代树林， 杨有源， 辛毓龙， 左天宇

(1.吉林大学建设工程学院， 长春 130026； 2.青岛市勘察测绘研究院， 青岛 266000)

隧道施工过程中遇到一些复杂的地形条件时，就容易出现各种各样的难题，例如隧道偏压问题就常出现于傍山或沿河的隧道工程中[1-3]。隧道偏压会在隧道施工、围岩和衬砌受力等方面都会产生不利影响，严重时会影响隧道稳定甚至造成隧道塌方[4-7]，因此对公路偏压隧道的研究具有重大意义。目前，对公路隧道偏压程度的判定方面主要参考铁路隧道设计规范[8]，缺乏明确的规范标准。由于公路隧道与铁路隧道在断面形式、尺寸等都有所不同，以铁路隧道设计规范来判定公路隧道偏压程度误差会较大，一些学者也对公路隧道偏压程度等问题进行了研究。张成良等[9]通过理论分析结合数值模拟发现公路隧道竖向偏压应力、岩体竖向位移随埋深增加而减小。于清杨等[10]通过数值分析的方法用拱肩应力比判定Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩公路隧道是否偏压。汤竞等[11]揭示了不同埋深、坡度下不同方向围岩压力变化规律。石效民等[12]发现修建浅埋偏压隧道时，围岩压力易集中于隧道拱脚处。白伟等[13]得出了埋深、坡度、跨度对偏压程度的大致影响规律，给出了公路隧道偏压程度定性判定的参考标准。

为直观地反映不同地形偏压对公路隧道偏压程度影响情况，以回头沟隧道右幅进口段为原型，以相似理论[14]为基础，采用模型试验的方式模拟不同埋深和地形坡度组合下的围岩应力分布情况，并与现场监测的围岩应力值比较，验证模型试验的合理性；以拱脚偏压系数来表述回头沟隧道偏压程度，并得出地形偏压下Ⅴ级围岩公路隧道偏压程度判定表，为本工程提供指导，也为其他不同地形偏压下Ⅴ级围岩公路隧道偏压程度判定和偏压问题的处理提供参考。

1 工程概况

隧道原型位于吉林省通化市回头沟村鹤大高速路段，隧道呈东西方向的大体走向[15]。隧道围岩以花岗片麻岩为主[16]。

试验断面原型取于回头沟隧道右幅进口浅埋偏压地段，Ⅴ级围岩饱受断层影响，隧道偏压问题较严重。隧址区地表水体较小，地下水类型较单一。试验原型照片如图1所示。

图1 回头沟隧道现场照片Fig.1 Scene photo of the Huitougou Tunnel

2 模型试验

2.1 物理力学相似参数确定

本次试验以回头沟隧道右幅进口管棚段为原型，为使试验模型各参数都满足相似性[17]，以相似理论为基础，相似参数确定如下。

(1)容重相似比：Cγ=1.0。

(2)几何相似比：CL=80。

2.2 相似材料选取

2.2.1 围岩

在各种材料选择时，主要从材料性能、成本低、购买方便、成型时间短、易于操作等特点[18]来考虑。所以，在对各种材料比选后选取骨料(分为粗骨料和细骨料)和胶结物作为围岩制作的主材料。为提高模型材料的强度使其尽量达到要求，选用铁砂(粗骨料)、白刚玉(细骨料)40目和120目，水泥浆胶结。试样制作时铁砂和白刚玉配比都为1∶1，共25个试样，1∶1.6水灰比(水泥浆占比22%)为第一组，1∶1.4水灰比(水泥浆占比19%)为第二组，第三组为1∶1.2水灰比(水泥浆占比16%)，第四组为1∶1水灰比(水泥浆占比13%)，最后一组为1∶0.8水灰比(水泥浆占比10%)。各试样的物理力学指标通过单轴压缩和三轴试验来测定，最后选择的是第三组试样配比。最终得到的原型与模型围岩各力学参数如表1所示。

师：看来对AP 2=BP 2=AN·BM这一关系的发现也是制约我们解题和出题的原因，那我们现在会出题了吗？

表1 原型和模型围岩力学参数对应表Table 1 Surrounding rock mechanical parameters comparison table of prototype and model

