， ，

(1. 山東職業(yè)學(xué)院 鐵道工程與土木工程系， 山東 濟(jì)南 250104； 2. 蘭州交通大學(xué) a. 甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， b. 土木工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 3. 中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司， 甘肅 蘭州 730070)

仰拱是隧道襯砌結(jié)構(gòu)中重要的組成部分，它的設(shè)置不僅提高了隧道施工安全性，而且也改善了隧道長(zhǎng)期使用的耐久性[1-2]。仰拱能夠?qū)⑺淼郎喜康牡貙訅毫νㄟ^(guò)隧道邊墻結(jié)構(gòu)或?qū)⒙访嫔系暮奢d有效地傳遞到地下，同時(shí)還有效地抵抗隧道下部地層傳來(lái)的反力，是整個(gè)隧道襯砌的基礎(chǔ)。

針對(duì)隧道的仰拱，人們已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究。王明年等[3]結(jié)合大跨度公路隧道工程進(jìn)行大比例尺對(duì)比模型試驗(yàn)和有限元分析，認(rèn)為仰拱對(duì)改善隧道結(jié)構(gòu)的受力狀況，提高隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重要作用。周森[4]對(duì)高速公路隧道仰拱底鼓破壞機(jī)理進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的措施，有效地控制了仰拱底鼓與二襯開(kāi)裂的進(jìn)一步擴(kuò)散。孫豐富[5]以重慶市雙碑隧道工程為例，研究了大斷面隧道在有壓溶腔作用下受力特性。趙偉等[6]通過(guò)對(duì)單線(xiàn)鐵路隧道仰拱二次襯砌大區(qū)段施工工藝的研究，通過(guò)改善施工工藝提高了仰拱二次襯砌混凝土施工質(zhì)量。譚永慶[7]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、基底鉆探等手段，對(duì)某膨脹性圍巖地層鐵路隧道仰拱上拱原因進(jìn)行了分析，并提出了整治措施。到目前為止，針對(duì)大斷面黃土隧道仰拱的受力特性與變形規(guī)律的研究較少。

本文中以蘭州市南繞城高速公路某黃土隧道為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及室內(nèi)模型試驗(yàn)的方法分析研究了相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而得出仰拱的受力特性與變形規(guī)律。

1 工程概況及施工方法

該黃土隧道隧址區(qū)屬于黃土梁區(qū)，海拔高度為1 680～1 905 m，地形起伏。隧道洞口黃土沖溝較發(fā)育，溝底有黃土陷穴發(fā)育，一般直徑為4～8 m，深度為5 m 左右。該黃土隧道高度為10.31 m，跨度為12.56 m，采用兩臺(tái)階預(yù)留核心土開(kāi)挖工法，開(kāi)挖順序如圖1所示。隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用二次模筑法施工，初襯厚度為50 cm，模筑混凝土采用C25混凝土，鋼拱架采用I20a型鋼；二次襯砌厚度為35 cm，采用C25混凝土模筑，仰拱回填層采用C15混凝土。

2 測(cè)點(diǎn)布置

現(xiàn)場(chǎng)選取代表性的斷面ZK26+055作為監(jiān)測(cè)斷面，采用全斷面監(jiān)測(cè)。由于仰拱是重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部位，因此在仰拱處布設(shè)了7個(gè)測(cè)點(diǎn)。為了研究仰拱的受力特性與變形規(guī)律，本文中重點(diǎn)對(duì)仰拱測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。仰拱測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，在相應(yīng)測(cè)點(diǎn)通過(guò)埋設(shè)監(jiān)測(cè)元件，如壓力盒、 表面應(yīng)變計(jì)、混凝土應(yīng)變計(jì)和頻率讀數(shù)儀，分別監(jiān)測(cè)仰拱的圍巖壓力、鋼拱架應(yīng)變及混凝土應(yīng)變。

