚度具有較大的主觀性，為了研究二次襯砌在隧道長期安全性中發揮的作用，本文作者在國內首次采用幾何比1／20的相似模擬試驗對跨度為2Sm左右的4車道雙連拱隧道的二次襯砌進行了結構破壞試驗，以此探明二次襯砌在隧道長期安全性中發揮的作用。

2 模型試驗
2.1試驗原型
研究以金(華)麗(水)溫(州)高速公路二期工程中的21座Ⅱ類圍巖條件下的連拱隧道為試驗原型，圍巖的參數值按《公路隧道設計規范》(JTJ026--90)并參照《鐵路隧道新奧法指南》偏低范圍取值，具體取值為：凝聚力0．18MPa、內摩擦角28度、彈性模量1．4GPa、容重17．9kN／m。結構原型支護參數如圖1所示。將自重應力場作為試驗的原始地應力場。
2．2相似材料
試驗以幾何相似比Cl=20和容重相似比Cy＝1為基礎相似比，根據相似理論推得各物理力學參數原型值與模型值的相似比。圍巖材料采用特定比例的重晶石粉、石英眇、松香和凡士林的熱融混合物模擬。這種混合材料在化學反應結束后，基奉不受溫度和濕度的影響，以高壓方法加壓成型；二次襯砌采用水膏比為1：1．15的特種石膏材料，通過預制加工現場安裝的方法模擬，其力學指標以實驗值為準；二次襯砌鋼筋采用直徑4mm的鐵質材料通過原型與模型在拱部和邊墻部等效抗彎剛度EI和中墻部等效抗拉剛度EA完全相似的方法進行模擬。
2．3試驗裝置
全部試驗在專門制作的臺架式鋼板試驗模型槽內進行。試驗模型槽用兩組180工字鋼對模型槽前后進行約束，使試體處于平面應變狀態，模型尺寸為4．3mx 3．7mx0．48m，試體尺寸為1．25mx0．60mx0．48m。試驗裝置及試體的概要圖如圖2。

圖2 模型試驗裝置概要
2.4測量系統
(1)洞室周邊徑向位移
在洞室周邊典型位置布置測點，用千分之一精度的差動變壓器式位移計進行量測。
(2)二次襯砌內力
在襯砌內、外側對稱布設環向電阻應變片方式測讀內外側應變值，以此獲得內外側的應變后計算出二次襯砌的截面內力。
(3)圍巖與支護間接觸壓力
在洞室周邊典型位置布置測點，用精密土壓力盒進行量測。各次試驗的測點布置見圖3所示。

2．5試驗系列
本次試驗共做了三組試驗，每組試驗的具體情況為
(1)二次襯砌主筋量比設計值少30％。
(2)二次襯砌主筋量與設計值相同。
(3)二次襯砌主筋量比設計值多30％。
2．6試驗加載方法
將預先加工好并布置了量測系統的二次襯砌模型埋人橫向寬度為2．8m的地層相似材料中，結構的上部覆土深度為20cm，下部深度為95cm，然后在地層相似材料的上面加上底部寬度為20cm的承載梁，承載梁的長度為2．8m。在承載梁的上面使用兩個千斤頂通過傳力柱用精密穩壓臺進行分級加載，載荷從0m自重土柱高開始，每級載荷在前一級載荷的基礎上增加相當于原型10m自重土柱高的載荷增量，每級載荷加上以后，觀測試驗管片的位移、變形和破壞情況，并做好記錄，當管片的位移趨于穩定以后，整個量測系統采集一次數據，作為該級載荷下管片的量測結果，然后再增加一級載荷，整們D載過程一直持續到試驗管片出現肉眼能見到的較大的裂縫(大約1mm)，結構完全破壞為止。
3試驗結果與分析
3.1內力變化規律
二次襯砌的內力(彎矩和軸力)隨著荷載的增加而增加，在彈性階段，二次襯砌的內力隨荷載的增加基本呈線性增加趨勢，但在剛開始的幾級荷載內，每級荷載二次襯砌的內力增加值較后幾級每級荷載的大，在相同的條件下，二次襯砌結構的配筋率越大，其內力值也越大，但從量值上考擦，由配筋率的不同產生的內力差異(最大主筋配筋率與最小主筋配筋率情況相比)在30％以內，根據以上的試驗現象，可以得出在加載過程中承受荷載的不只是二次襯砌本身，除了二次襯砌以外，圍巖也分擔一部分荷載，其分擔比例隨結構配筋率的增大而減小，但其變化范圍不會超出30％；結構的最大彎矩出現在拱頂和仰拱兩個部位，同時拱頂和仰拱部位結構的軸力值又相對較小，對結構而言拱頂和仰拱應為最不利位置，在設計和施工時，應作為控制面。圖4和圖5為試驗2二次襯砌右洞拱頂和仰拱內力隨荷載的變化情況；圖6和圖7 3J--組試驗在等效土柱為80m的荷載時結構的內力值。

