Model tests on soil deformation of surrounding soil of Luochuan tunnel
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摘要: 以洛川隧道DK194+835为研究断面，开展不同埋深下隧道模型试验研究。通过各种试验确定原型、相似材料土和衬砌的参数，利用3D打印技术研制出一套新型衬砌材料及连接方式较好的模拟了实际工程中喷射混凝土、钢架、超前小导管。利用自制多点位移计等各种监测原件采集开挖过程中围岩内部变形及地表沉降数据。试验表明：可通过拼装的方式在模型试验中模拟隧道的分布支护，可使用滑动式连接件链接相邻位置的石膏块；不同测点竖向位移均经历缓慢增长(开挖面远离监测断面)、迅速增长(开挖面接近监测断面)、逐步稳定(开挖面经过监测断面)3个阶段。随埋深增加，监测断面前期变形(开挖面远离、接近监测断面)占比减小；地表沉降经历缓慢增长、迅速增长、逐步稳定3个阶段。随埋深增加，监测断面前期地表沉降占比减小。Abstract: Based on the cross-section DK194+835 of Luochuan tunnel, model tests are conducted under different burial depths. The study involves to determine the parameters of the prototype, similar soil and lining through various experiments. Additionally, a set of new lining materials and connection methods are developed using the 3D printing technology to better simulate the shotcrete, steel frame and advanced small ducts in tunnel engineering. Various monitoring components, including self-made multi-point displacement meters, are used to collect data on the internal deformation of the surrounding rock and the surface settlement during excavation process. The test results demonstrate that the distributed support of the tunnel can be effectively simulated in the model tests through assembly, and sliding connectors can be used to link adjacent gypsum blocks. The vertical displacements at different measuring points exhibit a pattern of slow growth when the excavation surface is far from the monitoring section, the rapid growth as the excavation surface approaches the monitoring section, and the gradual stabilization after the excavation surface passes through the monitoring section. Furthermore, it is found that as the burial depth increases, the proportion of early deformation of the monitored section (i.e., the excavation surface moving away from and approaching the monitored section) decreases. The surface subsidence also undergoes three stages: slow growth, rapid growth, and gradual stabilization. Similarly, with the increasing burial depth, the proportion of early surface settlement of the monitored section decreases.