C1—C7為測(cè)點(diǎn)編號(hào)； 1—6為開(kāi)挖順序編號(hào)。圖1 隧道拱測(cè)點(diǎn)布置圖

3 現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)與分析

3.1 隧道抑拱圍巖壓力

仰拱圍巖壓力是由壓力盒測(cè)得的，首先將壓力盒埋在仰拱圍巖中，且露出壓力盒上表面，然后將元件導(dǎo)線(xiàn)引出并使用頻率讀數(shù)儀測(cè)初始值，仰拱襯砌澆筑以后按照第1周每天2次，隨后每天1次、 2月后每周2次、 3月后每周1次的頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

仰拱圍巖壓力時(shí)程曲線(xiàn)和圍巖壓力如圖2所示。由圖可以看出，仰拱的圍巖壓力發(fā)展趨勢(shì)大體一致，都是先增大，然后趨于平衡。其中測(cè)點(diǎn)C1的圍巖壓力的增大趨勢(shì)最為明顯，前期圍巖壓力迅速增大，3 d時(shí)圍巖壓力就達(dá)到了1 090 kPa，最終穩(wěn)定在4 073.8 kPa，此數(shù)值較為異常，這可能與隧道開(kāi)挖施工時(shí)，對(duì)松散圍巖的擾動(dòng)過(guò)大，使得大量的松散圍巖堆積在左拱腳處有關(guān)。測(cè)點(diǎn)C2的圍巖壓力的發(fā)展趨勢(shì)較緩慢，經(jīng)過(guò)大約40 d，圍巖壓力才開(kāi)始趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在988.7 kPa；測(cè)點(diǎn)C3、C4的圍巖壓力發(fā)展趨勢(shì)類(lèi)似，增長(zhǎng)速率也較為相近，經(jīng)過(guò)20 d左右，兩者都趨于穩(wěn)定，但測(cè)點(diǎn)C3的圍巖壓力略小于測(cè)點(diǎn)C4的。同樣，測(cè)點(diǎn)C5、C6的圍巖壓力發(fā)展趨勢(shì)也較為類(lèi)似。測(cè)點(diǎn)C7的圍巖壓力相對(duì)較小，且圍巖壓力的發(fā)展趨勢(shì)是先增大、后減小，最后同樣在20 d左右趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在236.1 kPa。由隧道仰拱圍巖壓力的分布圖可以看出， 測(cè)點(diǎn)C1的圍巖壓力最大， 其次是測(cè)點(diǎn)C3、 C4， 測(cè)點(diǎn)C7的圍巖壓力最小。

總體來(lái)看，仰拱大多數(shù)測(cè)點(diǎn)的圍巖壓力在20 d左右開(kāi)始趨于穩(wěn)定， 這可能與二襯施工完成參與受力有關(guān)，而且圍巖壓力在仰拱部分的分布呈現(xiàn)兩頭大、中間小，說(shuō)明此時(shí)仰拱有向上隆起的趨勢(shì)，這可能也是引起仰拱隆起開(kāi)裂的原因。

(a)壓力時(shí)程曲線(xiàn)

(b) 壓力分布(kPa)圖2 隧道抑拱圍巖壓力時(shí)程曲線(xiàn)及壓力分布

3.2 隧道抑拱鋼拱架應(yīng)變

仰拱鋼拱架應(yīng)變采用表面應(yīng)變計(jì)測(cè)得。首先通過(guò)焊接將表面應(yīng)變計(jì)固定在鋼拱架的腹板上，且在表面應(yīng)變計(jì)的外側(cè)焊接保護(hù)罩，然后將元件導(dǎo)線(xiàn)引出并使用頻率讀數(shù)儀測(cè)初始值，仰拱襯砌澆筑以后就按照與圍巖壓力相同的監(jiān)測(cè)頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

