全断面开挖条件下隧道喷混结构力学模型试验

2022-11-09陈禹豪周嘉洋赵玉秀吴邦雨

四川建筑 2022年5期

陈禹豪，周嘉洋，蒲倩，赵玉秀，吴邦雨

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

距统计，截至2020年底，中国铁路营业里程达14.5万 km，其中，投入运营的铁路隧道共16 798座,总长约19 630 km[1]。随着隧道设计理念、施工技术、施工装备的逐渐成熟，隧道开挖方法逐渐从分部开挖转向全断面开挖。

张新尚等[2]通过三维数值模拟仿真和现场实测对机械化施工隧道爆破振动特征和空间分布规律进行了研究。李志业等[3]采用模型试验和有限元计算方法探讨了不同施工方法引起周围介质的力学行为，提出了判断优化施工方法的依据。王明年等[4-5]依托郑万高铁机械化施工现场实测数据，明确了全断面机械化施工超前支护体系设计方法和大型机械化和丝攻隧道位移控制基准。张冶国等[6]基于类矩形截面隧道开挖收敛位移模式，建立类矩形隧道开挖引起土体自由场位移的模型试验系统。刘少峰等[7]基于围岩开挖扰动时应力响应原理，分析隧道缩尺模型的边界条件及试验方案。通过模型试验，建立岩质隧道的纵向变形规律曲线，获得隧道开挖最大径向位移与施工工艺的变化规律。冯冀蒙等[8]通过室内模型试验，采用可劣化的石膏模型制作初期支护的各构件，对其劣化失效过程进行模拟，记录二衬结构的状态变化，再通过增加荷载确定隧道结构整体承载力的变化情况。杨志浩等[9]开展了公路隧道下穿倾斜煤层采空区室内相似模型试验,考虑了不同开挖进尺和初期支护参数的影响,通过埋设位移计、土压力盒及电阻应变片，测量了隧道开挖过程中采空区附近地层的移动和初期支护的内力。杨忠民等[10]通过相似模型试验,采用自行设计的隧道模型开挖装置和围岩内部位移监测装置,研究了隧道开挖和埋深增大过程中围岩渐进性破坏过程及位移和应力变化规律，揭露出预防隧道大变形的重点支护部位,并进一步研究了大变形出现后处治过程中衬砌的破坏规律，明确了大变形处治时的支护措施。

现有研究表明，全断面开挖相比于分部开挖，对支护时机、支护强度要求更高。喷射混凝土结构作为隧道洞身支护作为常用的支护手段之一，其受力特征成为了国内外研究学者的研究重点。本文利用模型箱模拟实验确定了全断面开挖条件下隧道喷混结构力学行为，通过对模型施加竖向应力，直至喷混结构破坏。确定了IVK1支护条件下，喷射混凝土的极限承载能力，为实际的工程施工提供重要的依据。

1 工程背景

宜昌至郑万高铁联络线正线全长108.3 km，全线设站3个，设计时速350 km，总投资约195.3亿元。线路由宜昌东站引出，经伍家岗区、西陵区、夷陵区，进入兴山县，接入郑万高铁兴山站，预计2025年前建成。全线隧道23座，总长83.452 km，占全线的76.925%，高风险长大隧道多，施工难度大，其中长、特长隧道7座，总长71.105 km，占比为65.5%。施工采用全断面开挖，开挖面积约150 m2。宜昌至郑万高铁联络线正线施工总平面布置如图1所示。

图1 宜昌至郑万高铁联络线正线施工总平面布置

2 模型箱试验

2.1 相似材料

为探究全断面开挖隧道喷射混凝土结构极限承载能力，本文以实际工程的IVK1型支护为原型，开展了模型箱试验。宜昌至郑万高铁联络线IVK1型横断面如图2所示。

图2 宜昌至郑万高铁联络线IVK1型横断面(单位：cm)

根据模型箱试验拟定的工况，应根据相似第三定理合理选择相似材料，确定模型箱和预留隧道模型尺寸。综合考虑模型试验的相似比，所选的相似模型试验材料需要满足要求：材料的重度大、材料的泊松比满足不同围岩条件的需求、材料的力学性能稳定、材料可以重复使用、材料容易制作。

按照模型试验相似三定理进行试验的，满足模型试验的相似条件，其相似比分别为：几何相似比Cl、应力相似比Cσ、应变相似比Cε、容重相似比Cγ、弹性模量相似比CE、泊松比相似比Cν、内摩擦角相似比Cφ、粘聚力相似比Cc、位移相似比Cδ。考虑以上几何、容重、内摩擦角、粘聚力、泊松比、弹性模量、应力、位移、应变、弯矩、轴力等11项影响参数。其关系应满足：

f(l,γ,φ,c,ν,E,σ,δ,ε,W,N)=0

(1)

式(1)11项参数中，以几何和重度为基本量纲的物理量，根据隧道实际的几何尺寸和室内试验模型箱尺寸(3 m×2.5 m×0.6 m)和相似定理，本次试验几何相似比Cl=30，容重相似比Cγ=1，泊松比和内摩擦角相似比为Cν=Cφ=1，应力、弹性模量和粘聚力相似比Cσ=Cc=CE=30。实验测得的位移δ量纲与几何量纲相同，故有Cδ=Cl=30；应变ε量纲与几何量纲与泊松比量纲相同，故有Cε=Cν=1；弯矩相似比Cw=303；轴力相似比CN=302。模型围岩的物理力学参数相似比如表1所示。

本次选用粉煤灰、河砂和机油的热融混合料作为围岩的相似材料。河砂和机油主要对其粘聚力C值敏感，对摩擦角φ和重度γ也起着一定作用；粉煤灰作为主要骨料，调节其密度使颗粒级配满足试验要求。

2.2 模型制作

根据工况设置以及郑万第五版图断面设计图，隧道轴线与模型箱长度方向一致，横断面方向与模型箱宽度方向一致。考虑模型箱的边界效应，隧道两侧宽度应在2～3倍隧道跨度以上。初步拟定的模型箱尺寸为3 m×2.5 m×0.6 m，开挖面采用3 cm厚的亚克力板。模型示意如图3所示。

在现有模型箱尺寸和模型相似比，模型监测元件主要包括土压力盒、极限位移量测装置，模型试验量测系统各监测元件位置如图4所示。

表1 模型试验参数相似比

图3 模型箱示意(单位：cm)

图4 模型试验监测系统各监测元件布置(单位:mm)

2.3 模型开挖与支护

喷射混凝土选用石膏材料进行模拟，按石膏∶水=3∶2的比例搅拌均匀后，施作在洞身。模型开挖及支护流程具体如图5～图9所示。

图5 人工开挖

图6 石膏配制

2.4 模型加载

通过测试台油压装置，根据荷载相似比逐级增加竖向和水平压力，为保证正面的亚克力板不破坏，千斤顶采用50 t级别，通过油压控制以1.53 kPa为单位逐级施加的竖向压力。忽略隧道开挖过程中，围岩应力的释放造成土压力盒读数和百分表读数的变化。分别记录逐级加载过程中土压力盒和百分表读数，并观察支护结构裂缝发展，当观察到支护结构产生贯穿式裂缝时，判定支护结构破坏。模型逐级加载过程土压力盒读数如图10所示。