2020, Vol. 41
隧道工程属于隐蔽工程，存在较多的潜在危险源.地质雷达检测发现，隧道衬砌周围多个区域均易出现空洞现象[1]，空洞的存在往往造成隧道衬砌受荷载不均匀，容易出现衬砌变形、裂损、渗漏以及掉块等问题，因此，研究存在空洞时隧道的破坏规律对隧道安全防护具有重要价值[2-3].
本文主要研究在Ⅳ级围岩地质条件下，隧道存在不同位置空洞时隧道衬砌结构受力、破坏过程以及破坏顺序的规律，本文的研究成果可为隧道结构的安全评估提供依据.
1 模型试验设计 1.1 模型尺寸的选择辽宁省某隧道跨度10.8 m，高度7.6 m.水平方向隧道模型两边的宽度至少相当于洞宽的2.5倍；竖直方向模型的高度至少要相当于洞高的3倍[4].采用的几何相似比为1:90，得出模型隧道尺寸:跨度120 mm，高度85 mm，其中直墙高度30 mm，模型整体的尺寸是600 mm×600 mm ×100 mm.
1.2 模型材料的选择和确定为模拟Ⅳ级围岩地质条件，在试验的相似材料中骨料选择河沙，胶结材料选择石膏和水泥的混合物.石膏水泥混合物作为胶结材料保留了水泥砂浆流动性好等优点，并且克服了石膏强度低的弱点.对相似材料的破坏性质进行室内试验，发现相似材料的破坏过程和实际地质条件接近，都是以弹性阶段为起点，经过弹塑性过渡最终发生脆性破坏，符合实际需求.
1.3 配比试验采用不同比例的原料混合制成70 mm的立方体试块，每组5个，对试块进行单轴抗压强度、密度、泊松比、弹性模量等指标的测量.加载梯度取为0.1 MPa，加载速度取为0.5 MPa/min，计算得出泊松比、弹性模量和极限抗压强度[5-6].
|
(1) |
|
(2) |
|
(3) |
|
(4) |
式中:εl表示隧道模型的纵向应变；εd表示隧道模型的横向应变；σa, εa分别表示通过测量得到的应力-应变曲线中直线段开始的应力和应变；σb, εb分别表示应力-应变曲线中直线段终点的应力和应变；Pmax表示破坏荷载；F表示试件的初始截面积；εV表示体积应变.
|
表 1 围岩的性质 Table 1 The properties of the rock |
衬砌的相似材料采用石膏，依照模型设计的要求，衬砌的厚度是80 cm(包括初衬和二衬).C25的抗压强度是14~17.5 MPa，因为几何相似比是1/90，所以模型的衬砌厚度为1 cm，容重相似比为1，模拟原料的强度要求在0.156~0.194 MPa之间.
|
|
表 2 衬砌的性质 Table 2 The properties of the lining |
根据不同的配比，进行了多组的强度试验，最终发现围岩材料的配比选择855，衬砌材料的水膏比为1:1时进行相似模型试验具有最佳的相似度.
2 试验过程 2.1 模型的制作根据隧道调研资料将空洞的尺寸与隧道的尺寸比取为1:20，空洞范围均为30°[7].根据不同的空洞位置做了5组模型，每组5个，模型尺寸为600 mm×600 mm×100 mm，体积0.036 m3，密度1.7 g/cm3，得出模型总质量为61.2 kg.水灰比1:7，所以m水=61.21/8=7.65 kg.依据855配比要求得出:m砂=47.6 kg，m膏=2.975 kg，m泥=2.975 kg.
2.2 测试内容及测点布置试验采用了电测法测量应变，电测法是采用应变片和应变仪对模型进行测量.应变片型号为SZ300-100AA，其电阻值为(299.3±0.3) Ω，灵敏系数为2.02±0.01，宽×长为4 mm×100 mm.应变仪采用CM-2B型静态数字应变仪[8]，测量点的位置如图 1所示.
|
图 1 测点布置 Fig.1 Layout of the testing points |
本文根据现场测量得到地层侧压力系数λ=2.试验中利用千斤顶施加荷载，钢板垫块将集中荷载转化为均布荷载.在千斤顶的内部活塞前加上压力传感器，利用静态应变仪测量千斤顶的实际加载力，提高外力施加的精确度.采用立式台架模型约束模型的底部，水平力与竖向力的大小比为2:1.试验前加载预压，从而消除隧道和衬砌之间的间隙，预压荷载一般为试验荷载的1/10~1/5.采用分级加载，每级荷载保持3~5 min，记录量测数据后，再施加下一级荷载[9].