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Keywords:
- loess tunnel /
- model test /
- surrounding rock /
- deformation /
- surface settlement /
- effect of buried depth
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0. 引言
中国是世界上黄土分布面积最多的国家，占国土面积的6.6%，黄土地区沟壑纵横、梁峁起伏，为了推动交通基础设施建设的发展，中国在修筑了大量的黄土隧道。黄土垂直节理发育，并具有一定的结构性和湿陷性，导致黄土隧道施工时对周围黄土的扰动区域大，围岩难以形成承载拱，极易发生地表开裂、拱部大幅沉降、初期支护变形破坏等工程病害，严重的甚至造成洞内塌方和“冒顶”，严重威胁施工人员安全[1]。近些年，随着大量黄土隧道的修建，中国黄土隧道建设水平显著提升，有效预防了重大灾害事故的发生。然而，中国在黄土隧道设计时多按照石质隧道的设计理论和方法，缺少土质隧道设计理论研究。另外，隧道埋深不同时，围岩应力重分布状态和结构受力也不同[2]。大量工程经验表明，黄土隧道围岩压力理论计算值和工程实际存在较大差异。已有围岩压力计算理论难以满足黄土隧道设计要求。
本研究通过开展公路黄土隧道模型试验，研究不同埋深下黄土隧道开挖卸荷后围岩内部及地表变形发展规律，可有效地指导黄土公路隧道的设计、施工及运营。
1. 工程背景
洛川隧道位于陕西省延安市洛川县后子头乡，全长4140.43 m，为单洞双线铁路隧道。隧道下穿黄土梁塬，塬面地形平坦，塬周冲沟发育。隧道进口位于一黄土梁斜坡上，坡面较缓约30°，坡面植被发育，灌木为主，下方冲沟内有水。本模型实验研究断面为DK194+835，位于洛川隧道进口段，隧道埋深为32 m，跨度为15.60 m，高为13.18 m，围岩等级为V级(高含水率老黄土)。洛川隧道设计如图 1所示。
2. 试验设计
2.1 试验设备
模型箱的长、宽、高分别为2.8，0.615，2.11 m，如图 2所示。
基于模型箱和隧道尺寸，几何相似比为40。为观察模型箱内围岩情况，模型箱前方使用亚克力板，后方使用钢化玻璃。在亚克力板上按洛川隧道尺寸缩小40倍预留开挖孔。模型隧道跨度为0.39 m，高为0.328 m。根据圣维南原理，围岩影响范围约为距离洞室中心(3~5)倍洞径，模型隧道边界符合要求。
2.2 围岩相似材料
选用石英砂、重晶石粉、滑石粉和液压油为相似材料原料，通过密度试验、直剪试验、固结试验分别获取重度、内摩擦角、黏聚力、压缩模量及相似关系，反复调整各原料质量配比[2]。最终确定的相似材料的各原料规格及质量比如表 1所示。原型土及相似材料的物理力学参数如表 2所示。
表 1 相似材料质量配比Table 1. Mass ratios of similar materials材料 石英砂 重晶石粉 滑石粉 液压油 规格 70~110目 325目 1250目 #32(黏度) 质量比 8 4 3 0.15 表 2 原型土及相似材料的物理力学参数Table 2. Physical and mechanical parameters of prototype soil and similar materials参数 试验类型 原型土 相似材料理论参数 相似材料实际参数 ρ/(g·cm-3) 密度试验 1.65 1.65 1.64 c/kPa 直剪试验 47.50 1.20 1.32 φ/(°) 直剪试验 27.50 27.50 28.40 Es/MPa 固结试验 24.00 0.60 0.62 2.3 衬砌相似材料
喷射混凝土、钢架、超前小导管的抗弯能力和弯曲应变是影响结构安全的主要因素，故通过抗弯刚度确定其相似材料[3-5]。用石膏模拟喷射混凝土，水膏质量比为1︰1.3。喷射混凝土原型及相似材料的物理力学参数见表 3所列。
表 3 原型喷射混凝土及相似材料物理力学参数Table 3. Physical and mechanical parameters of prototype shotcrete and similar materials参数 原型参数 相似材料理论参数 相似材料实际参数 抗压强度/MPa 16.7 0.42 0.40 弹性模量/GPa 28.0 0.70 0.68 泊松比 0.3 0.30 0.31 用铝条(ES=70 GPa)模拟钢架(I25a工字型钢，ES=200 GPa)。根据抗弯刚度相似原则，计算得铝条宽为1.15 mm，高为2.48 mm，间距为1.5 cm。
用木棍(ES=14 GPa)模拟超前小导管(外径42 mm、壁厚3.25 mm、长3.5 m、环间距0.4 m、外插角10°~15°的Q235钢管，ES=200 GPa)。根据抗弯刚度相似原则，计算得出木棍直径2.4 mm、长8.75 cm，一环用10根木棍模拟。
衬砌相似材料确定后，需根据依托工程设计和施工情况，确定相应结构的模拟方法和不同结构的连接方法。具体研制过程如下：
