交叉近接隧道围岩力学参数及相似模型试验研究

交叉近接隧道围岩力学参数及相似模型试验研究

程   坤

中国水利水电第七工程局有限公司，四川  成都 611730

                               《建筑创作》

摘要：以新建京张高铁某隧道交叉近接既有运营铁路隧道工程为依托，以相似

理论为依据，建立隧道交叉近接相似模型的模型试验方法。从模型设计、现场采集列车振动荷载、模型试验的全过程进行阐述。研究结果表明：上层隧道底板处施加振动动力荷载后，各部位振动响应剧烈程度从上到下递减；受下层隧道开挖卸荷影响，距交叉点1倍洞径范围内上层隧道仰拱下方处的围岩动土压力急剧衰减；上下层隧道间夹岩体动土压力从上至下呈线性衰减规律。

关键词：交叉近接隧道；相似模型试验；振动荷载；振动响应；土压力分布

1 相似理论

工程试验研究工作中，存在诸多力学问题难以用微分方程等数学方法去得到答案，需要通过试验的方法来解决。然而因客观条件限制，不能直接开展现场试验，或已开展的现场试验，因为试验条件限制，试验结果并不能完全真实反映出现象的本质。其研究结果不具有通用意义。且现场试验方法往往只能得出少数量化指标间的关联性及变化趋势，无法去全面发现现象的本质。那么，我们可以用建立模型的方法解决上述问题，而模型试验的结果能否真实反映原型的实际现象，就必须在原型与模型之间建立必要的相似性。其中初始条件、边界条件、几何条件、物理条件为必要的相似条件，条件的相似精度决定试验结果的精度。最后，将相似模型的试验结果根据相似关系反推原型的相关物理结论，并以结论依据进行推广应用。

2 工程概况

新建京张铁路某隧道近接下穿既有唐呼铁路隧道，两隧道洞顶与隧底高差为16m，斜交76.36°，相交段岩性为凝灰岩地层，上层隧道围岩级别为Ⅴ级，下层隧道围岩级别为Ⅲ级。上层既有隧道运营列车为C80型重载列车，轴重35t。下层新建隧道采用矿山法钻爆施工。

3 模型设计及制备

3.1模型箱设计

本研究主要研究交叉近接隧道工程，新建隧道施工导致交叉段落夹岩体围岩应力重新分布情况及隧道建成后上下层隧道结构对行车荷载的响应。因此需建立相似模型，通过模拟施工、行车工况，试验推导出工程实体力学特性。

根据相似理论并结合试验室场地条件，模型试验箱体的几何尺寸、模型材料的容重、弹性模量及结构的几何尺寸、行车荷载产生的加速度等相似条件都需满足设定的相似比例，造成相似材料配合比设计难度增加，因此本试验简化相似关系，模型设计不考虑重力加速度的影响。

模型设计的主要物理参数为：结构的几何尺寸、模型材料的容重及弹模。其相似比例分别取1:50、1:1及1:60。其它物理参数的相似比例根据可试验需要调整。

试验采用的模型箱为刚性模型箱，箱体长×宽×高尺寸为1.7m×1.7m×1.8m，以钢板相互焊接和铆接组合而成，且在模型箱左右两侧中上部安装15mm厚钢化玻璃观测窗口，以便于模拟隧道开挖施工，并较为直观地观察交叉隧道的整体振动和受力变形特征。

3.2模型相似材料的制备

（1）围岩相似材料的配合比设计

围岩相似材料考虑的主要物理力学参数有内摩擦角、黏聚力、重度、变形模量。同时，还应具备易采购、造价低、质量轻的特点。

本次试验，围岩模型的相似材料，采用石膏、重晶石、石英砂、甘油、铁粉和水等6种原材胶结凝固而成。其配合比设计方法参照混凝土配合比设计方法实施。各种原材严格按照设定的比例进行称量，严格控制称量偏差。先将粉料充分拌和后，再加入液体材料搅拌，将搅拌均匀的混合料装入试件模具插捣密实，等强72h后脱模、标记。试件尺寸为100mm×100mm×100mm。试件养护结束后，称重测试其密度。并通过动三轴试验仪进行动三轴循环荷载作用下抗压强度和常规静三轴弹性模量测试。

