（岩土工程专业论文）破碎围岩隧道的模拟试验研究.pdf

浙江大学博士学位论文 王戍平2 0 0 4 破碎围岩隧道的模拟试验研究 摘要 在隧道开挖问题研究中，物理模拟能有效地模拟围岩破坏过程中非线性特征。 本文根据选择模型材料的一般原则，通过1 0 组不同配合比的合成材料力学性能试 验，得到了一组能可靠模拟i 、i i 及i i i 类围岩的模型材料以建立破碎围岩的物理 模型。 对于单拱破碎围岩隧道的构筑问题，作者设置了8 个隧道模型，研究开挖对 不同隧道围岩压力分布的影响，揭示了洞周径向压力的松弛范围与洞径、围岩特 性、裸露时间的关系，得到双车道隧道压力松弛半径为1 2 2 0 倍洞径，强烈松 弛区半径为0 5 1 0 倍洞径。并对支护时机与衬砌上压力、弯矩的相互关系、不 同岩体锚杆的加固效果进行了分析研究，提出了破碎围岩的合理支护时机。得出 破碎围岩( 弹模为3 3 5 g p a ) 拱顶产生3 0 e r a 左右位移时施作衬砌为佳，此时的衬 砌压力、弯矩均较小，受力分布也较均匀。进而对单拱模型进行了破坏试验，探 讨了不同围岩隧道的变形破坏特点。 连拱隧道的构筑与中隔墙的形式、隧道的断面、开挖方式等均有密切的关系。 通过4 个连拱模型试验，研究了连拱毛洞开挖引起的应力场变化规律，对不同的 连拱断面的衬砌受力差异进行了深入的分析，同时对中隔墙的受力特点也作了探 讨，提出了合理的连拱隧道构筑方法及优化断面图。揭示了连拱隧道拱顶与中隔 墙顶之间压力松弛最为强烈，松弛范围可达2 倍洞径。通过连拱隧道的破坏试验， 揭示了连拱破碎围岩隧道的破坏特征，得出破碎围岩连拱隧道最薄弱的位置为拱 顶和中隔墙的结论。 采用特定的河砂作为模型材料成功地模拟了破碎围岩隧道在遇水情况下衬砌 的受力变化规律及岩体的破坏过程，为开展同类型研究奠定了基础理论，为饱水 岩体隧道开挖支护设计提供了依据。 在模型试验的基础上，提出了i 、i i 、i i i 类围岩隧道在预支护下的优化施工 方法，即下导洞适度超前全断面丌挖与先行中导洞及中隔墙、其次两侧下导洞适 度超前全断面开挖。通过三维有限元计算研究了隧道围岩的应力、位移特征，分 析了隧道围岩不同开挖时步的应力变化特点以及支护结构的应力与位移的变化特 征，进而论证了该旄工方法的合理性和科学性。 关键词：破碎围岩，隧道，破坏模式，相似理论，模型试验，支护时机 数值模拟，施工方法 i l l 浙江大学博+ 学位论文 手戍平2 0 0 4 m o d e lt e s ts t u d yo nt h e t u n n e lw i t h i nc r a c k e d s u r r o u n d i n g r o c k s a b s t r a c t o nt h es t u d yo ft u n n e le x c a v a t i o n ，p h y 7 s i c a ls i m u l a t i o nc a r le f f e c t i v e l ys i m u l a t et h e n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c sd u r i n gf a i l u r eo fs u r r o u n d i n gr o c k s i na c c o r d a n c ew i t lt h e c h o i c eo fm o d e lm a t e r i a li ng e n e r a lp r i n c i p l e ，t h ed i s s e r t a t i o no b t a i n sas e to fm o d e l m a t e r i a l sb y10s e r i e so fd i f f e r e n tm i x t u r em a t e r i a lm e c h a n i c st e s tt h a ts i m u l a t er e l i a b l y t h e s u r r o u n d i n g r o c ki 、i i 、i i li no r d e rt ob u i l d p h y s i c a l m o d e li nc r a c k e d s u r r o u n d i n gr o c k s f o rt h ec o n s t r u c t i o no fs i n g l e - a r c ht u n n e lw i t h i nc r a c k e ds u r r o u n d i n gr o c k s ，8 t u n n e lm o d e l sa r es e tu pt os t u d yt h ee f f e c to ft h ee a