(1) 依据相似比确定模型实验中衬砌台阶尺寸，按该尺寸定制钢架，按上、中、下台阶及仰拱部分裁剪。
(2) 使用3D打印技术，制作纵向连接件、横向连接件及超前小导管连接件，将四环闭合铝条链接成一组，形成一个开挖进尺(6 cm)所需的初期支护结构。
纵向连接件上留有方形小孔，其有效地在纵向连接了铝条，模拟了隧道初期支护中纵向连接筋的作用。横向连接件两端开口，中间设置一个挡板。铝条从两侧插入开口中并固定。其用于模型材料在准备过程中的临时连接和定位。超前小导管连接件中包含一个方形小孔和一个圆形小孔，方形小孔用于在钢架上固定该连接件，圆形小孔用处插入木棍(超前小导管模拟材料)。为满足超前小导管角度要求，圆形小孔内部与水平面夹角为15°。
(3) 使用横向连接件连接初期支护结构和超前小导管，连接后形成钢架+超前小导管复合结构。
(4) 在石膏模具底部涂抹玻璃胶以防止石膏液漏出，并在其四周厚涂凡士林以便于石膏脱模。将钢架+超前小导管复合结构放入石膏模具中心处，按照水膏质量比1︰1.3浇筑，静置一周以风干石膏，再脱模。
(5) 在复合结构中定位横向连接件，拆除此处石膏，并在两端铝条各减去0.5 cm，形成不同台阶的初期支护石膏块。利用3D打印技术，打印结构连接件。用热熔胶将其连接在石膏两端。连接后，复合结构尺寸保持不变。结构连接件用于从隧道内侧拼接不同台阶的初期支护石膏块，使其闭合成环。
(6) 制备10环初期支护+超前小导管复合结构，试拼所有模块。一环初期支护+超前小导管复合结构如图 3所示。
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图 3 初期支护+超前小导管复合结构Figure 3. Combined structure of initial support and advanced small pipe2.4 监测设备
土体内部竖向位移监测采用自制3D打印多点位移计，地表沉降监测采用百分表，土压力监测采用微型土压力盒。
自制3D打印多点位移计由PVC管(图 4)、圆盘、钢绞线、铁丝、光栅尺、数显表等制成。光栅尺量程为150 mm，精度为0.005 mm。PVC管直径为1 cm，上端固定于模型箱顶部。圆盘由3D打印制成，直径为5 cm，经钢绞线连接至光栅尺，圆盘随土体沉降时带动钢绞线牵拉光栅尺进而测得土体沉降。该自制多点位移计具有以下优点: 管径小(1 cm)，对土体连续性影响极小；锚固端(圆盘)能随土体共同变形，对土体沉降和变形影响小；圆盘数量及间距可按需调整。
2.5 填土方案
采用分层填筑法填土，以达到最终填土高度为每层10 cm。将土轻轻填入模型箱中并初步凿平，使用静压荷载将土体压实至指定位置。压实后使用激光进行确认，使用凿平工具对土体进行凿平和刮毛处理，过程中使用水平仪确保整个土体表面水平(图 5)。填土全部完成后，静止一晚。
2.6 测点布置
模型试验监测内容为土体内部位移、地表沉降、土压力。除地表沉降测点布置相同，如图 6所示，3组试验埋深分别为0.4，0.8，1.2 m。隧道中心线右侧为X轴正向，隧道开挖方向为Y轴正向，隧道拱顶至地表方向为Z轴正向。3组模型试验中在Y=30 cm处设置监测断面。土体内部位移测点为多点位移计的M1，M2，M3号测点，其位于拱顶上方，如图 7所示，参数见表 4所列。
表 4 土体内部位移测点间距Table 4. Distances between measurement points for internal displacement of soil埋深/m d1/cm d2/cm d3/cm d4/cm 0.4 5 12 10 13 0.8 5 22 20 33 1.2 5 22 50 43 2.7 开挖支护过程
隧道开挖采用3台阶法，开挖支护进尺6 cm，共开挖10次。开挖步数共12步，第0步代表开挖前状态；监测断面位于第5步开挖处，即Y=30 cm；第14步代表开挖完成并静置一夜后的状态。
3. 试验结果
3.1 土体内部位移
图 8~10分别为0.4 m埋深、0.8 m埋深、1.2 m埋深下，距拱顶不同距离处土体竖向位移随开挖步的变化。不同埋深下不同测点竖向位移均经历缓慢增长(距监测断面前6 cm以外)、迅速增长(距监测断面前后6 cm以内)、逐步稳定(距监测断面后6 cm以外)3个阶段。同一埋深下，竖向位移随测点距隧道拱顶距离增大而减小。埋深由0.4 m至1.2 m，相同测点的竖向位移增大。
3组不同埋深试验中，各点变化规律相似。以M1号点为例，不同埋深下各开挖步变形占总变形百分比如图 11所示。开挖至监测断面附近(距监测断面前后6 cm以内)，竖向位移迅速变化，其竖向位移变形量占总位移比重较大，超60%。仰拱闭合成环后，竖向位移趋于稳定。随埋深增加，前期(0~6步)变形占比减小。
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图 11 M1号点各开挖步变形占比Figure 11. Deformation proportions of each excavation step at point M13.2 地表沉降
