蔣凌云

（吉首大學(xué)張家界學(xué)院，湖南 張家界 427000）

0 引言

我國東南部地區(qū)分布有大量花崗巖殘積土，花崗巖殘積土的出露面積高達(dá)30%~40%[1-2]?；◢弾r屬于巖漿巖的一種，噴出或淺層花崗巖經(jīng)過物理或化學(xué)風(fēng)化后所形成的部分產(chǎn)物稱為花崗巖殘積土。因其具有碎散性、高壓縮性、低強(qiáng)度等特性，給地下結(jié)構(gòu)的施工帶來了很大的困難。

湖南省南岳片區(qū)就分布有大量花崗巖殘積土，主要風(fēng)化程度為全風(fēng)化[3-4]。南岳片區(qū)的全風(fēng)化花崗巖殘積土其自身顆粒較破碎，力學(xué)性能差，在其地表以下進(jìn)行隧道工程施工作業(yè)，可能會面臨一些施工問題[5-6]。因此，本文以湖南省南岳片區(qū)的花崗巖殘積土為研究對象，通過改變公路隧道埋深進(jìn)行室內(nèi)相似模型試驗，研究不同埋深對花崗巖殘積土公路隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，為花崗巖殘積土地區(qū)的公路隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工提供參考。

1 材料選取

試樣過程中圍巖材料的選取方法有：原巖材料法、低彈模相似材料替代法、改變?nèi)葜叵嗨撇牧咸娲ā槭乖囼灲Y(jié)果更接近于實(shí)際值，試驗圍巖材料擬采用原巖材料，即選用湖南省南岳片區(qū)花崗巖殘積土，其物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 花崗巖殘積土物理力學(xué)指標(biāo)

基于相似理論，本試驗為室內(nèi)縮尺試驗，模型幾何相似比Cl=40。通常隧道的襯砌結(jié)構(gòu)為混凝土材質(zhì)，以石膏為主的脆性材料，其彈性模量主要隨水與石膏的重量比而異。襯砌材料的應(yīng)變、泊松比、摩擦角、容重相似比取1，水膏比在3.5~0.5之間時，其彈性模量一般在0.3~5.5GPa之間，容重一般為3.5~10.0kN/m3，泊松比一般為0.17~0.20[7-8]。因此，本試驗采用石膏為主輔以少量水泥作為襯砌的主要材料，水膏比為0.71，水泥摻量為4%的水泥石膏對公路隧道進(jìn)行支護(hù)。其襯砌材料配比情況見表2。

表2 襯砌材料配比情況

2 試驗裝置模型

基于平面應(yīng)變問題和相似理論[9-10]，確定試驗加載臺的具體尺寸為2000cm×300cm×2000cm（長×寬×高），模型結(jié)構(gòu)框架體系為槽鋼材質(zhì)。為了方便觀察和監(jiān)測試驗過程中圍巖的變化情況，模型箱側(cè)面選用透明的有機(jī)玻璃，有機(jī)玻璃采用亞克力有機(jī)玻璃板且厚度為9mm，通過螺栓將有機(jī)玻璃固定在槽鋼上，裝置模型箱如圖1所示。

圖1 模型箱實(shí)體圖

3 試驗過程

為研究不同埋深下花崗巖殘積土公路隧道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，在上述試驗?zāi)Ｐ拖渲性O(shè)置了9種不同的埋置深度，分別為700mm、800mm、900mm、1000mm、1100mm、1200mm、1300mm、1400mm、1500mm。具體試驗步驟如下：

（1）將花崗巖殘積土裝入試驗?zāi)Ｐ椭?，分層夯?shí)，其埋置深度為700mm；（2）選擇量程為200kPa的土壓力盒，在隧道拱頂、拱腰（左右各一處）、拱腳（左右各一處）和仰拱各埋設(shè)一個，分別標(biāo)上T201、T202、T203、T204、T205、T206；（3）拱頂和地表B1、B2、B3、B4、B5處各安裝百分表一個；（4）記錄各百分表的數(shù)值和土壓力盒的數(shù)據(jù)；（5）按步驟（1）更換埋置深度至800mm，重復(fù)步驟（2）~（4）；（6）分析不同埋深下，圍巖壓力、各點(diǎn)累計沉降量之間的關(guān)系。

