黃 鋒，朱 濤，劉星辰，向晉揚(yáng)，王 毅

(1.重慶交通大學(xué) 省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

我國(guó)幅員遼闊且地形多樣化,山嶺重丘地貌主要分布在我國(guó)西南地區(qū),隧道方案在區(qū)域交通體系建設(shè)中被廣泛采用,規(guī)劃建設(shè)的某山區(qū)鐵路沿線隧道占比更是高達(dá)83%[1]。隧道作為修建于地表以下的條狀構(gòu)筑物,難免穿越陡傾節(jié)理、軟弱夾層、斷層破碎帶等地質(zhì)構(gòu)造,此類地層大都存在巖性多變、構(gòu)造復(fù)雜、穩(wěn)定性差等工程特點(diǎn)[2-3]。此外,受地層埋深與構(gòu)造活動(dòng)的影響,部分隧道處于高地應(yīng)力環(huán)境中,側(cè)向壓力系數(shù)的增大不但對(duì)隧道圍巖變形與襯砌結(jié)構(gòu)受力有顯著影響,還存在誘發(fā)構(gòu)造帶活化與地層偏壓的風(fēng)險(xiǎn)[4-6]。高地應(yīng)力環(huán)境下斷層破碎帶控制地層中隧道與破碎帶的空間位置關(guān)系決定了圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)與襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的復(fù)雜程度,但多數(shù)研究[7-11]將隧道穿越陡傾斷裂帶導(dǎo)致的斷層滑移與結(jié)構(gòu)剪切作為重點(diǎn),而忽略了隧道走向與破碎帶平行的情況,實(shí)際上此類位置關(guān)系在工程中較為常見且易導(dǎo)致地層偏壓、圍巖失穩(wěn)、襯砌大偏心受力等風(fēng)險(xiǎn)隱患,值得深入研究。

針對(duì)隧道走向與構(gòu)造分布的平行位置關(guān)系,大量學(xué)者通過(guò)數(shù)值計(jì)算、模型試驗(yàn)等手段對(duì)高地應(yīng)力環(huán)境、構(gòu)造帶控制下隧道圍巖應(yīng)力、位移場(chǎng)及襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)開展了深入研究。趙伯明等[12]通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的跨斷層隧道抗位錯(cuò)計(jì)算方法進(jìn)行機(jī)理研究,從斷層尺度出發(fā),考慮土體層狀構(gòu)造的影響,實(shí)現(xiàn)了斷層錯(cuò)動(dòng)的精細(xì)化輸入。Fang等[13]通過(guò)對(duì)比開挖過(guò)程中拱頂沉降,得到傾角對(duì)側(cè)壓力影響較大,隧道距離崩落帶越近,平均垂向壓力和最大彎矩越大的結(jié)論。劉書斌等[14]建立小凈距隧道下穿采空區(qū)地層開挖模型,得出采空區(qū)傾角對(duì)初期支護(hù)正彎矩分布和軸力影響較大,造成偏壓嚴(yán)重應(yīng)力集中逐漸由右拱腳向左拱腳移動(dòng)。韓瑀萱等[15]通過(guò)對(duì)隧道穿越斷層破碎帶圍巖穩(wěn)定性的研究,得出隧道與斷層正交以及避免隧道穿越層厚度大的斷層來(lái)提高圍巖穩(wěn)定性?？梢?既有研究多將高地應(yīng)力環(huán)境與斷層破碎帶單獨(dú)考慮,分別揭示了兩種地質(zhì)條件下隧道圍巖響應(yīng)規(guī)律與襯砌損傷機(jī)理,但并不完全適用于高地應(yīng)力環(huán)境與斷層破碎帶共存情況下隧道圍巖及結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為解析?？紤]數(shù)值計(jì)算在處理結(jié)構(gòu)面接觸與本構(gòu)關(guān)系的局限性,有必要建立室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn)對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究。

本文基于實(shí)際工程,采用室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn)的方法,通過(guò)控制側(cè)向壓力系數(shù)改變高地應(yīng)力環(huán)境,對(duì)不同側(cè)壓力系數(shù)高地應(yīng)力環(huán)境下斷層破碎帶控制地層中隧道圍巖應(yīng)力、位移場(chǎng)分布特征與襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進(jìn)行研究,以期為相同或類似隧道工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考與借鑒。

1 物理模型模擬實(shí)驗(yàn)