3 试验结果 3.1 无空洞模型试验模型破坏如图 2所示.
|
图 2 拱顶无空洞模型破坏 Fig.2 The failure mode of tunnel model with no cavity at the crown |
试验发现模型的破坏过程为:加载初期拱顶、底板先出现裂纹，随着荷载增加，右拱肩与边墙结合处出现裂纹，且原裂纹加粗；试件的左侧边墙产生裂纹，沿模型往上方延伸，模型左右两侧的裂缝最终贯穿，造成整体破坏.无空洞模型破坏特征和破坏顺序如图 3所示.
|
图 3 拱顶无空洞模型破坏模式 Fig.3 The failure mode of the tunnel structure with no cavity at the crown □表示隧道受到拉伸产生开裂；■表示隧道受压产生压溃；①，②，③，④表示隧道发生破坏的顺序.(下同) |
拱顶空洞模型破坏如图 4所示.
|
图 4 拱顶空洞模型破坏 Fig.4 The failure mode of tunnel model with acavity at the crown |
模型破坏过程：首先模型底部出现裂纹，接着空洞处的围岩发生破坏，随着荷载的增大，模型左侧拱肩以及边墙部位出现裂纹，裂纹持续增大并出现上下贯通的现象，最终导致模型破坏.拱顶空洞模型破坏特征和破坏顺序如图 5所示.
|
图 5 拱顶空洞模型破坏模式 Fig.5 The failure mode of tunnel structure with a cavity at the crown |
荷载-应变曲线如图 6所示，曲线的编号和图 1保持一致.3-1，3-2，3-3表示底板的荷载-应变曲线.3-4，3-5，3-6表示拱脚的荷载-应变曲线.3-7，3-8，3-9表示拱顶的荷载-应变曲线.3-10，3-11，3-12表示拱肩的荷载-应变曲线.3-13，3-14，3-15表示边墙的荷载-应变曲线.
|
图 6 荷载-应变曲线 Fig.6 Load-strain curves (a)—底板；(b)—拱脚；(c)—拱顶；(d)—拱肩；(e)—边墙. |
由图 6a可知底板主要受到横向拉力，横向变形逐渐增大.由图 6b可知拱脚受到横向拉力和竖向压力，荷载达到100 kN时横向变形急剧增大.由图 6c可知拱顶受到横向拉力和竖向压力，破坏之前变形较小.由图 6d可知拱肩受到横向拉力和竖向拉力，荷载小于100 kN时变形较小，荷载大于100 kN时变形急剧增大.由图 6e可知边墙受到横向压力和竖向压力，变形很明显.综合而言，拱顶存在空洞时边墙的变形最显著，需要重点防护.
3.3 拱肩空洞模型试验拱肩存在空洞时模型破坏如图 7所示.
|
图 7 拱肩空洞模型破坏 Fig.7 The failure mode of the tunnel model with a cavity at the shoulder |
模型破坏过程:首先模型底部和左侧空洞上方的围岩出现裂纹，随后拱顶部位的衬砌断裂.随着荷载的增大，右侧空洞外侧出现裂纹，模型底部裂纹进一步扩大并迅速向下延伸.最后底部裂缝和右侧裂缝贯通.拱肩存在空洞时模型破坏类型和破坏顺序如图 8所示.
|
图 8 拱肩空洞模型破坏模式 Fig.8 The failure mode of the tunnel structure with a cavity at the shoulder |
各测点的荷载-应变曲线如图 9所示.
|
图 9 荷载-应变曲线 Fig.9 Load-strain curves (a)—底板；(b)—拱脚；(c)—拱顶；(d)—拱肩；(e)—边墙. |
由图 9a可知底板主要受到水平拉力，荷载达到60 kN时变形迅速变大，可以判断此时底板发生了断裂.由图 9b可知拱脚处变形较小.由图 9c可知拱顶受到水平拉力和竖向压力，变形比底板和拱脚处大.由图 9d可知拱肩主要受到横向压力，变形持续增大.由图 9e可知边墙受到横向压力和竖向压力，边墙处发生的变形最大.当拱肩存在空洞时，边墙部位需要重点防护.