试件在进行抗压强度试验前应仔细检查其外观，对存在裂纹的试件应进行剔除，选择合适的抗压检测面，抗压面不平整的试件需进行打磨处理，避免因试件缺陷影响测试结果。在加荷过程中应严格控制加荷速率，仔细观察试件破坏情况，以提高测试结果的准确性。本试验并经过多次配比调整后得到围岩相似材料的质量组分配比，见表3-1。

表3-1围岩材料的质量组分配合比及力学参数

（2）隧道衬砌相似材料的配合比设计

隧道衬砌相似材料主要考虑强度与弹性模量。衬砌相似材料采用石膏、水泥与水做为原材料，其试配过程同围岩相似材料的配合比设计过程。经过多次配比试验后得到满足要求的配比，见表3-2。

表3-2 衬砌结构的质量组分配合比及力学参数

（3）衬砌结构模型设计

衬砌结构模型利用钢板卷制的模具浇筑而成，模型宽280mm，高230mm，厚8mm。单节长度为400mm，见图3-1。

图3-1衬砌结构模型（单位：mm）

3.3模型试验测点布置

充分考虑既有隧道运行的C80型载重列车的激励荷载对交叉处上下隧道间夹岩体的不利影响，本研究着重对交叉处两侧20m范围内的上层隧道底部的纵向动土压力、及交叉处下层隧道顶部的竖向动土压力的变化规律进行研究。此外，载重列车运行产生的激励作用将对上交叉处上下层隧道的衬砌结构产生不利影响，因此有必要研究上下两隧道衬砌结构的加速度变化特性。研究过程中，对既有隧道轨道结构以下的衬砌结构、及下层隧道衬砌结构的顶拱和仰拱部位实施重点监测。

试验数据采集通过在对应部位埋设动态土压力盒和加速度计得以实现。动土压力盒选用LY-350型应变式微型盒，共布置10个；加速度计选用8076K型，共布置3个，测点布置详见图3-2（图中“T”代表土压力盒；“J”代表加速度计）。T1～T4、T8～T10点布置在上层隧道仰拱下方的围岩中，T4～T7布置在上下隧道间的夹岩体中，用于监测相应部位的围岩动土压力。J1～J3点布置在上层隧道仰拱、下层隧道的顶拱及仰拱上，用于监测相应部位的加速度振动响应值。

图3-2监测点布置示意图（单位：mm）

4试验过程

4.1载重列车振动荷载现场监测

模型试验采用的动态数据采集系统为美国NI公司生产的8通道9234加速度采集系统。该系统设置8个通道，满足既有隧道载重列车激励荷载动态数据信号采集频率高，采集精度高的要求，能够为试验结论的准确性提供保障。

列车振动荷载加速度采集装置安装在交叉处既有隧道仰拱左中线和边墙2m高的位置，加速度计现场安装位置，见图4-1。

（a）测点布置                       （b）现场实测

图4-1重载列车加速度测点布置图

在模拟试验中，我们以分析仰拱面的加速度振动时程数据为主，因此需要实测既有隧道承受重车荷载时仰拱面的加速度振动时程数据。图4-2为现场实测既有隧道载重列车通行时，仰拱面的加速度时程曲线。数据采集期间，载重列车以80km/h的速度通行，采集数据的时长为6s，振动频率为1755Hz。该图清晰显示，列车通过两隧道交叉处时，隧道仰拱面的加速度响应变化保持在-0.26m．s-2~0.23 m．s-2区间范围内，趋势比较稳定。由于9234加速度采集系统具有高频率、高精度的特性，因此所采集的数据值包括了列车接触间隙、悬挂系统、转向架等构件振动的因素对隧道仰拱加速度响应特性的影响。所以，所采集到的载重列车加速度时程数据可进一步提高试验分析成果的精确度。