2.2.2 衬砌混凝土

模型衬砌骨料经调查后选择特种石膏，石膏与水质量比从1.3～2.1倍，每隔0.2共配制序号从小到大的5组试样。最终经过试验测定选择C25号喷射混凝土(初期支护)采用第四组石膏试样，C30号模筑混凝土(二衬)则采用第一组。

由于混凝土模拟材料的力学参数与凝固时间关系较大,6 d后各参数才基本稳定,所以选取时间为凝固7 d后，各参数对照如表2所示。

表2 原型与模型衬砌混凝土力学指标对照表Table 2 Lining concrete mechanical indexes comparison table of prototype and model

2.2.3 管棚和钢筋

采用地层预加固的方式模拟管棚，用配比(质量比)为5∶5∶2的铁砂、白刚玉和水泥浆来最终模拟地层加固圈，模型加固圈的地层参数也由黏聚力C=1.0 kPa，内摩擦角φ=24°提升至C=4.0 kPa，φ=52°，进行预加固。钢支撑工字钢为2 mm铁丝，原型材料抗拉刚度EI=1.37×107N·m2，模型抗拉刚度EI=1.07×1010N·m2。二衬主筋选择若干直径1 mm的铁丝，箍筋最合适的材料是混凝土纤维。原型与模型二衬钢筋抗弯EA、抗拉刚度EI对照如表3所示。

表3 原型与模型二衬钢筋抗弯、抗拉刚度对照表Table 3 Secondary lining steel flexural and tensile stiffness comparison table of prototype and model

2.3 模型制作

模型初衬中的支撑骨架由定制的若干钢管和试件组合而成。石膏浇筑成型后需养护7 d，常温条件即可，最终得到的二衬模型如图2所示。

图2 二次衬砌模型Fig.2 Secondary lining model

以二次衬砌为基础，在制作初期支护模型时，在浇筑拌制好的石膏之前需先将铁片套在支撑骨架两侧，制作好后同样养护7 d，如图3所示。衬砌模型都制作好后开始浇筑围岩，最后再养护24 d即可。

图3 初期支护模型Fig.3 Initial support model

2.4 模型加载装置

图4 模型加载系统Fig.4 The loading system of tunnel model

2.5 模型测点布置

试验采用宇博智能薄膜压力传感器测量初衬与围岩之间的接触压力，选取拱顶、上拱肩、下拱肩、边墙、底脚共9处作为具有代表性压力测点。

2.6 偏压加载方案

在弹性设计阶段进行9组试验，控制起始埋深5 m，每次增加5 m直至45 m；起始坡度5°，以每5°的梯度增加至40°，计算施加在不同埋深和地表坡度条件下模型上的压力并记录，加压顺序由低到高，每次加载完30 min后读取数据，数据读取完后再隔30 min进行下次加载。每组试验均进行8次加压，直至衬砌破坏。使用压力传感器监测初期支护与围岩间径向压力。在坡脚和埋深的不同组合下，对模型前后两断面进行检测，并对各检测位置取平均值。

3 模型试验合理性验证分析

为分析所制作的隧道模型与试验原型误差大小，选取回头沟隧道进口段埋深约12.5 m，地表坡度约20°的RK315+710断面，并与模型试验进合理性验证。，采用土压力盒监测围岩与初衬间围岩压力。选取地面地形坡度为20°，埋深在10 m和15 m之间线性插值的模型围岩应力值进行换算后与所选断面监测的围岩应力值相对比。由于模型试验在隧道断层、节理、含水性等方面无法准确模拟，故和试验原型存在一定的误差[19]，各测点具体误差值如图5所示。

分析可知，模型试验与现场试验围岩压力值变化趋势大体相同，隧道两侧都从上拱肩到拱脚大致减小。由于模型材料浇筑后无法保证完全达到强度要求,加压后对试验过程产生干扰，且采用条形加载方式加压，加压不均匀，导致模型试验各监测点围岩应力存在误差，深埋侧下拱肩、边墙误差最大，但误差都不超过13%，试验结果基本符合实际，模型制作较合理。

4 不同地形偏压对公路隧道偏压程度影响分析

为更直观地了解隧道对称位置围岩应力差距，进而得出隧道不同位置偏压程度，引用工程中不对称程度的表达式[13，20],以隧道左右两侧围岩应力差与两侧围岩应力均值之比定义拱肩、边墙、拱脚的偏压系数，计算公式为

(1)