仰拱鋼拱架應(yīng)變時(shí)程曲線(xiàn)和應(yīng)變分布如圖3所示。由圖可以看出，仰拱鋼拱架的應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)大體一致，都是先迅速增大，然后趨于穩(wěn)定，而且仰拱鋼拱架以壓應(yīng)變?yōu)橹?。其中測(cè)點(diǎn)C7的鋼拱架應(yīng)變先是迅速增大，然后迅速減小，在27 d左右時(shí)，壓應(yīng)變又轉(zhuǎn)變?yōu)榱死瓚?yīng)變，說(shuō)明此時(shí)該處的鋼拱架開(kāi)始逐漸隆起，而且拉應(yīng)變的數(shù)值也隨著時(shí)間的增加逐漸變大，最終在76 d左右趨于穩(wěn)定。除了測(cè)點(diǎn)C7以外，其他測(cè)點(diǎn)的鋼拱架應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)都較為類(lèi)似，而且也都在20 d左右時(shí)應(yīng)變的發(fā)展趨于穩(wěn)定，且都表現(xiàn)為壓應(yīng)變。從隧道仰拱鋼拱架應(yīng)變的分布圖(正表示受拉，負(fù)表示受壓)可以看出，鋼拱架應(yīng)變分布較為對(duì)稱(chēng)，左、右各相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的鋼拱架應(yīng)變值也都較為接近，表現(xiàn)為壓應(yīng)變，只有測(cè)點(diǎn)C7的鋼拱架應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變。

(a)應(yīng)變時(shí)程曲線(xiàn)

(b) 應(yīng)變分布圖3 隧道抑拱鋼拱架應(yīng)變時(shí)程曲線(xiàn)及應(yīng)變分布

總體來(lái)看，隧道仰拱鋼拱架兩邊受壓，而中間受拉，說(shuō)明仰拱的鋼拱架兩邊受到較大的壓力，從而引起中間有向上隆起的趨勢(shì)，這與仰拱圍巖壓力的監(jiān)測(cè)結(jié)果相一致。

3.3 抑拱的混凝土應(yīng)變

仰拱的混凝土應(yīng)變采用混凝土應(yīng)變計(jì)測(cè)得。首先通過(guò)焊接混凝土應(yīng)變計(jì)的支架將其固定在鋼拱架上，然后將元件導(dǎo)線(xiàn)引出并使用頻率讀數(shù)儀測(cè)量初始值，仰拱襯砌澆筑以后也按照與圍巖壓力相同的監(jiān)測(cè)頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

仰拱的混凝土應(yīng)變時(shí)程曲線(xiàn)和應(yīng)變分布如圖4所示。由圖可以看出，仰拱的混凝土應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)也都較為一致，都是先迅速增大，然后增長(zhǎng)速率迅速減小，最后趨于穩(wěn)定，而且仰拱的混凝土以壓應(yīng)變?yōu)橹?。除了測(cè)點(diǎn)C7以外，其他測(cè)點(diǎn)的混凝土應(yīng)變與鋼拱架應(yīng)變的都具有類(lèi)似的發(fā)展趨勢(shì)，這里不再重復(fù)。雖然測(cè)點(diǎn)C7的混凝土應(yīng)變也是先迅速增大，然后迅速減小，最后趨于穩(wěn)定，但并未出現(xiàn)拉應(yīng)變。從仰拱的混凝土的應(yīng)變分布圖(正表示受拉，負(fù)表示受壓)可以看出，混凝土應(yīng)變呈對(duì)稱(chēng)分布，與鋼拱架應(yīng)變的分布較為類(lèi)似，左、右各相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的混凝土應(yīng)變值也都較為接近，也都是表現(xiàn)為壓應(yīng)變，而測(cè)點(diǎn)C7的混凝土應(yīng)變最小。

(a)應(yīng)變時(shí)程曲線(xiàn)