图4-2重载列车加速度时程曲线

4.2模型试验

（1）加速度振动响应值

模型试验所采用的动力加载数据为既有隧道载重列车通行时的实测加速度时程数据，为使试验结论更能贴合现场实际情况，试验施加振动荷载的激励时长应与现场采集时长相同（6s）。测试结果显示，设置于交叉部位隧道衬砌结构上的各测点，所测得的加速度振动响应强度存在有规律的差异：上层隧道仰拱＞下层隧道顶拱＞下层隧道仰拱。具体表现为，上层隧道仰拱处（J1点）的加速度值变化，主要集中在-0.23～0.25m．s-2区间内，加速度振动响应最大值在施加激励振动时间的第2s和第3s时出现，其值为-0.24m．s-2及0.25m．s-2。下层隧道顶拱处（J2点）的加速度振动响应值，受交汇处夹岩体阻尼的影响出现了一些衰减。该处的加速度值变化，主要集中在-0.12～0.15m．s-2区间内，加速度振动响应最大值在施加激励振动时间的第2s和第3s时出现，其值为0.15m．s-2及-0.14m．s-2。由于下层隧道仰拱结构（J3点）远离上层隧道动荷载激励点，该部位的加速度振动响应发生弱化。J3点处的加速度变化，主要集中在-0.05～0.08m．s-2区间内，加速度振动响应最大值在施加激励振动时间的第2s和第3s时出现，其值为-0.06m．s-2及0.08m．s-2。

（a）J1点                      （b）J2点                （c）J3点

图4-3实测波振动加速度时程曲线

（2）交叉段围岩土压力分布

上下隧道间夹岩体的稳定性是决定隧道断面结构安全的前提条件。因此，为详细了解在载重列车的长时间振动荷载作用下，交叉近接隧道间的夹岩体动土压力分布情况，采用对模型施加实测的列车加速度时程数据，监测交叉处上层隧道底部产生的纵向动土压力、夹岩体产生的竖向动土压力的方法，研究其变化规律。

表4-1 围岩动土压力（单位：kpa）

图4-4上层隧道底部动土压力分布曲线      图4-5围岩夹层竖向动土压力分布曲线

从图4-4可以看出，在实测加速度振动波数据激励作用下，上层隧道仰拱下方的动土压力以两隧道交叉点（T4点）为中心对称分布，动土压力与距交叉点的距离正相关。值得指出的是，在交叉点距离1倍洞径区域内围岩动土压力急剧下降。由于下层隧道的开挖，对该区域夹岩体形成卸荷作用，导致交叉点1倍洞径区域内岩体的承载能力明显低于其他区域。与周围区域对比分析，交叉点的动土压力测量值下降了6.8%。

根据施加实测加速度振动荷载试验中，交叉隧道夹岩体的四个竖向测点（T4～T7）的监测结果（图4-5）可知，随着测点距激励发出点位置距离的增加，各测点所测得的动土压力呈相似变化规律，上下层隧道间的夹岩体动土压力呈近似线性的衰减。由于T4点位于夹岩体的最上方，所以该点所测得的动土压力值为最大，其它测点随着位置的下移（距离增加）其监测的动土压力值逐步减小。可以看出，在上层隧道施加激励荷载的条件下，受下层隧道自由面的影响，夹岩体的土压力重新分布不会发生突变现象。整个施加实测振动激励荷载试验的全过程，两隧道间夹岩体竖向分布的最下部测点较最上部测点的动土压力衰减52.6%。在下层隧道自由面的影响下的夹岩体，其土压力的重新分布不会发生突变现象。

5结论

通过对运营隧道在新建隧道上部的交叉近接隧道工程结构，展开运营隧道重载列车通行动力特性方面的相似模型试验，得出以下结论：

（1）上层隧道底板处施加振动动力荷载后，加速度响应上层隧道仰拱最大、下层隧道顶拱其次、下层隧道仰拱最小。

（2）受加速度振动波的激励作用，上层隧道仰拱下方的动土压力以两隧道交叉点为中心对称分布，动土压力与距交叉点的距离正相关。

（3）在上层隧道施加激励荷载的条件下，受下层隧道自由面的影响夹岩体，其土压力的重新分布不会发生突变现象。

参考文献

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