1.1 工程背景

一般來(lái)說(shuō),構(gòu)造應(yīng)力使巖體處于多向擠壓狀態(tài),巖體之間相互張拉剪切,當(dāng)巖體本身的抗剪強(qiáng)度小于所受的剪應(yīng)力時(shí),巖體發(fā)生破裂,當(dāng)節(jié)理面兩側(cè)巖體的滑動(dòng)摩阻力小于巖體所受剪應(yīng)力時(shí),巖體錯(cuò)動(dòng)形成斷層破碎帶。G4216線寧南至攀枝花段火山隧道為海拔1 791.47～2 301.57 m,左線全長(zhǎng)7 150 m,右線全長(zhǎng)7 192 m,設(shè)計(jì)車速為80 km/h的馬蹄形三車道隧道。隧道沿線附近存在多條斷層破碎帶,但各斷層破碎帶自第四系以來(lái)未見活動(dòng)跡象,地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定,為非活動(dòng)斷層。根據(jù)前期地勘資料,隧道埋深為369.4～466.9 m,其軸線與斷層構(gòu)造方向平行,里程為K1+1235—K1+2637,斷層破碎帶傾角約為20°,厚度為6.6 m,與隧道的垂直間距為5.1 m。圍巖巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度為30.3～58.6 MPa,由地應(yīng)力測(cè)試得到地應(yīng)力為5.5～9.4 MPa,圍巖單軸抗壓強(qiáng)度與最大初始地應(yīng)力之比為4～7。根據(jù)JTG 3 370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[16],該隧道為高地應(yīng)力區(qū),所屬圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)圍巖,選定初始地應(yīng)力之比為6。根據(jù)室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果,圍巖和斷層破碎帶內(nèi)巖石的物理力學(xué)特性見表1。

表1 圍巖與斷層破碎帶內(nèi)巖石物理力學(xué)性能

1.2 模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于工程背景并結(jié)合試驗(yàn)條件,模型試驗(yàn)幾何相似比取為1∶30,根據(jù)相似理論:以容重相似比Cγ=1,幾何相似比CL=1為基礎(chǔ)相似比,根據(jù)相似準(zhǔn)則得到泊松比相似比Cμ、應(yīng)變相似比Cε、摩擦角相似比Cφ滿足Cμ=Cε=Cφ=1;應(yīng)力相似比Cσ、黏聚力相似比Cc、彈性模量相似比CE滿足Cσ=Cc=CE=30。模型材料物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

斷層破碎帶巖體較破碎,孔隙率高,具有較高的離散性,原火山隧道破碎巖石粒徑按大小分為:粒徑≥0.4 m;0.4 m>粒徑≥0.1 m;粒徑<0.1 m。不同粒徑組成質(zhì)量比約為1∶1.1∶1.3,孔隙率約為0.30。根據(jù)其物理力學(xué)特性及文獻(xiàn)[13-15],選用石英砂、石膏、重晶石粉、水作為原材料,通過(guò)不斷的配比試驗(yàn)最終確定配比為:重晶石粉∶石英砂∶石膏∶水=1∶1.5∶2.5∶0.8。將斷層破碎帶相似材料按預(yù)設(shè)體積進(jìn)行制備,用鎬頭將其砸成形狀大小不規(guī)則的塊體留以備用,將破碎巖石粒徑按大小分為:粒徑≥0.4 m;0.4 m>粒徑≥0.1 m;粒徑<0.1 m。不同粒徑組成質(zhì)量比約為1∶1∶1.3。采用攪拌機(jī)對(duì)不同粒徑的破碎巖石進(jìn)行拌和后,將攪拌均勻的破碎巖石鋪設(shè)在圍巖材料上,所得破碎帶相似材料的孔隙率約為0.24。

通過(guò)參考Ⅳ級(jí)圍巖的物理力學(xué)參數(shù)并滿足圍巖相似材料的基本力學(xué)性能,參考直剪試驗(yàn)以及GDS三軸壓縮試驗(yàn),得到Ⅳ級(jí)圍巖相似材料的最終配合比為:重晶石粉∶石英砂∶石膏∶水=1.3∶0.3∶0.25∶0.02。