图 12~14分别为0.4 m埋深、0.8 m埋深、1.2 m埋深下，Y=30 cm断面处S5—S8号点地表竖向位移随开挖步的变化。
开挖过程中各测点地表沉降变化规律总体相似，地表沉降经历缓慢增长、迅速增长、逐步稳定3个阶段。埋深相同时，地表沉降随距离隧道轴线增大而减小。埋深由0.4 m至1.2 m，相同测点地表沉降增大，但地表沉降增长量逐渐减小。
3组不同埋深试验中，各点变化规律相似。以S5号点为例，不同埋深下各开挖步变形所占总变形百分比如图 15所示。开挖至监测断面附近(距监测断面前后6 cm以内)，地表沉降迅速变化，其沉降量占总沉降比重较大，均超过50%。仰拱闭合成环后，地表沉降趋于稳定。随埋深增加，前期(0~6步)地表沉降占比减小。
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图 15 S5号点各开挖步变形所占比例Figure 15. Deformation proportions of each excavation step at point S54. 结论
通过模拟隧道分布开挖和支护过程，研究了土体内部位移和地表沉降规律，得到3点结论。
(1) 可通过拼装的方式在模型试验中模拟隧道的分布支护，可使用滑动式连接件链接相邻位置的石膏块。
(2) 不同测点竖向位移均经历缓慢增长(开挖面远离监测断面)、迅速增长(开挖面接近监测断面)、逐步稳定(开挖面经过监测断面)3个阶段。随埋深增加，监测断面前期变形占比减小。
(3) 地表沉降经历缓慢增长、迅速增长、逐步稳定3个阶段。随埋深增加，监测断面前期地表沉降占比减小。
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图 3 初期支护+超前小导管复合结构
Figure 3. Combined structure of initial support and advanced small pipe
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图 11 M1号点各开挖步变形占比
Figure 11. Deformation proportions of each excavation step at point M1
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图 15 S5号点各开挖步变形所占比例
Figure 15. Deformation proportions of each excavation step at point S5
表 1 相似材料质量配比
Table 1 Mass ratios of similar materials
材料 石英砂 重晶石粉 滑石粉 液压油 规格 70~110目 325目 1250目 #32(黏度) 质量比 8 4 3 0.15 
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表 2 原型土及相似材料的物理力学参数
Table 2 Physical and mechanical parameters of prototype soil and similar materials
参数 试验类型 原型土 相似材料理论参数 相似材料实际参数 ρ/(g·cm-3) 密度试验 1.65 1.65 1.64 c/kPa 直剪试验 47.50 1.20 1.32 φ/(°) 直剪试验 27.50 27.50 28.40 Es/MPa 固结试验 24.00 0.60 0.62
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表 3 原型喷射混凝土及相似材料物理力学参数
Table 3 Physical and mechanical parameters of prototype shotcrete and similar materials
参数 原型参数 相似材料理论参数 相似材料实际参数 抗压强度/MPa 16.7 0.42 0.40 弹性模量/GPa 28.0 0.70 0.68 泊松比 0.3 0.30 0.31
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表 4 土体内部位移测点间距
Table 4 Distances between measurement points for internal displacement of soil
埋深/m d1/cm d2/cm d3/cm d4/cm 0.4 5 12 10 13 0.8 5 22 20 33 1.2 5 22 50 43
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