隧道斷面及設(shè)備布置如圖2、圖3所示。試驗?zāi)Ｐ椭谱骷鞍俜直淼陌惭b見圖4~圖8所示。

圖2 隧道開挖橫斷面圖

圖3 隧道斷面設(shè)備布置圖

圖4 完成填土

圖5 地表百分表布置

圖6 開挖完成整體效果圖

圖7 完成初襯整體效果圖

圖8 安裝拱頂百分表

4 試驗結(jié)果與分析

通過改變隧道埋深，直至襯砌結(jié)構(gòu)破壞，襯砌破壞后的形狀見圖9。

圖9 隧道襯砌破壞形態(tài)

為方便襯砌結(jié)構(gòu)的施工，本模型襯砌結(jié)構(gòu)為等厚設(shè)計，通過增加上部填土的厚度，襯砌結(jié)構(gòu)最后產(chǎn)生了破壞。從圖9可以觀察到隧道襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了上下左右對稱破壞，拱頂處最先產(chǎn)生破壞，其次是拱腰部分破壞，最后破壞的部位為仰拱，說明拱頂在埋深不斷增大的情況下，產(chǎn)生了過大位移致使拱腰處出現(xiàn)應(yīng)力集中，最終襯砌結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生脆性破壞。因此在進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)增強(qiáng)隧道拱頂處襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)盡可能使拱部以上圍巖產(chǎn)生“自穩(wěn)拱”，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，從而減少作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的作用力。

根據(jù)上述試驗步驟記錄各位置處百分表和土壓力盒各階段的數(shù)據(jù)，并將試驗分別繪制在埋深-圍巖壓力、埋深-累計沉降量坐標(biāo)系中，具體見圖10和圖11。

圖10 圍巖壓力與埋深關(guān)系曲線圖

圖11 累計沉降量與埋深關(guān)系曲線圖

從圍巖壓力與埋深關(guān)系曲線圖不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)隧道埋深為1383mm時，拱腳處圍巖壓力明顯增大，拱腳出現(xiàn)應(yīng)力集中，說明此時襯砌已經(jīng)出現(xiàn)微裂隙；在不同埋深作用下，拱腰處的圍巖壓力一直趨于穩(wěn)定狀態(tài)，說明埋深對拱腰圍巖壓力影響不大。

從累計沉降量與埋深關(guān)系曲線圖不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)埋深≤1100mm時，B1、B4、B5處地表所產(chǎn)生的累計沉降量很少，而當(dāng)埋深>1100mm時，B1、B4、B5處地表所產(chǎn)生的累計沉降量隨埋深增大而增加，可見埋深越大拱頂正上方產(chǎn)生的位移值也就越大。當(dāng)埋深<1076mm時，B1處地表所產(chǎn)生的累計沉降量要小于B2和B3處地表所產(chǎn)生的累計沉降量，說明小埋深隧道，地表沉降以自重沉降為主；當(dāng)埋深逐漸增大，上方產(chǎn)生較大自重荷載，襯砌結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)裂縫，當(dāng)埋深為1500mm時，B4、B5處地表沉降量趨于穩(wěn)定，甚至減少，說明襯砌已發(fā)生明顯破壞，致使圍巖產(chǎn)生較大水平壓力，最終致使地表兩側(cè)向上隆起。

5 結(jié)束語

本文基于平面應(yīng)變問題和相似理論，通過改變花崗巖殘積土公路隧道埋深，開展室內(nèi)縮尺模型試驗，進(jìn)而揭示不同埋深下花崗巖殘積土公路隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，結(jié)論如下：

（1）埋深越大，各點(diǎn)處產(chǎn)生的圍巖壓力值也會逐漸增大，當(dāng)埋深超過1383mm時，圍巖壓力明顯增強(qiáng)，特別是拱腳處的圍巖壓力顯著增大，說明此埋深下，隧道拱腳處產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此在實(shí)際工程中可增大拱腳襯砌厚度或增強(qiáng)拱腳處襯砌混凝土強(qiáng)度，從而提高拱腳抗變形能力。

（2）不同埋深作用下，隧道地表沉降隨隧道埋深的增大而增大，當(dāng)埋深超過1100mm時，拱頂處地表的沉降值明顯增大，是由于拱頂已出現(xiàn)裂縫，故在實(shí)際工程中也應(yīng)增大拱頂襯砌厚度或增強(qiáng)拱頂襯砌混凝土強(qiáng)度。