由于研究高地應(yīng)力時(shí)的地應(yīng)力較高,按照相似比制作的混凝土材料因高荷載條件下未到達(dá)額定加載強(qiáng)度即發(fā)生破壞,考慮非相似比材料制作的襯砌模型相似比誤差較大[18],因此本試驗(yàn)的目的為測(cè)量襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力,并研究襯砌內(nèi)力的變化規(guī)律,因此需選用一種能夠承受高壓的材料。因有機(jī)玻璃具有較高比例極限,彈性模量為3.3 GPa,從材料力學(xué)特性和制造性考慮,最終選取3 cm厚的有機(jī)玻璃(亞克力)來(lái)制作高地應(yīng)條件下的襯砌模型,見圖1。

圖1 襯砌尺寸(單位:mm)

1.3 模型試驗(yàn)裝置及測(cè)點(diǎn)布置

基于重慶交通大學(xué)地下結(jié)構(gòu)三維模型試驗(yàn)系統(tǒng)建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。模型試?yàn)箱見圖2。加載系統(tǒng)由傳力梁、伺服作動(dòng)器、傳力鋼板等組成,其中伺服作動(dòng)器的額定壓力為28 MPa,工作行程為220 mm,輸出推力為6 250 kN。模型尺寸為2.5 m×1.25 m×2.5 m。

圖2 試驗(yàn)箱模型(單位:mm)

模型試驗(yàn)量測(cè)元件布置見圖3。圖3中,D為隧道寬度;H為隧道高度。沿襯砌模型環(huán)向布置6個(gè)測(cè)點(diǎn),每個(gè)測(cè)點(diǎn)的內(nèi)側(cè)與外側(cè)貼電阻應(yīng)變片測(cè)量表面應(yīng)變,換算求出彎矩與軸力;同時(shí)環(huán)向布置6個(gè)土壓力盒測(cè)量圍巖壓力;內(nèi)側(cè)布置4個(gè)千分表測(cè)量襯砌模型位移。襯砌結(jié)構(gòu)環(huán)向內(nèi)表面與外表面分別設(shè)置6個(gè)測(cè)點(diǎn)。襯砌模型的上側(cè)及左右側(cè)分別布置4個(gè)測(cè)點(diǎn),每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置水平與垂直土壓力盒測(cè)量圍巖應(yīng)力。破碎帶上下邊界分別布置7個(gè)位移計(jì)測(cè)量圍巖位移變化。

圖3 模型試驗(yàn)量測(cè)元件布置

1.4 模型材料填筑

當(dāng)圍巖材料填筑到700 mm高時(shí),預(yù)制好的襯砌模型放入模型箱內(nèi),隨后繼續(xù)填入圍巖材料至高程734 mm處,并使圍巖與襯砌模型緊密接觸。以水平20°傾角從左至右填入圍巖材料,當(dāng)最右側(cè)的圍巖材料填至高程1 644 mm時(shí)暫停填筑,并用量角器檢測(cè)斜面是否大致與水平呈20°傾角。填筑斷層破碎帶材料,最左側(cè)填筑高程達(dá)968 mm,最右側(cè)高程達(dá)1 878 mm時(shí)暫停填筑,再次用量角器檢測(cè)斜面是否大致與水平呈20°傾角。最后從下往上填筑圍巖材料,填埋由下往上分層攤鋪,層厚控制為100 mm,每填筑一層,使用震動(dòng)夯實(shí)機(jī)夯實(shí)一層,最終左右均鋪至設(shè)計(jì)高程2 200 mm。鋪設(shè)過(guò)程中在襯砌周圍埋置土壓力盒,布置位移計(jì),繼續(xù)填筑圍巖相似材料至模型箱頂面并覆上加載板。

1.5 試驗(yàn)工況

模型試驗(yàn)均在同一個(gè)隧道模型箱內(nèi)進(jìn)行,傳力梁前端與模型箱交界面布置厚度為5 mm的傳力鋼板,以將傳力梁傳導(dǎo)而來(lái)的壓力近似轉(zhuǎn)化為均布荷載施加在模型箱上,通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制油壓驅(qū)使伺服作動(dòng)器工作,豎向傳力梁穩(wěn)定提供320 kPa恒定豎向荷載,側(cè)向傳力梁由初始160 kPa開始加載,加載系統(tǒng)以80 kPa為一級(jí),每級(jí)加載后穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)5 min,記錄數(shù)據(jù)再進(jìn)行下一級(jí)加載。