r t hp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no ft h e v a r i o u ss u r r o u n d i n gr o c k sd u et oe x c a v a t i o n t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h el o o s e nz o n e o ft u n n e lr a d i a le a r t h p r e s s u r e a n dt h et u n n e l d i a m e t e r , t h e c h a r a c t e r i s t i c so f s u r r o u n d i n gr o c k sa n dt h ee x p o s e dt i m ea r er e v e a l e d i ti ss h o w e dt h a tt h ep r e s s u r e l o o s e nr a d i u si s1 2 2 0t u n n e ld i a m e t e r sa n dt h es t r o n g l yl o o s e nr a d i u sd r o p st oo 5 1 0o n ef o rd o u b l el a n et u n n e l t h ee a r t hp r e s s u r ec u r v ea n db e n d i n gm o m e n tc u r v eo n l i n i n gv e r s u st h ep r o pt i m e a r ep r e s e n t e d t h ea n c h o rr e i n f o r c ee f f e c ti nv a r i o u sr o c k si s a n a l y z e da n dt h er e a s o n a b l es u p p o r tt i m ef o rc r a c k e ds u r r o u n d i n gr o c k si sp u tf o r w a r d a n dt h e nt h ef e a t u r e so ft h et u r m e ld e f o r m a t i o nf a i l u r ei nv a r i o u sr o c k sa r ed i s c u s s e d b y t h eb r e a k d o w nt e s to n s i n g l e - a r c hm o d e l t h ec o n s t r u c t i o no ft h em u l t i p l e - a r c ht u n n e li sd e e p l yr e l a t e dt ot h ef o r mo fc e n t e r p a r t i t i o n ，t h et u n n e l ss e c t i o na n de x c a v a t i o nm e t h o de t c t h ec h a n g er e g u l a r i t i e so f s t r e s sf i e l dc a u s e db ye x c a v a t i o na r es t u d i e db y4m u l t i p l e - a r c hu n l i n e dt u n n e lm o d e l t e s t s 1 1 1 ed i f f e r e n c ei nl i n i n gf o rv a r i o u sm u l t i p l e - a r c hs e c t i o n si s a n a l y z e da n dt h e m e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c so fc e n t e r p a r t i t i o n i s d i s c u s s e d t h e n ，ar e a s o n a b l e c o n s t r u c t i o nm e t h o df o rm u l t i p l e a r c ht u n n e la n dab e t t e rs e c t i o na r ep u tf o r w a r d t h e z o n eb e t w e e nv a u l ta n dc e n t e rp a r t i t i o no f m