(b) 應(yīng)變分布圖4 隧道抑拱的混凝土應(yīng)變時(shí)程曲線(xiàn)及應(yīng)變分布

總體來(lái)看， 仰拱的混凝土應(yīng)變的增長(zhǎng)速率在20 d左右時(shí)開(kāi)始迅速減小，這也可能與二襯施工完畢有關(guān)，而且仰拱的混凝土應(yīng)變?nèi)勘憩F(xiàn)為壓應(yīng)變，其中仰拱拱底處的混凝土壓應(yīng)變要小于其他測(cè)點(diǎn)的，而且有繼續(xù)減小的趨勢(shì)，這說(shuō)明仰拱的混凝土開(kāi)始逐漸向上隆起了，這與仰拱圍巖壓力和仰拱鋼拱架應(yīng)變的監(jiān)測(cè)結(jié)果也較為一致。

4 室內(nèi)模型試驗(yàn)

4.1 模型尺寸及相似材料

由于模型與原型的幾何比例尺越大，試驗(yàn)結(jié)果就越貼近實(shí)際，因此本文中采用幾何比例尺為1 ∶ 25的大比例尺室內(nèi)模型試驗(yàn)。根據(jù)相似原理可知，模型試驗(yàn)首要考慮的3個(gè)相似比分別是幾何相似比Cl、容重相似比Cr及彈性模量相似比Ce，而且3個(gè)相似比中只要確定其中任意2個(gè)，則第3個(gè)相似比也就隨之而定，同時(shí)其余相似比也就確定[8-10]，因此本試驗(yàn)中主要是通過(guò)控制幾何相似比Cl=1 ∶ 25及容重相似比Cr=1 ∶ 1，使原型與其相似材料滿(mǎn)足所有相似比，最終本試驗(yàn)采用水與石膏的質(zhì)量比為1.2的石膏液與現(xiàn)場(chǎng)掌子面的黃土，分別作為仰拱襯砌與圍巖的相似材料[11-13]，襯砌相似材料力學(xué)性質(zhì)的模擬對(duì)比如表1所示。同時(shí)采用最大壓力為50 kN的油壓千斤頂，對(duì)其進(jìn)行加壓來(lái)模擬隧道仰拱的受力。本次加載分為30級(jí)加載，而且每一級(jí)加載時(shí)間為1 h。隧道仰拱模型尺寸和加載系統(tǒng)如圖5所示。模型范圍設(shè)計(jì)的原則是地下洞室開(kāi)挖所產(chǎn)生的附加應(yīng)力場(chǎng)對(duì)模型巖體邊界原始應(yīng)力場(chǎng)的影響，應(yīng)小于3% ～5%[14]，同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際情況，最終的模型范圍為2.4 m×1.1 m×1.0 m。

表1 抑拱襯砌相似材料力學(xué)性質(zhì)的模擬對(duì)比

4.2 測(cè)點(diǎn)布置

為了更好地與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)應(yīng)，又由于受到監(jiān)測(cè)儀器接線(xiàn)口數(shù)量的限制，因此在仰拱模型縱向中部斷面的相應(yīng)位置上選擇5個(gè)測(cè)點(diǎn)布置土壓力盒與應(yīng)變片來(lái)監(jiān)測(cè)內(nèi)力，分別是左仰拱拱腳、左仰拱中部、仰拱拱底、右仰拱中部及右仰拱拱腳，并在左、右仰拱拱腳與仰拱拱底布置了3個(gè)位移百分表，用來(lái)監(jiān)測(cè)仰拱的變形位移，測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示，模型試驗(yàn)照片如圖7所示。