現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試中得到地應(yīng)力為9.4～24.7 MPa,側(cè)壓力系數(shù)為0.61～1.52,因此,本試驗(yàn)將側(cè)壓力系數(shù)k設(shè)定為0.50～1.50。結(jié)合工程背景地應(yīng)力分布情況,擬改變豎向荷載與側(cè)向荷載的比值以模擬側(cè)壓力系數(shù)的改變條件,以探究隧道受側(cè)壓力系數(shù)k影響規(guī)律及最不利情況,工況加載方案見表3。

表3 加載方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 圍巖應(yīng)力分布分析

2.1.1 徑向圍巖應(yīng)力分析

圍巖應(yīng)力分布見圖4。左側(cè)圍巖應(yīng)力隨著與距洞壁距離的增大而逐漸減小,距離大于1.0D,左側(cè)圍巖應(yīng)力降低約13.7%,下降逐漸趨于平穩(wěn)。右側(cè)圍巖應(yīng)力分布規(guī)律與左側(cè)相反,右側(cè)圍巖應(yīng)力增大約23.6%,符合塑性區(qū)應(yīng)力重分布規(guī)律。徑向應(yīng)力隨距洞壁距離增大而逐漸增大,但在0.5H～1.0H時(shí)逐漸降低,在1.0H～1.5H時(shí),徑向應(yīng)力具有逐漸恢復(fù)到原巖應(yīng)力的趨勢(shì)。

圖4 徑向各部位圍巖應(yīng)力

在側(cè)壓力系數(shù)由0.50增大至1.50的過(guò)程中,荷載增大使得徑向圍巖應(yīng)力逐漸增大,左側(cè)圍巖因靠近斷層破碎帶,受斷層破碎帶影響掌子面范圍內(nèi)的圍巖應(yīng)力出現(xiàn)應(yīng)力集中,徑向圍巖應(yīng)力約為右側(cè)的1.2倍。右側(cè)圍巖受到斷層破碎帶的影響較弱,隨距洞壁距離的增大逐漸趨近于原巖應(yīng)力。上側(cè)圍巖應(yīng)力因穿過(guò)斷層破碎帶,地層結(jié)構(gòu)較為軟弱,徑向圍巖應(yīng)力在此范圍內(nèi)小于圍巖彈塑性區(qū)域,圍巖應(yīng)力出現(xiàn)明顯降低,跨過(guò)斷層破碎帶后上側(cè)圍巖應(yīng)力與左、右側(cè)圍巖應(yīng)力均趨近于原巖應(yīng)力。

2.1.2 切向圍巖應(yīng)力分析

側(cè)壓力系數(shù)下各測(cè)點(diǎn)的切向圍巖應(yīng)力分布見圖5。隧道左右兩側(cè)圍巖應(yīng)力隨距洞壁距離的增大而逐漸減小,當(dāng)距離大于0.5D后,圍巖應(yīng)力總體趨于穩(wěn)定。圍巖應(yīng)力隨距離的增大呈減小的趨勢(shì),斷層破碎帶由于穩(wěn)定性差發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,導(dǎo)致斷層破碎帶中存在應(yīng)力較高的點(diǎn),其中,當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)為1.50時(shí),距離隧道截面0.5H位置地應(yīng)力高達(dá)559 kPa。在高地應(yīng)力條件下,左右切向的圍巖應(yīng)力在0.1D～0.3D時(shí)內(nèi)急劇下降,0.3D范圍外整體變化趨勢(shì)較為平緩。

圖5 切向圍巖應(yīng)力

高地應(yīng)力條件下,與徑向圍巖應(yīng)力相比,切向圍巖應(yīng)力受側(cè)壓力系數(shù)影響較小,在側(cè)壓力系數(shù)由0.50增大至1.50的過(guò)程中,不同側(cè)壓力系數(shù)下的切向圍巖應(yīng)力較為接近,同時(shí)左、右側(cè)切向圍巖壓力變化規(guī)律較為一致,呈對(duì)稱分布。切向圍巖應(yīng)力受斷層破碎帶的影響較大,在距離隧道截面0.1D～0.3D范圍內(nèi),應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。

2.2 圍巖變形規(guī)律分析

斷層破碎帶上邊界位移輪廓見圖6。

圖6 斷層破碎帶上、下邊界垂直位移輪廓(單位:mm)

