刘晓庆 李君君 马亚利

（石家庄铁道大学四方学院1） 河北石家庄 051132 石家庄铁路职业技术学院2） 河北石家庄 050041 ）

1 前 言

巴通万高速公路位于四川省东北部，属达州市万源市。新建公路羊子岭隧道左右线分别在ZK231+193.753 和K231+171.228 处，上跨襄渝铁路二线羊子岭铁路隧道，左线上跨铁路桩号为K441+490，右线上跨铁路桩号为K441+524.74。为了深入研究新建公路隧道与既有襄渝铁路之间施工力学的影响，在试验室进行了室内模型试验研究。

2 交叉近接段室内模型试验研究

2.1 模型相似理论及相似比

关于隧道稳定性的研究，主要有理论计算、数值模拟、模型试验三个方面。模型试验是研究解决大型岩土工程问题的重要手段，已在国内外广泛应用，并取得了显著的成果。为了真实准确反映隧道开挖过程中围岩和支护的变形特征和影响，必须考虑原结构模型与试验模型之间的相似关系，如模型材料、模型形状以及荷载等。

若两个系统在弹性范围的力学是相似的，则原型和模型都应满足弹性力学基本方程：平衡方程、物理方程、几何方程、边界条件及相容方程。

分别用p 和m 代表原型和模型的物理量，则试验中相关的物理量相似比关系如下：

将以上各相似比代入弹性力学的基本方程，可推导出各相似比之间的关系。其关系如下：

参与本次试验现象的变量有：σ、ε、φ、μ、γ、x、E、L、c，分别是材料变形过程中的应力、材料变性过程中的应变、材料摩擦角、材料泊松比、材料重度、模型位移、材料弹性模量、模型尺寸、材料粘聚力。综上所述，按照相似第一定理和Buckingham π 定理，这些变量中有两个基本量纲，根据量纲至少出现一次的原则，取L 和σ 为基本物理量，综上所述，推导出各物理量之间的相似比关系为：

因此，本次模型试验的材料属性以及相关试件尺寸均按照以上7 个相似准则进行相似模拟。

新建羊子岭隧道实际最大宽度为12.78m，最大高度为10.25m，既有襄渝铁路二线隧道实际最大宽度为6.26m，最大高度为8.73m。由于模型箱尺寸大小为长×宽×高=100cm×300cm×300cm，隧道模型放置台开口为长×宽=60cm×60cm，且考虑尽量减小模型平台边界效应对隧道的影响，在相似比关系中取的几何相似比为基础相似比，推算出新建羊子岭隧道模型宽度最大为25cm，最大高度为20.5cm，既有襄渝铁路二线隧道模型宽度最大为12.5cm，最大高度为17.5cm。且边界对隧道的位移影响已经较小，故确定模型几何相似比为。并根据所确定的几何相似比和所推导的7 个相似准则，推导得出其它物理力学参数相似比如下：材料应变、材料摩擦角、材料泊松比相似比材料弹性模量、模型位移、材料粘聚力

2.2 模型相似材料确定

2.2.1 围岩相似材料

为简化试验，试验选用单一地层角砾岩层。遵循上述相似比关系，经过大量的配比实验，获取围岩模型相似材料见表1，相似材料物理力学参数见表2。

表1 上层软土（黏土）模型相似材料配合比

表2 围岩相似材料的模型参数

2.2.2 支护相似材料

通过大量文献及多个隧道室内模型试验的调研，初喷混凝土一般采用石膏与水结合进行模拟。模型试验喷射混凝土模型采用水：石膏为2.5：1.0 的质量比时的相似材料。支护原型和模型对比情况如表3 所示。

表3 隧道初期支护原型及模型对比表

2.3 试验装置和测试内容

2.3.1 模型试验装置

模型箱以钢架为基本组成单元，钢架与钢架的连接处由高强度螺栓固定而成，其封闭稳定的结构能够很好的满足本试验所需要的围岩边界条件，确保与实际工况一致。整个模型箱尺寸为300cm×300cm×100cm（长×高×宽），中间放置模型部位尺寸为60cm×360cm，模型断面如图1～图2 所示。模型箱前侧为厚2cm 有机玻璃构成，可以清晰观测到围岩的变化情况。