4.3 抑拱模型壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

抑拱模型圍巖壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示。由圖8(a)、(b)可知，圍巖壓力全為負(fù)值。由于采用的是電阻應(yīng)變式土壓力盒，負(fù)值表示受壓，因此，圍巖壓力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，而且圍巖壓應(yīng)力隨著加載荷載的逐級(jí)增大呈階梯形遞增。仰拱各測(cè)點(diǎn)的圍巖壓力的發(fā)展趨勢(shì)類(lèi)似，都是在加載約1 200 min前，即在加載第20級(jí)荷載前，圍巖壓力增長(zhǎng)較為緩和，隨后圍巖壓力迅速增大，大約在加載到30 kN時(shí)，即加載約1 500 min時(shí)，圍巖壓力開(kāi)始趨于穩(wěn)定，其中，測(cè)點(diǎn)Y1、Y2的圍巖壓力最大，說(shuō)明此時(shí)仰拱左、右2個(gè)拱腳受到了較大的壓力，是最危險(xiǎn)的部位，同時(shí)模型仰拱拱腳處也發(fā)生了破壞。測(cè)點(diǎn)Y3、Y4位于左、右仰拱中部，與圍巖壓力的變化趨勢(shì)相似，但是右仰拱中部的圍巖壓力略大于左仰拱中部。測(cè)點(diǎn)Y5的圍巖壓力變化幅度始終較小，而且壓力值小于其他測(cè)點(diǎn)處的，說(shuō)明模型仰拱拱底受到較小的壓應(yīng)力，這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果相似，并且在加載約1 750 min時(shí)，仰拱拱底的圍巖壓力突然減小，這可能與仰拱底鼓開(kāi)裂有關(guān)。由8(c)圖可知，模型破壞時(shí)圍巖壓力(正表示受拉，負(fù)表示受壓)以壓應(yīng)力為主，而且圍巖壓力呈中間小、兩頭大的對(duì)稱(chēng)分布，這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的分布趨勢(shì)較為類(lèi)似。

(a) 仰拱模型尺寸(cm)

(b)模型范圍尺寸(m)

(c)加載系統(tǒng)圖5 模型尺寸圖

Y1—Y5為壓力測(cè)點(diǎn)編號(hào)。(a)壓力測(cè)點(diǎn)位置

B1—B5為應(yīng)變測(cè)點(diǎn)編號(hào)。(b)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)位置

(c)位移百分表測(cè)點(diǎn)位置圖6 模型試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

圖7 隧道抑拱模型試驗(yàn)照片

(a)模型圍巖壓力時(shí)程曲線(xiàn)

(b)圍巖壓力隨加載荷載的變化曲線(xiàn)

(c)模型破壞時(shí)圍巖壓力分布(kPa)Y1—Y5為壓力測(cè)點(diǎn)編號(hào)。圖8 抑拱模型圍巖壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.4 抑拱模型應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

抑拱模型應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示。由圖9(a)、(b)可知，仰拱模型的應(yīng)變主要表現(xiàn)為壓應(yīng)變，而且仰拱大部分測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變隨著加載荷載的逐級(jí)增大也呈階梯形遞增。與圍巖壓力的監(jiān)測(cè)結(jié)果類(lèi)似，仰拱各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變也都是在加載約1 200 min前，即在加載第20級(jí)荷載前，發(fā)展趨勢(shì)較為緩和，變化幅度較小，但在加載到大約25 kN時(shí)，大多數(shù)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變突然增大，變化幅度也突然變大，加載約1 500 min時(shí)，仰拱應(yīng)變也開(kāi)始趨于穩(wěn)定，其中，測(cè)點(diǎn)B1、B2的壓應(yīng)變最大，這可能與仰拱左、右2個(gè)拱腳受到較大的壓應(yīng)力有關(guān)，而且測(cè)點(diǎn)B2的應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)與測(cè)點(diǎn)B1的略有不同，在加載大約1 400 min之前，測(cè)點(diǎn)B2的應(yīng)變一直大于測(cè)點(diǎn)B1的，隨后測(cè)點(diǎn)B1的壓應(yīng)變迅速增大， 而測(cè)點(diǎn)B2的應(yīng)變先是減小， 然后迅速增大， 這種現(xiàn)象可能與應(yīng)變片的粘貼方式有關(guān)， 可以在以后的模型試驗(yàn)中加以改進(jìn)。 測(cè)點(diǎn)B3、 B4位于左、右仰拱中部，壓應(yīng)變的變化趨勢(shì)相似，應(yīng)變數(shù)值也較為接近。測(cè)點(diǎn)B5的壓應(yīng)變?cè)诩虞d大約1 300 min之前是逐漸增大的，隨后開(kāi)始逐漸減小，在加載大約1 535 min時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)變，說(shuō)明此時(shí)仰拱拱底開(kāi)始逐漸受拉，而且在加載大約1 600 min時(shí)，拱底的拉應(yīng)變開(kāi)始趨于穩(wěn)定，此時(shí)拱底也發(fā)生了開(kāi)裂破壞。由圖9(c)可知，仰拱模型破壞時(shí)應(yīng)變(正表示受拉，負(fù)表示受壓)主要以壓應(yīng)變?yōu)橹?，而且?yīng)變也是呈中間小、兩頭大的對(duì)稱(chēng)分布，其中2個(gè)仰拱拱腳部分的壓應(yīng)變最大，這也與拱腳受到較大的壓應(yīng)力有關(guān)。仰拱拱底出現(xiàn)了拉應(yīng)變，說(shuō)明拱底開(kāi)裂是受拉破壞處。