由圖6可知,斷層破碎帶上邊界垂直位移呈現(xiàn)U形分布,即最大位移發(fā)生在中心截面④處,最大位移為1.788 mm,位移隨著距中心截面距離的增大向兩側(cè)逐漸減小,最小位移截面出現(xiàn)在距離隧道中心線1.5D的截面①處。對(duì)比同一位置不同側(cè)壓力系數(shù)時(shí)的位移量,側(cè)壓力系數(shù)越大,邊界位移發(fā)生回彈的主要原因水平荷載逐漸增大,兩側(cè)圍巖受到擠壓,邊界位移逐漸減小,土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加擠密,變形逐漸收縮回彈。斷層破碎帶下邊界垂直位移呈現(xiàn)U形分布,即最大位移發(fā)生在中心截面④處,為2.265 mm,約為上邊界位移的1.3倍,隨著距中心截面距離的增大,位移向兩側(cè)逐漸減小。

對(duì)比斷層破碎帶上下截面位移分布,除中心截面④外,下邊界位移總體小于上邊界位移,推測(cè)在加載的過(guò)程當(dāng)中,少部分土體斷層破碎帶之間的裂隙與斷層破碎帶形成整體,在高豎向荷載的作用下形成突起;因破碎帶下邊界處存在襯砌結(jié)構(gòu),產(chǎn)生應(yīng)力集中,下邊界位移大于上邊界位移。加載過(guò)程中,下邊界位移2.265 mm回彈至0.823 mm,約為下邊界最大位移的0.36倍。相比上邊界位移,側(cè)壓力系數(shù)對(duì)中心截面的影響大于對(duì)其他截面位移的影響,但對(duì)上下邊界的位移影響趨勢(shì)是相同的。

2.3 襯砌周邊圍巖壓力分析

襯砌在不同側(cè)壓力系數(shù)k下所受圍巖壓力見圖7。由圖7可知,拱底受側(cè)壓力系數(shù)的影響最弱,增幅最小,左拱腳隨著側(cè)壓力系數(shù)的逐漸增大呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。當(dāng)k=1.50時(shí),左拱腳受力高達(dá)141.2 kPa,當(dāng)k=0.50時(shí),左拱腳受力僅為83.8 kPa,前者受力約為后者的1.7倍。

圖7 襯砌所受圍巖壓力

在傾角破碎帶的影響下,襯砌結(jié)構(gòu)受力呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱性,側(cè)壓力系數(shù)的增大,非對(duì)稱性也逐漸增強(qiáng),其中受力最大的位置為左拱腳,受力最小的位置為拱底,20°傾角破碎帶所導(dǎo)致的襯砌所受圍巖應(yīng)力偏壓現(xiàn)象較為明顯,在k=1.50時(shí),左拱腳處受力約為右拱腳處的2.4倍,約為拱底處的6.4倍。

2.4 襯砌結(jié)構(gòu)位移分析

襯砌結(jié)構(gòu)不同位置的位移見圖8。圖8中,正值表示位移方向指向截面內(nèi)側(cè),負(fù)值表示位移方向指向截面外側(cè)。由圖8可知,拱頂始終指向襯砌內(nèi)側(cè),變化趨勢(shì)較小,水平荷載增大左右邊墻及拱底的襯砌位移由外側(cè)向內(nèi)側(cè)收縮。k=0.50時(shí),拱頂與拱底垂直位移差最大為1.246 mm,左、右邊墻水平位移差為0.467 mm,約為左、右邊墻水平位移差的2.6倍,側(cè)壓力系數(shù)對(duì)襯砌輪廓的豎向影響大于對(duì)襯砌水平位移的影響。

圖8 襯砌結(jié)構(gòu)位移

傾角斷層破碎對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)位移的影響同樣呈明顯的非對(duì)稱性,究其原因?yàn)閮A角破碎帶使得襯砌所受圍巖應(yīng)力不均勻,襯砌左側(cè)偏壓較為突出,左、右邊墻位移受高地應(yīng)力的影響,位移方向指向截面外側(cè),側(cè)壓力系數(shù)的增大使得作用在左、右邊墻上的應(yīng)力逐漸增大,左右邊墻襯砌結(jié)構(gòu)位移逐漸回彈收縮,左邊墻的位移變化總量為0.25 mm,為右邊墻位移總量的0.63倍。