（2）筑模拱盖应力-应变及压力监测

本试验模型中，根据尺寸相似比，事先进行筑模混凝土的预制，将应变片贴于筑模拱盖拱顶、拱肩、拱腰、拱脚内外侧，将压力盒贴于筑模拱盖拱顶、拱肩、拱腰、拱脚外侧,准备完毕的筑模拱盖模型如图4 所示。

2.3.2 监测测试内容

（1）支护位移监测

对隧道关键点进行结构位移变形监测，监测的部位主要是隧道拱顶、左拱腰和右拱腰三个点。位移计采用预埋的方式，在填土阶段将位移计埋设到相对应的位置，位移计埋设位置需要高于隧道支护3～4cm，防止隧道模型开挖时位移杆滑落。位移计布置测点如图3 所示。

2.4 试验工况和结果分析

2.4.1 试验过程及工况

图1 模型试验箱

图2 模型断面图

图3 支护位移计的布

图4 应变片及压力

既有铁路隧道仅设置二次衬砌，先填土过程中预埋至对应位置。

新建隧道开挖进尺为10cm，开挖时通过石膏模拟初期支护，挖通后设置二次衬砌。具体开挖方式如图5 所示。

试验工分为三个工况，为模拟相同埋深，在开挖前需加载约4t（埋深100m）：

工况一：上下台阶法开挖；工况二：三台阶法开挖；工况三：CD 法开挖。

新建隧道成型后，进行超载破坏试验，研究超载过程中不同工况隧道支护渐进破坏规律及承载能力。加载通过模型箱上部千斤顶完成，采用分级加载，每级加载2t（增加50m 埋深），静置20 分钟，直至结构破坏或无法加载为止。

图5 隧道开挖工法

图6 既有隧道拱顶处竖向位移随开挖步变形情况

图7 新建隧道衬砌破坏图

2.4.2 不同工况下围岩变形规律

不同工况下交叉点位移变化曲线如图6 所示。

对比三种工况下随开挖步围岩变形曲线，可以得到：

（1）由于既有隧道上部卸载开挖，故不同工况下既有隧道拱顶处均表现为上浮；

（2）不同开挖工法对应既有隧道拱顶上浮不同，两台阶法开挖（工况一）最大为0.69mm，三台阶次之0.63mm，CD 法最小为0.56mm，其大小对应为仰拱处应力释放情况，仰拱应力释放越大，对既有隧道影响越大；

（3）三种工况变形均较小，工况一变形仅比工况三大18.8%，即由于既有隧道与新建隧道净距较大，弱化了仰拱应力释放（新建隧道施工）对既有隧道的影响。

2.4.3 隧道结构渐进破坏过程分析 由于三种工况下渐进破坏过程基本相同，故选取工况一加载过程进行分析。

在加载至2t 后，新建左右隧道均出现接近贯通的微裂缝，出现裂缝位置为拱顶与仰拱。裂缝宽度仰拱＞拱顶。在加载至6t 后，新建左右隧道隧道拱顶与仰拱有贯通裂缝，右侧隧道仰拱出现平行的微裂缝。加载至8t 后，隧道拱顶与仰拱裂缝宽度增加。加载至14t 后，新建左侧隧道左右拱墙处有已经发展到衬砌里面侧的裂缝，右侧隧道拱墙处外侧已有裂缝，且后续变形较大无法加载。加载后衬砌如图7 所示。

加载完成后，既有隧道仅在拱脚处出现轻微裂缝，其他部位完好。综合既有隧道及新建隧道衬砌破坏情况可以看出，在隧道开挖完成后，交叉处上部荷载主要由新建隧道承担，致使上部隧道结构破坏严重，但既有隧道衬砌依旧完好。

3 结 论

目前，近接隧道设计与施工较为保守，落后于现有研究水平，本研究依托新建公路羊子岭隧道上穿既有襄渝铁路二线既有隧道工程。通过理论分析以及不同工法现场试验，对既有隧道衬砌进行分析，通过室内试验可知，在隧道开挖完成后，交叉处上部荷载主要由新建隧道承担，致使上部隧道结构破坏严重，但既有隧道衬砌依旧完好。