3.4 边墙空洞模型试验隧道模型破坏如图 10所示.
|
图 10 边墙空洞模型破坏 Fig.10 The failure mode of the tunnel modelwith a cavity at the side wall |
模型破坏过程:首先模型拱顶位置出现裂纹，随后左侧空洞处的围岩产生裂纹并向左上方延伸，右侧空洞处的围岩产生裂纹并向右下方向延伸.随着荷载的增大，裂纹迅速延伸，最终右侧边墙处的裂缝上下贯通导致模型破坏.边墙存在空洞时模型破坏的类型和破坏顺序如图 11所示.
|
图 11 边墙空洞模型破坏模式 Fig.11 The failure mode of the tunnel structurewith a cavity at the side wall |
各测点的荷载-应变曲线如图 12所示.
|
图 12 荷载-应变曲线 Fig.12 Load-train curves (a)—底板；(b)—拱脚；(c)—拱顶；(d)—拱肩；(e)—边墙. |
由图 12a可知底板主要受到水平拉力，变形较小，当荷载超过110 kN，变形急速增大，可以判断此时底板发生了断裂.由图 12b可知拱脚处受到竖向压力，产生巨大的竖向变形.由图 12c可知拱顶水平方向受拉，变形逐渐增大，荷载达到120 kN时拱顶变形急速增大.由图 12d可知拱肩横向受拉，变形较小，竖向受压，变形很显著，拱肩容易发生受压破坏.由图 12e可知边墙主要受到竖向压力，发生的变形最大，说明边墙存在空洞时边墙部位最容易发生破坏.
3.5 拱脚空洞模型试验拱脚空洞模型破坏如图 13所示.
|
图 13 拱脚空洞模型破坏 Fig.13 The failure mode of the tunnel model with a cavity at the arch foot |
模型破坏过程:首先拱顶出现裂纹，之后右侧和左侧空洞处的围岩均产生向上方延伸的裂纹.荷载继续增大，左侧空洞处的围岩产生向下的裂纹，最终模型因上下裂缝贯穿而破坏.拱脚存在空洞时模型破坏类型和破坏顺序如图 14所示.
|
图 14 拱脚空洞模型破坏模式 Fig.14 The failure mode of the tunnel structurewith a cavity at the arch foot |
各测点的荷载-应变曲线如图 15所示.
|
图 15 荷载-应变曲线 Fig.15 Load-strain curves (a)—底板；(b)—拱脚；(c)—拱顶；(d)—拱肩；(e)—边墙. |
由图 15a可知底板横向受压，竖向受拉，变形较小.由图 15b可知拱脚横向受压，竖向受压，荷载达到110 kN时竖向变形迅速增大，此时拱脚发生破坏.由图 15c可知拱顶横向受拉，竖向受压，荷载达到110 kN时横向变形和竖向变形迅速增大，拱顶发生破坏.由图 15d可知拱肩处横向受压，应变较小；竖向受压，荷载达到70 kN时竖向变形迅速增大.由图 15e可知边墙主要受到竖向拉力影响，荷载为80 kN时变形最大.
3.6 底板空洞模型试验底板空洞模型破坏如图 16所示.
|
图 16 底板空洞模型破坏 Fig.16 The failure mode of the tunnel model with a cavity at the floor |
模型破坏过程:首先拱顶出现裂纹，随后模型底部空洞处产生裂纹并向下延伸，造成底部衬砌断裂，然后左侧拱肩处围岩产生裂纹并向上延伸，该部位的衬砌受压破坏.荷载持续增大，右侧拱肩处围岩产生裂纹并向下延伸，最后左右裂缝贯通模型破坏.拱底存在空洞时模型破坏类型和破坏顺序如图 17所示.
|
图 17 底板空洞模型破坏模式 Fig.17 The failure mode of the tunnel structure with a cavity at the floor |
各测点的荷载-应变曲线如图 18所示.