2.5 襯砌結(jié)構(gòu)受力分析

通過(guò)對(duì)亞克力襯砌結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變片的變形數(shù)據(jù)加以計(jì)算得出亞克力襯砌結(jié)構(gòu)的原彎矩與軸力數(shù)據(jù),繪制襯砌結(jié)構(gòu)彎矩圖、軸力圖分別見圖9、圖10。

圖9 襯砌結(jié)構(gòu)彎矩圖(單位:N·mm)

圖10 襯砌結(jié)構(gòu)軸力圖(單位:N)

由圖9、圖10可知,襯砌結(jié)構(gòu)在斷層破碎帶的影響下,彎矩分布呈現(xiàn)出較強(qiáng)的非對(duì)稱性,加載過(guò)程中,左側(cè)拱腳彎矩值均小于右側(cè)拱腳彎矩值,k=0.50時(shí),右拱腳彎矩為左拱腳彎矩的1.86倍。k=1.50時(shí),右拱腳彎矩約為左拱腳彎矩值的1.46倍。襯砌結(jié)構(gòu)不同位置彎矩受側(cè)壓力系數(shù)的影響較為不同,除k=0.50時(shí),拱底彎矩大于右拱腳彎矩,右拱腳彎矩值始終處于較大值。k由1.25增加到1.50時(shí),左拱腰與右拱腰變化趨勢(shì)相同,彎矩值由負(fù)值變?yōu)檎?結(jié)構(gòu)承受能力由抗壓強(qiáng)度轉(zhuǎn)變?yōu)榭估瓘?qiáng)度,結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生裂隙。k=1.50時(shí),襯砌結(jié)構(gòu)彎矩分布不均勻,結(jié)構(gòu)安全性較不利;k=1.00時(shí),襯砌受傾角破碎帶的影響較小,此時(shí)襯砌相對(duì)于其他側(cè)壓力系數(shù)條件下,彎矩分布較為均勻。

研究表明,為滿足隧道下穿高地應(yīng)力及斷層破碎帶復(fù)雜地質(zhì)條件,對(duì)隧道襯砌左右拱腳、拱頂與拱底進(jìn)行構(gòu)造加強(qiáng)能夠更好地滿足穩(wěn)定性需求。

3 結(jié)論

基于相似模型原理,通過(guò)模型加載系統(tǒng),改變作用在隧道模型上的壓力以研究高地應(yīng)力及斷層破碎帶條件疊加下隧道圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響,得到以下結(jié)論:

1)在高地應(yīng)力及傾角斷層破碎帶的影響下,徑向圍巖應(yīng)力出現(xiàn)應(yīng)力集中,左側(cè)徑向圍巖應(yīng)力約為右側(cè)的1.2倍。切向圍巖應(yīng)力在距離隧道截面0.1D～0.3D范圍內(nèi)應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。切向圍巖應(yīng)力受側(cè)壓力系數(shù)影響較小,不同側(cè)壓力系數(shù)下的切向圍巖應(yīng)力較為接近。

2)斷層破碎帶下邊界最大位移約為上邊界最大位移的1.3倍。側(cè)壓力系數(shù)對(duì)斷層破碎帶下邊界位移的影響相比上邊界更加顯著,回彈位移約占最大位移的64%,側(cè)壓力系數(shù)對(duì)中心截面的影響大于對(duì)其他截面位移的影響,上下邊界的位移趨勢(shì)是相同的。

3)傾角破碎帶使得襯砌結(jié)構(gòu)受力呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱性,隨著側(cè)壓力系數(shù)增大,非對(duì)稱性也逐漸增強(qiáng),其中受力最大的位置為左拱腳,受力最小的位置為拱底,傾角破碎帶所導(dǎo)致的襯砌所受圍巖應(yīng)力偏壓現(xiàn)象較為明顯,在側(cè)壓力系數(shù)為1.50時(shí),左拱腳處應(yīng)力約為右拱腳處的2.4倍,拱底處的6.4倍。

4)從襯砌結(jié)構(gòu)變形來(lái)看,襯砌左側(cè)偏壓較為突出,左右邊墻位移受高地應(yīng)力的影響,位移方向指向截面外側(cè),側(cè)壓力系數(shù)的增大使得作用在左右邊墻上的應(yīng)力逐漸增大,左右邊墻襯砌結(jié)構(gòu)位移逐漸回彈收縮,左邊墻的位移變化總量為0.25 mm,為右邊墻位移總量的60%。