双连拱隧道结构内力样式及围岩稳定性模型试验研究

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1、双连拱隧道结构内力样式及围岩稳定性模型试验研究摘 要：大型相似模型试验是双连拱隧道结构内力样式与围岩稳定分析研究的重要方法和手段之一。结合广州--惠州高速公路小金口双连拱隧道工程的修建，在Ⅱ，Ⅲ类围岩条件下，对双连拱隧道的施工方法和结构内力样式及围岩稳定进行了深入的研究工作。通过模型试验研究提出了一种新的施工方法——中导坑拓展法，这种施工方法对围岩的扰动少；同时采用三导坑法、双导坑法和中导坑拓展法3种施工方法进行模型试验研究。结果表明：周边最大径向位移发生于拱顶，其次为腰部；首次建立了双连拱隧道二次衬砌内力(轴力和弯矩)模型及围岩的稳定与变形的规律。这些研究成果对双连拱

2、隧道的设计与施工具有重要指导作用。关键词：隧道工程；双连拱隧道结构内力样式；模型试验；围岩稳定性分析；施工方法 1 引 言   随着高速公路进入山区，隧道数量日益增多。由于受地形及展线限制，一些较短的隧道(隧道长一般<500m)选用了连拱结构型式。这是一种新型的隧道结构样式，由于其结构特殊、跨度大，因此设计和施工技术较复杂。尽管当前设计施工完成有一定数量的双连拱隧道工程，但其中仍存在较多问题，例如在中墙顶部的结构接合处往往出现漏水现象，严重威胁到隧道结构安全。在国内外尚无可供借鉴的系统性成熟资料的情况下，迫切需要对其结构内力样式及围岩稳定分析等双连拱隧道综合修建关键技术

3、的基础理论问题进行深入的研究工作。   大型相似模型试验研究是双连拱隧道结构内力样式与围岩稳定分析研究的重要方法之一。本文通过相似模型试验，对Ⅱ，Ⅲ类围岩条件下，采用三导坑法、双导坑法和中导坑拓展法修建的跨度为24.36m的双连拱公路隧道进行了模型试验研究，提出了在不同围岩类别条件下双连拱隧道采用3种不同施工方法时，围岩的稳定与变形规律及双连拱隧道结构的内力样式。其研究成果对于广惠高速公路小金口双连拱隧道的修建起到了有效的指导作用，同时，对类似工程也具有重大的指导意义。   20世纪90年代中后期，尤其是进入21世纪后，我国相继修建了不少连拱隧道，但这些连拱隧道存在着工

4、期长、设计繁琐、施工要求高以及施工方法单一等特点，因此有必要对连拱隧道的设计与施工理论进行深入的研究工作。 2依托隧道工程概况   广惠高速公路小金口互通A匝道隧道是一座上、下行合建的4车道连拱高速公路短隧道，位于广东省惠州市小金口镇。隧道轴向近EW向，长200m，隧道建筑界限净宽22.0m×5.0m，内轮廓采用承载能力较好的单心圆形式，边墙为曲墙，中墙为直墙。进、出口设计高程分别为37.165和40.323m，隧道最大埋深45m。本隧道平面线型为曲线，曲线半径R=300m(左偏)，路面超高横坡进口为双向坡2％，出口为单向坡5％。纵坡线型为“人”字形，进口纵坡i1=+2

5、.0％，出口纵坡i2=1.405％，变坡点桩号为K0+180，竖曲线半径R=3000m。   隧道覆盖层以褐黄、褐红色亚粘土为主，含基岩碎块，硬塑。除隧道轴线两侧山顶及鞍部西南缘见基岩出露外，该覆盖层均有分布，残破积层厚1.2～6.0m，平均2.89m。隧道基岩为侏罗系下统蓝塘群，灰、灰白、紫红色粉砂岩、泥质粉砂岩，隐伏于残破积层以下，偶见露头。强风化层为灰、浅灰、褐黄、紫红色粉砂岩、构造角砾岩，半岩半土状，岩心破碎，以碎块状为主，次为短柱状，钻厚0.00—6.10m，平均3.23m。弱风化层为浅灰、褐黄、紫红色粉砂岩、构造角砾岩，节理发育，岩心破碎，以碎块、短柱状为主

6、，层厚7.5～33.0m，平均17.35m。   小金口双连拱隧道结构支护参数见表1，将其作为基本的试验对象进行模拟试验。施工方法采用三导坑法、中导坑拓展法和双导坑法分别进行不同工况下的双连拱隧道内力和围岩稳定的模型试验研究。3 模型试验原理与方法3.1模型试验的相似关系   (1)物理力学参数的相似关系   本次模型试验采用几何比例尺为1:25。根据相似理论原理推得各物理力学参数原型值与模型值之间的相似比为：①几何相似比CL=25；②容重相似比CΥ=1；③泊松比、应变、摩擦角相似比Cv=Cε=Cφ=1；④强度、应力、粘聚力、弹性模量相似比CR=Cσ=Cc=CE=25。

7、   (2)地应力场模拟   根据地质调查及勘察，隧道区地应力残存较小，在构造变动及地壳的长期演化过程中应力多已释放，为此，在模型试验中地应力场按自重应力场进行模拟。3.2试验装置及量测内容   (1)试验装置   对于隧道模型试验，加载台架有立式和卧式之分。本次模型试验采用立式台架(见图1)，立式台架是指进行试验时，模型直立于台架上，模拟竖向荷载的千斤顶分别置于模型上部的两侧(见图1)。   (2)量测内容   量测内容包括：①洞室周边径向位移：②二次衬砌内力；③围岩与支护间接触压力；④破坏过程观测及破坏状态记录。3.3模型试验系列组合