|
图 18 荷载-应变曲线 Fig.18 Load-strain curves (a)—底板；(b)—拱脚；(c)—拱顶；(d)—拱肩；(e)—边墙. |
由图 18a可知底板主要受到竖向拉力影响，变形逐渐增大.由图 18b可知拱脚主要受到竖向压力，荷载为20 kN时变形便达到最大值，说明拱脚处最先破坏.由图 18d可知拱肩处变形较小，荷载达到100 kN时变形迅速增大，说明此时拱肩发生破坏.由图 18e可知边墙主要受到竖向压力，变形逐渐增大.拱底存在空洞时模型拱顶和底板位置变形最显著，而拱脚处最先发生破坏.
综上所述，空洞在不同的位置，会因为衬砌没有背部支撑，围岩与衬砌之间的接触存在不均匀的情况，从而在围岩压力下产生应力集中，最后导致衬砌内部受压、外部受拉.
4 结论1) 空洞的存在会显著影响隧道的稳定性，使衬砌受力状况不佳，进而导致围岩越来越不稳定，最终衬砌开裂.空洞位置不同，模型的受力表现形式不同，发生破坏的部位不同.
2) 确定了模型试验的合理尺寸，选取了合理的试验材料，以河砂、石膏、水泥为材料来模拟石英岩.通过相似材料的配合比试验确定了本文试验的材料配比，为隧道相似模型试验提供依据.
3) 通过模型试验得出了存在不同位置空洞时隧道的破坏模式、破坏顺序等规律.无缺陷时，隧道破坏产生在拱顶、底板的开裂和拱肩的压溃.拱顶空洞隧道模型拱肩发生开裂、两侧的边墙受压而破坏、底板开裂；拱肩空洞隧道模型的空洞边界和拱脚受压破坏，底板开裂；边墙空洞模型的边墙衬砌出现压溃及拱顶开裂；拱脚空洞模型的拱脚衬砌受压破坏以及拱顶开裂；底部空洞模型的底板衬砌和拱肩衬砌受压破坏、拱顶开裂.
| [1] |
王述红, 唐春安. 大跨度浅埋隧道工程地质特征及自稳能力分析[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2005, 26(11): 1111-1114. (Wang Shu-hong, Tang Chun-an. Analysis of engineering geological characteristics and self-stability of large-span shallow tunnels[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2005, 26(11): 1111-1114. DOI:10.3321/j.issn:1005-3026.2005.11.025) |
| [2] |
Cai M, Kaiser P K. Assessment of excavation damaged zone using a micromechanics model[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2005, 20(4): 301-310. DOI:10.1016/j.tust.2004.12.002 |
| [3] |
Young R P, Collins D S. Seismic studies of rock fracture at the underground research laboratory[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2001, 38(6): 787-799. DOI:10.1016/S1365-1609(01)00043-0 |
| [4] |
刘宇.施工缺陷对隧道稳定性影响的模型试验研究[D].沈阳: 东北大学, 2011. (Liu Yu.Model test study on the influence of construction defects on tunnel stability[D].Shenyang: Northeastern University, 2011. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10145-1014180981.htm) |
| [5] |
Wang S H, Liu J X, Tang C A. Stability analysis of a large-span and low-deep tunnel[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2004, 41(3): 870-875. |
| [6] |
Wang S H, Ni P P, Guo M D. Spatial characterization of joint planes and stability analysis of tunnel blocks[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2013, 38: 357-367. DOI:10.1016/j.tust.2013.07.017 |
| [7] |
刘海京, 夏才初, 蔡永昌. 存在衬砌背后空洞的隧道计算模型研究及应用[J]. 公路隧道, 2007(4): 41-45. (Liu Hai-jing, Xia Cai-chu, Cai Yong-chang. Research and application of tunnel computing model with cavity behind lining[J]. Highway Tunnel, 2007(4): 41-45.) |
| [8] |
Wang S H, Huang R Q, Ni P P, et al. Fracture behavior of intact rock using acoustic emission:experimental observation and realistic modeling[J]. Geotechnical Testing Journal, 2013, 36(6): 903-914. |
| [9] |
Wang S H, Liu J X, Tang C A, et al. Stability analysis of a large-span and deep tunnel[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2004, 41(3): 870-875. |