4.5 抑拱變形位移監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

本試驗(yàn)中在模型的左仰拱拱腳、右仰拱拱腳與仰拱拱底3個(gè)位置，布置3個(gè)位移百分表，以時(shí)間間隔分別為5、 10、 15、 15、 15 min人工讀表的形式，記錄每個(gè)時(shí)間間隔位移百分表的讀數(shù)。

(a)應(yīng)變時(shí)程曲線(xiàn)圖

(b)應(yīng)變隨加載荷載的變化曲線(xiàn)

(c)模型破壞時(shí)應(yīng)變分布B1—B5為應(yīng)變測(cè)點(diǎn)編號(hào)。圖9 抑拱模型應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果

抑拱變形位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖10所示。 由圖10(a)、 (b)可以看出， 隨著加載的逐級(jí)增大， 3個(gè)測(cè)點(diǎn)的變形位移均呈階梯形逐漸增大， 與其他監(jiān)測(cè)結(jié)果一樣， 仰拱變形位移也是在加載大約1 200 min前，即在加載第20級(jí)荷載前， 發(fā)展趨勢(shì)較為緩和，變化幅度較小，但是在加載到大約25 kN時(shí)，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的變形位移突然增大。其中左、右仰拱拱腳的變形位移變化趨勢(shì)相似， 但是左仰拱拱腳變形位移要稍大于右仰拱拱腳的。仰拱拱底的變形位移最大，為6.5 mm，而且變化速率也最大，說(shuō)明模型整體發(fā)生了整體下沉，但是在加載到第28級(jí)荷載時(shí)，即加載大約1 700 min時(shí)， 模型不再下沉， 變形位移反而開(kāi)始減小， 說(shuō)明此時(shí)仰拱發(fā)生了隆起的現(xiàn)象。 由圖10(c)可知， 仰拱變形位移呈對(duì)稱(chēng)分布， 拱底的變形位移要大于拱腳的，但是這與前述仰拱拱底的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果相反， 這可能與位移百分表的安裝方式有關(guān)，拱底的位移百分表是垂直與拱底豎向安裝的， 而2個(gè)拱腳處的位移百分表則是垂直拱腳表面斜向安裝的， 因此， 拱底的位移百分表監(jiān)測(cè)的是整個(gè)仰拱的豎向位移， 而左、 右拱腳處的位移百分表主要監(jiān)測(cè)的是拱腳產(chǎn)生較大的壓應(yīng)變而引起的斜向位移。

(a)變形位移時(shí)程曲線(xiàn)圖

(b)變形位移隨加載荷載的變化曲線(xiàn)

(c)模型破壞時(shí)變形位移分布(mm)圖10 位移百分表監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.6 歸一化對(duì)比分析