u l t i p l e - a r c ht u n n e lb e i n gs e r i o u s l yl o o s e n i sr e v e a l e da n dt h el o o s e n r a n g e c o m e st o2d i a m e t e r s t h ef a i l u r ef e a t u r eo f m u l t i p l e a r c ht u n n e lw i t h i nc r a c k e ds u r r o u n d i n gr o c k si sg e ta n dac o n c l u s i o nt h a tt h e w e a kl o c a t i o ni st h ec r o w na n dt h ec e n t e r p a r t i t i o ni sd r a w n t h ec h a n g er e g u l a r i t i e so f l i n i n gp r e s s u r ea n dt h ef a i l u r ep r o c e s so fs u r r o u n d i n g i v 浙江大学博士学位论文 于戍平2 0 0 4 r o c k si np e r m e a t i o nw h i c has p e c i a ls a n di su s e da sm o d e lm a t e r i a l sa r es u c c e s s f u l l y s i m u l a t e d t h eb a s i ct h e o r yi se s t a b l i s h e df o rt h es t u d yo fs a m et y p ea n dt h es c i e n t i f i c b a s i sf o rt h et u n n e lp r o pd e s i g ni ns a t u r a t i o nr o c ki sp r o v i d e d o nt h eb a s i so fm o d e lt e s t ，ab e t t e rc o n s t r u c t i o nm e t h o du n d e rp r e - p r o pf o rt h e s u r r o u n d i n g r o c k i 、i i 、i i i ，n a m e dw h o l es e c t i o n e x c a v a t i o nw i t h h e a d i n g i n m o d e r m ed e g r e ea n dt h a tw i t hc e n t e rh e a d i n ga n dc e n t e rp a r t i t i o nf i r s t ，t h e nw i t ht w o s i d e sh e a d i n g ，i sp u tf o r w a r d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n ti nt u n n e l s u r r o u n d i n gr o c k s o r es t u d i e d t h ec h a n g ef e a t u r eo f t h es t r e s si ns u r r o u n d i n gr o c k sa n d t h ev a r i a t i o n so fs t r e s sa n dt h ed i s p l a c e m e n to f p r o ps t r u c t u r ei nd i f i e r e n te x c a v a t i o n s t e pa r ea n a l y z e dw i t h3d i m e n s i o n a lf e m f i n a l l y , t h ec o n s t r u c t i o nm e t h o di sp r o v e d 幻b er e a s o n a b l ea n ds c i e n t i f i c k e y w o r d s ：c r a c k e dr o c k s u r r o u n d i n g ，t u n n e l ，d e s t r u c t i o np a t t e r n ，r e s e m b l a n c e t h e o r y , m o d e lt e s t ，p r o pt i m e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c o n s t r u c t i o nm e t h o d v 浙江大学博十学位论文于戍平2 0 0 4 第一章绪论 1 1 隧道工程发展简述 人类在原始时期就利用天然洞穴作为群居及活动场所。