式(1)中：σ右为隧道右侧测点围岩应力；σ左为隧道左侧对应测点围岩应力。

根据模型加载结果，设定模型试验的偏压系数范围为0～2，偏压程度和偏压系数成正比例关系。

根据实验监测得到初期支护和围岩间的压力值，结合式(1)，得到不同地形偏压下上拱肩、下拱肩、边墙、拱脚的偏压系数值，并进行对比，如图6所示。

图6 坡度不同时各位置偏压系数对比图Fig.6 Bias coefficients comparison diagram of various positions with different slope

分析可知，各地表坡度、埋深组合下，拱脚偏压系数均是最大的，说明拱脚处偏压最严重，在实际公路偏压隧道中应该优先考虑拱脚处偏压程度。

4.1 埋深对公路隧道偏压程度影响分析

为分析埋深对偏压程度影响，绘制以埋深为横坐标的拱脚偏压系数曲线，如图7所示。

图7 拱脚偏压系数随埋深变化曲线Fig.7 Curve of arch foot bias coefficient with depth

拱脚偏压系数随埋深变化曲线类似反比例函数曲线，随着埋深的增加，拱脚偏压程度不断减小，偏压系数变化率也大致递减。坡度小于10°时偏压程度随埋深的变化较不明显。埋深小于10 m时：偏压程度下降较慢；10～25 m时，下降速率明显加快；25～35 m时：下降速率又减缓；当埋深大于35 m时：偏压程度和随埋深增加的变化程度都较小，坡度大于30°时，偏压程度仍略有减小且最小偏压系数明显大于25°，坡度小于30°时偏压程度基本不变。

4.2 坡度对公路隧道偏压程度影响分析

为分析地表坡度对偏压程度的影响，绘制以地表坡度为横坐标的拱脚偏压系数曲线，如图8所示。

图8 拱脚偏压系数随坡度变化曲线Fig.8 Curve of arch foot bias coefficient with slope

随着地表坡度的增加，拱脚偏压程度不断增大。坡度小于10°时：偏压程度呈线性递增，偏压程度随坡度的增加变化不明显；坡度10°～15°时：埋深小于15 m偏压程度变化速率加快，埋深大于10 m保持线性增加；坡度大于15°时：埋深小于30 m偏压程度近似呈线性增加，增加速率变化较小。坡度大于25°时：偏压程度增加速率较大，偏压效应明显。

4.3 公路隧道偏压程度判定

根据不同偏压条件下拱脚偏压系数变化规律，并结合工程实际偏压程度，将Ⅴ级围岩公路隧道划分为可忽略、轻微、稍严重和严重4种偏压程度。拱脚偏压系数小于0.6为可忽略偏压，0.6～0.8为轻微偏压，0.8～0.9为稍严重偏压，大于0.9为严重偏压，得到Ⅴ级围岩公路隧道偏压程度判定表，如表4所示。

表4 Ⅴ级围岩公路隧道偏压程度判定表

该偏压程度判定表埋深和坡度都以每5个单位间隔进行累加。偏压程度与埋深和地形坡度的关系分别是负相关和正相关。当坡度小于10°时，隧道多为可忽略偏压状态。当埋深超过35 m时，隧道多呈轻微甚至可忽略偏压状态，偏压效应不明显。需要注意的是，当埋深小于10 m且坡度大于25°时，大多为严重偏压状态，易影响隧道稳定性。在实际工程若遇到非整数梯度情况，应将参数降低到就近的整梯度结合该表进行判定。

5 结论

回头沟隧道模型试验被验证合理之后，根据模型试验不同地形偏压条件下偏压程度分析，得到如下结论。

(1)随着埋深的增加，隧道偏压程度不断减小，变化率也大致递减。坡度小于10°时偏压程度较小，随埋深的增加变化不明显，多为可忽略偏压。埋深大于35 m时，偏压程度变化较小，多为轻微甚至可忽略偏压。

(2)随着地表坡度的增加，隧道偏压程度不断增大。坡度小于10°时，偏压程度呈线性递增，偏压程度随坡度的增加变化不明显；坡度大于25°时：偏压程度增加速率较大，偏压效应明显，且埋深小于10 m时，大多为严重偏压状态。

(3)结合不同偏压条件下拱脚偏压系数变化规律和工程实际，得到埋深5 m、地表坡度5°为梯度的Ⅴ级围岩公路隧道偏压程度判定表。