將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，即用各點(diǎn)數(shù)值除以所有測(cè)點(diǎn)的最大值作為縱坐標(biāo)，而仰拱測(cè)點(diǎn)編號(hào)作為橫坐標(biāo)，為此將仰拱測(cè)點(diǎn)按照左仰拱拱腳、左仰拱中部、仰拱拱底、右仰拱中部及右仰拱拱腳的順序，依此編號(hào)為1—5，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中將測(cè)點(diǎn)C3、C5以及測(cè)點(diǎn)C4、C6的數(shù)據(jù)取平均值，作為左、右仰拱中部的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，圍巖壓力與應(yīng)變的歸一化曲線(xiàn)如圖11所示。由圖可知，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與模型試驗(yàn)的圍巖壓力、應(yīng)變歸一化曲線(xiàn)都分別呈“V”與“M”形分布，說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與模型試驗(yàn)都反應(yīng)出了相似的仰拱受力特性與變形規(guī)律。主要表現(xiàn)在：1)仰拱受力特性。 仰拱受壓時(shí)， 仰拱拱腳受到的壓力最大，仰拱拱底處的圍巖壓力最小，圍巖壓力沿仰拱分布呈現(xiàn)兩頭大、中間??； 2)仰拱變形規(guī)律。仰拱在受到壓力時(shí)，先是整體下沉，然后左、 右拱腳在較大的壓力作用下產(chǎn)生了斜向的變形位移， 從而分別引起逆時(shí)針與順時(shí)針的彎矩，同時(shí)拱底處也相應(yīng)地產(chǎn)生了彎矩，使得拱底有向上隆起的趨勢(shì)，以至于仰拱拱底的壓應(yīng)變逐漸減小，最終轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)變，當(dāng)拱底的拉應(yīng)變足夠大時(shí)就會(huì)使拱底開(kāi)裂。

(a)壓力

(b)應(yīng)變圖11 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)歸一化曲線(xiàn)

5 結(jié)論

1)隧道仰拱大多數(shù)測(cè)點(diǎn)的圍巖壓力在二襯施工完成后開(kāi)始趨于穩(wěn)定，而且圍巖壓力在仰拱部分的分布呈現(xiàn)兩頭大、中間小，說(shuō)明此時(shí)仰拱有向上隆起的趨勢(shì)。

2)仰拱鋼拱架兩邊受壓，中間受拉，仰拱的混凝土應(yīng)變?nèi)勘憩F(xiàn)為壓應(yīng)變，拱底的混凝土壓應(yīng)變最小，而且有繼續(xù)減小的趨勢(shì)，這說(shuō)明隧道仰拱在受到較大的壓力時(shí)，仰拱拱底會(huì)逐漸向上隆起。

3)抑拱模型破壞時(shí)圍巖壓力以壓應(yīng)力為主，而且模型圍巖壓力的分布與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的分布較為類(lèi)似；模型破壞時(shí)仰拱應(yīng)變主要以壓應(yīng)變?yōu)橹?，左、右拱腳部分的壓應(yīng)變最大，這也與左、右拱腳受到較大的壓應(yīng)力有關(guān)，仰拱拱底出現(xiàn)了拉應(yīng)變，說(shuō)明仰拱拱底開(kāi)裂是受拉破壞；仰拱受壓整體下沉的同時(shí)，左、右拱腳處會(huì)產(chǎn)生較小的斜向變形位移。

綜合上述分析，大斷面黃土隧道在受到壓力時(shí)，隧道會(huì)整體下沉，而且仰拱左、右拱腳會(huì)受到較大的圍巖壓力，從而使左、右拱腳處分別產(chǎn)生逆時(shí)針與順時(shí)針的彎矩，同時(shí)仰拱中部也產(chǎn)生了彎矩作用，從而引起拱底的壓應(yīng)變逐漸減小并轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)變，當(dāng)拱底的拉應(yīng)變足夠大時(shí)就會(huì)使拱底開(kāi)裂。