随着生产力的发展， 地下空间利用的范围也越益扩大，古代皇帝常为自己修造地下墓室，例如埃及金 字塔下通向各墓宝的甬道，汉代武则天为其儿女所修建的墓室都具有较长的地下 通道。隧道的发展有着悠久的历史，在公元前1 0 0 0 年，犹太国王就建造了给耶路 撒冷供水的隧道，著名的为公元前6 0 0 年在巴比伦和阿西里奥为了灌溉和排水建 造了连通幼发拉底河和底格里斯河之间的隧道。在中国有文字记载用于交通的隧 道为“石门”隧道，位于今陕西省汉中县，建于东汉明帝永平九年。 随着铁路成为新的运输工具，1 8 9 5 1 9 0 6 年出现了穿越阿尔俾斯山的大铁路 隧道。1 9 0 7 年中国在京包线上建造了八达岭隧道。 1 5 5 6 年乔治包尔( o e o r yb a u e r ) 的采矿冶炼手册( d er em e t a l l i c a ) 开创了隧道工程论著的先河“1 。从此随着采矿和隧道工程的发展，地层压力理论研 究相继开始活跃。 1 9 世纪中期开始的第二次工业革命，促使蒸汽机、铁路和炼钢工业的出现并 快速发展。英国工程师勃召奈尔于1 8 2 3 年主持修建泰晤士河下的水底公路隧道， 由于隧道进水迫使工程停工1 1 次。之后，勃召奈尔研制了盾构，经过1 8 年的工 期修成了世界上第一条在软土层里的隧道。到了2 0 世纪5 0 年代，人们才逐步总 结出各种类型隧道及地下工程的规划、设计和施工的基本原理，在土木工程中逐 渐形成了一个独立的工程领域。 在隧道施工中，通过近两个世纪的探索形成以下几种施工方法：明挖法、 盾构法、地下连续墙法、矿山法、沉管法、顶管法、沉井法。其中矿山法又可分 为：a 钻眼爆破法；b 新奥法；c 掘进机开挖法。 随着隧道工程理论的发展，在各自的工程实践和理论研究的基础上，逐渐形 成两大派系，一是把地层视为松散构造的松动压力理论学派”j3 1 ，另一将地层视为 连续体的粘、弹、塑性理论学派“。 松动压力理论学派是以研究作用于隧道支护结构上的荷载松动压力为中 心来解决支护结构设计问题。这一理论包括普氏拱理论、k t e r z a g h i 理论以及近 年来挪威学者n b a r t o n 提出的岩质评定系数理论等。n b a r t o n 的岩质评定系数理 论是根据西北欧2 0 0 余例喷锚支护的隧道设计施工记录，应用统计分析方法总结 浙江大学博士学位论文王戍平2 0 0 4 出的，表述为如下式子 p ：lr q _ 旦d1 。l 立1 。f 立1 ( 1 1 ) 、jn ) j 。) s r f ) 式中：q 为n b a r t o n 岩质评定系数：r q d 是根据岩心回采率确定的系数；j n 为岩体节理组数系数；j r 为节理面状态系数：j a 节理变质状态系数：j w 节理含水 状态系数；s r f 为因应力影响的岩质下降系数。根掘算得的q 值，从统计图表中求 得对应的松动压力和对应的支护结构的组成及参数，以此设计支护与衬砌。 粘、弹、塑性理论学派是以研究围岩中应力重分配为关键来解决隧道支护结 构设计。该理论最初将围岩视为各向同性的连续弹性介质，发展到现在把围岩视 为粘、弹、塑性的连续介质来研究。在该学派中，因解决设计问题的方法不同而 派生出二个分支。一个分支是从假定的反映岩石物理力学性质的计算模型出发， 用数解法进行支护结构设计并研究隧道的整体稳定性。主张这种数解法的有 r f e n n e r 和h k a s t n e r 等学者。另一分支是利用粘、弹、塑性理论的定性成果， 着眼于围岩变位的稳定来设计隧道的支护结构，通过现场量测来监视围岩的动态 情况。其设计分二步进行，首先凭经验采用工程类比法确定初选设计参数，然后 分析现场量测数据来判断围岩交位稳定状态，以此来修定支护结构的组成成分和 参数。目前隧道界广泛采用的新奥法即属于粘、弹、塑性理论的第二分支。 1 2 新奥法理论 新奥法己作为国内外隧道结构设计与施工的重要方法，是“新奥地利隧道修 建方法”的简称，其英文为“n e w a u s t r i a nt u n n e l i n gm e t h o d ”，常简写为“n a t m ”， 是奥地利土木工程师r a b c e w i c z 、m u l l e r 在6 0 年代总结隧道建造实践经验的基础 上创立的。新奥法的理论基础是最大地发挥围岩的自承作用。以喷射混凝土、锚 杆加固和量测技术为三大支柱的新奥法，确保尽可能地保护隧道围岩原有强度、 容许围岩变位但不致出现松弛破坏、及时掌握围岩和支护变形动态的隧道开挖与 支护原则，并考虑到隧道掘进时的空间效应和时间效应所提出的新理论。