圖4 右洞拱頂和仰拱彎矩變化圖
圖5 右洞拱頂和仰拱軸力變化圈

3.2位移變化規律
二次襯砌的位移隨著荷載的增加而增加，在結構處于彈性階段，二次襯砌的位移隨荷載的增加基本呈線性增加，相同的載荷條件下，二次襯砌的剛度越大其位移值越小。圖8為三組試驗在等效土柱為80m荷載時結構的位移值。結構的最大位移值出現在拱頂和仰拱兩個部位，故在設計和施工中，拱頂和仰拱的位移應作為控制位移面，現場的收斂標準應以拱頂和仰拱的收斂為依據。
3．3 破壞狀態的描述

圖8 80m土柱荷載時的位移圖
試驗管片在40~50m等效土柱載荷條件下出現了刪、裂縫，隨著荷載的增加，每增加一級載荷裂縫寬度和條數都有所增加，在結構出現的裂縫較多，寬度較寬的情況下停止了加載，停止加載時的荷載為100m等效土柱高。雖然每次試驗的裂縫位置有所不同，但總的來說裂縫位置主要在以下部位：首先在拱頂或仰拱部位的內側出現十分細小的縱向裂縫，隨著載荷的增加裂縫向周圍和外側擴展延伸，裂縫的寬度和深度不斷的增加；在拱頂或仰拱出現縱向裂縫的同時或稍后載荷‘隋況下，在中墻頂與兩主洞相連接的雁形部的內側、兩側拱腳和拱腰的外側也出現十分細小的縱向裂縫，隨著載荷的增加裂縫向周圍和外側擴展延伸，裂縫的寬度和深度也不斷地增加；再加上1～2級荷載，結構的其他位置也出現縱向裂縫，并且裂縫很快地向周圍和縱深擴展，寬度也急劇的增加，直至結構完全破壞。當管片出現裂縫以后，結構的內力和位移都出現了突變，在試驗中為了更好地觀測到裂縫和整個結構的破壞狀況，繼續對結構進行加載，在后面的加載過程中，各項試驗值不能完全代表原型值。試驗完成以后，拱頂和仰拱處的縱向裂縫完全管通，最大裂縫寬度1～2mm。圖9為試驗2試驗結束后的襯砌破壞情況描述圖。

圖9 試驗結束后二次襯砌結構破壞圖
根據以上試驗結果和分析，可得出如下結論：
(1)在加載過程中，承受荷載的不只是二次襯砌本身，除了二次襯砌以外，圍巖也承受了一部分荷載；圍巖承受的荷載劃、與二次襯砌的結構的配筋率有直接關系：當二次襯砌的配筋率相對較大時，圍巖承受的荷載相對較小；反之，圍巖承受的荷載相對較大；但結構的配筋率對結構內力的影響不會超過30％。
(2)二次襯砌的最大內力值在拱頂和仰拱兩個部位，因為在具體的設計和施工中，仰拱施作完后還要回填并施作路面系統等，仰拱的細小裂縫不會對結構產生太大的影響，在設計和施工中，應將拱頂的內力作為控制面。二次襯砌從出現裂縫到隧道坍坍，需要一定的載荷增量，故在隧道初期出現裂縫時，結構還有一定的承載能力。
(3)二次襯砌的最大豎向位移值出現在拱頂和仰拱兩個部位，最大水平位移出現在拱腰部位，拱頂和仰拱的位移應作為控制位移面，現場的收斂標準應以拱頂和仰拱的豎向收斂和拱腰的水平收斂為依據。

參考文獻
【1】何川，林剛，張志強．連拱隧道的主要修改技術問題和對策．現代隧道技術（增刊）2002
【2】劉洪州，黃倫海 連拱隧道設計施工技術研究現狀 西部探礦工程，2001(1）：54-55
【3】關寶樹 隧道力學概論成都：西南交通大學出版社，1991
【4】鐵道部第二勘測設計院主編 鐵路工程設計技術手冊隧道(修訂版)．北京：中國鐵道出版社，1999