連拱隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)破壞試驗研究

1、連拱隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)破壞試驗研究                        【摘  要】  本文通過幾何比120相似模型試驗，對類圍巖條件下連拱隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)破壞的力學(xué)行為進行了研究，通過研究提出了作者對連拱隧道二次襯砌的認(rèn)識，為設(shè)計施工提供參考?！娟P(guān)鍵詞】連拱隧道；二次襯砌；模型試驗1前言   

2、60;  在高等級公路及市政道路的建設(shè)中，為獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟效果，大量采用了雙連拱隧道方案【1】。但在我國，連拱隧道尚為新型隧道結(jié)構(gòu)，已建成的連拱隧道數(shù)量極少，缺乏可借鑒的設(shè)計施工經(jīng)驗。從目前國內(nèi)其他省市在建中的為數(shù)不多的連拱隧道工程來看，在施工中均不同程度地出現(xiàn)了開挖過程中圍巖坍坍、已修筑的襯砌產(chǎn)生大面積裂縫、襯砌接頭處嚴(yán)重漏水、工程造價難于控制等問題”。隨著連拱隧道的大量出現(xiàn)，連拱隧道的綜合修建技術(shù)就成為當(dāng)前亟待研究解決的課題。      現(xiàn)階段我國的隧道設(shè)計基本以新奧法作為指導(dǎo)理論【3】【4】，設(shè)計時除少數(shù)情況使二次襯砌在施工

3、階段和運營初期承受一定比例的荷載外，大部分將初期支護作為施工階段和隧道運營初期的承載體系進行考慮，而將二次襯砌作為長期安全性儲備，但設(shè)計時如何確定二次襯砌的厚度具有較大的主觀性，為了研究二次襯砌在隧道長期安全性中發(fā)揮的作用，本文作者在國內(nèi)首次采用幾何比120的相似模擬試驗對跨度為2Sm左右的4車道雙連拱隧道的二次襯砌進行了結(jié)構(gòu)破壞試驗，以此探明二次襯砌在隧道長期安全性中發(fā)揮的作用。2 模型試驗2.1試驗原型      研究以金(華)麗(水)溫(州)高速公路二期工程中的21座類圍巖條件下的連拱隧道為試驗原型，圍巖的參數(shù)值按公路隧道設(shè)計規(guī)范(JTJ

4、026-90)并參照鐵路隧道新奧法指南偏低范圍取值，具體取值為：凝聚力018MPa、內(nèi)摩擦角28度、彈性模量14GPa、容重179kNm。結(jié)構(gòu)原型支護參數(shù)如圖1所示。將自重應(yīng)力場作為試驗的原始地應(yīng)力場。22相似材料      試驗以幾何相似比Cl=20和容重相似比Cy1為基礎(chǔ)相似比，根據(jù)相似理論推得各物理力學(xué)參數(shù)原型值與模型值的相似比。圍巖材料采用特定比例的重晶石粉、石英眇、松香和凡士林的熱融混合物模擬。這種混合材料在化學(xué)反應(yīng)結(jié)束后，基奉不受溫度和濕度的影響，以高壓方法加壓成型；二次襯砌采用水膏比為1：115的特種石膏材料，通過預(yù)制加工現(xiàn)場安裝

5、的方法模擬，其力學(xué)指標(biāo)以實驗值為準(zhǔn)；二次襯砌鋼筋采用直徑4mm的鐵質(zhì)材料通過原型與模型在拱部和邊墻部等效抗彎剛度EI和中墻部等效抗拉剛度EA完全相似的方法進行模擬。23試驗裝置      全部試驗在專門制作的臺架式鋼板試驗?zāi)Ｐ筒蹆?nèi)進行。試驗?zāi)Ｐ筒塾脙山M180工字鋼對模型槽前后進行約束，使試體處于平面應(yīng)變狀態(tài)，模型尺寸為43mx 37mx048m，試體尺寸為125mx060mx048m。試驗裝置及試體的概要圖如圖2。      二次襯砌的內(nèi)力(彎矩和軸力)隨著荷載的增加而增加，在彈性階段，二次襯砌

6、的內(nèi)力隨荷載的增加基本呈線性增加趨勢，但在剛開始的幾級荷載內(nèi)，每級荷載二次襯砌的內(nèi)力增加值較后幾級每級荷載的大，在相同的條件下，二次襯砌結(jié)構(gòu)的配筋率越大，其內(nèi)力值也越大，但從量值上考擦，由配筋率的不同產(chǎn)生的內(nèi)力差異(最大主筋配筋率與最小主筋配筋率情況相比)在30以內(nèi)，根據(jù)以上的試驗現(xiàn)象，可以得出在加載過程中承受荷載的不只是二次襯砌本身，除了二次襯砌以外，圍巖也分擔(dān)一部分荷載，其分擔(dān)比例隨結(jié)構(gòu)配筋率的增大而減小，但其變化范圍不會超出30；結(jié)構(gòu)的最大彎矩出現(xiàn)在拱頂和仰拱兩個部位，同時拱頂和仰拱部位結(jié)構(gòu)的軸力值又相對較小，對結(jié)構(gòu)而言拱頂和仰拱應(yīng)為最不利位置，在設(shè)計和施工時，應(yīng)作為控制面。圖4和圖5為

7、試驗2二次襯砌右洞拱頂和仰拱內(nèi)力隨荷載的變化情況；圖6和圖7 3J-組試驗在等效土柱為80m的荷載時結(jié)構(gòu)的內(nèi)力值。 圖4  右洞拱頂和仰拱彎矩變化圖圖5  右洞拱頂和仰拱軸力變化圈3.2位移變化規(guī)律      二次襯砌的位移隨著荷載的增加而增加，在結(jié)構(gòu)處于彈性階段，二次襯砌的位移隨荷載的增加基本呈線性增加，相同的載荷條件下，二次襯砌的剛度越大其位移值越小。圖8為三組試驗在等效土柱為80m荷載時結(jié)構(gòu)的位移值。結(jié)構(gòu)的最大位移值出現(xiàn)在拱頂和仰拱兩個部位，故在設(shè)計和施工中，拱頂和仰拱的位移應(yīng)作為控制位移面，現(xiàn)場的收斂標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以拱頂和仰拱的收斂為依據(jù)。33  破壞狀態(tài)的描述參考文獻【1】何川，林剛，張志強連拱隧道的主要修改技術(shù)問題和對策現(xiàn)代隧道技術(shù)（增刊）2002【2】劉洪州，黃倫海 連拱隧道設(shè)計施工技術(shù)研究現(xiàn)狀 西部探礦工程，2001(1）：54-55【3】關(guān)寶樹 隧道力