新奥法 的基本原理和力学基础朱汉华、尚岳全等“作如下详细归纳： ( 1 ) 围岩是隧道结构的主要承载部分； ( 2 ) 玎挖后需要对围岩进行加固，以使围岩在开挖卸载后不失去原有的强度： ( 3 ) 隧道围岩支护过程中应尽量减少围岩卸载位移的程度； ( 4 ) 隧道围岩支护过程中，一方面允许围岩有一定的位移，从而产生受力环 压；另方面，又必须限制围岩位移的程度以避免围岩变形过大产生严重松弛卸 载； ( 5 ) 初次支护的主要作用不是用来承担隧道围岩所失去的承载力，而是保持 浙江大学博士学位论文 王成平2 0 0 4 围岩的自承状态； ( 6 ) 初次支护的建造应是适时的，延时一定时间使围岩在开挖后来得及变形 并形成承力保护区； ( 7 ) 围岩自稳时间的评定，一方面通过对围岩地质条件的初步调查，另一方 面通过在建过程中量测隧道洞周的位移来评定； ( 8 ) 喷射混凝土具有可填平凹凸面、与围岩密贴等特点，使围岩的受力条件 不发生严重的应力重分布，常被用来作初次支护，必要时还使用锚杆、钢筋网和 钢拱架； ( 9 ) 喷混凝土本身具有强度高和可变形的特点，其整体的结构效应通常可视 为薄壳，具有可塑性及可收缩的能力； ( 1 0 ) 从静力学的角度分析，孔洞的受力状态以圆管为最好，隧道开挖后需 要及时建造仰拱，以形成封闭结构； ( 1 1 ) 初次支护只要没有被腐蚀破坏，即可视为整体承重结构的一部分； ( 1 2 ) 孔洞从开挖到封闭所需的时间主要取决于施工方法，围岩的变化很难 定量解释，但可经过施工前的地质调查资料进行估计，施工过程中通过测量来控 制和修改； ( 1 3 ) 静力学原理要求隧道横截面为圆形时受力条件最佳，因此设计的横截 面应尽可能接近圆形或椭圆形，严格限制超挖或欠挖； ( 1 4 ) 应特别注意施工过程中工程荷载对隧道受力的影响。为了尽量限制开 挖后隧道围岩二次应力重分布程度和松动圈形成的范围，应尽可能减少开挖次数 或至少拱部采用一次开挖方案； ( 1 5 ) 为了提高隧道结构的安全度及达到密封的效果，可建造内薄层衬砌， 使结构内不产生过大的弯曲应力，内层与外层相互之间只传递压力； ( 1 6 ) 为了增加衬砌的强度，一般不增加其厚度而增加钢筋含量( 钢拱) 。增 大整个结构的刚度可通过增加锚杆的个数或增大锚杆的长度以形成围岩受力环区 来实现： ( 1 7 ) 对整体结构系统的稳定性和安全度评价及设计结构需要加强的必要性 以及设计结构刚度的减少，均根据建造过程中的应力及变形状态的测量结果来确 定。 隧道开挖过程中，应尽可能保护围岩的原有强度和变形特性，力求防止围岩 松动和大范围变形，避免围岩应力出现单轴和双轴应力的状态。 1 3 隧道工程研究现状 随着隧道施工新奥法的推广应用，人们逐渐认识到保持原岩结构，防止围岩 松驰塌落和避免产生松驰压力的重要性。在破碎围岩中修建隧道，常见开挖过程 中围岩坍塌、已修筑的衬砌产生大面积裂缝、衬砌接头处严重漏水等现象。这一 现象的实质是岩体的合理开挖方法、各种支护结构的施设步骤和时效及围岩的过 渡变形和松驰阀题。同时，大量隧道工程实践表明，水是使隧道围岩丧失稳定的 重要因素。水对围岩稳定的影响主要表现为： ( 1 ) 软化围岩的作用，许多软质岩石受水饱和后，其强度均有不同程度的降 低。对某些围岩( 泥质岩层) ，水能使岩质软化：对盐岩，水能起水溶作用；对如 无水石膏及以蒙脱石为主要成份的粘土等，则遇水膨胀，造成极大的膨胀压力。 ( 2 ) 软化结构面的作用，泥质充填和具有软弱夹层的软弱结构面，遇水后液 化变软或使填充物冲走，降低了结构面的抗剪强度，使岩体易于滑动。 ( 3 ) 承压水的水压作用，围岩受到水压作用后，更易失去稳定。 当前大量的隧道工程研究方法采用数值模拟进行理论计算。对于破碎围岩隧 道，围岩变形破坏发展过程中的非线性特征、特别是局部围岩破坏对应力场和位 移场影响特征缺乏认识，影响了工程支护方案的合理选择，影响了对围岩变形监 测资料的正确分析。 至于水在破碎围岩中弱化作用的定量分析，尚未见有研究论文发表。 i 3 1 理论研究 地下洞室围岩的研究是岩体力学的重要应用课题之一。由于影响洞室稳定的 因素很多，对象复杂，要建立一种能适应各种条件的理论，随时得到定量的解答 几乎是不可能的。因此目前比较合理的办法是将问题分类解决，对每种特征不同 的课题，突出重点，将问题适当简化，使之得到近似解答。 上世纪5 0 年代未，陈宗基首次把岩石力学作为一门边缘科学来研究，丽以往 常把岩石当作材料进行研究。必须用力学的观点，以地质为基础来解决工程问题， 既要重视岩石的变形强度特征、结构关系的理论研究，又要解决工程提出的各种 问题，并强调现场试验和室内试验是相辅相成，不可分割的。指出问题的关键在 于有正确的概念。陈宗基最早引用流变理论研究岩石的流变特性，指出即使在峰 硬岩石中修建地下洞室，亦需考虑流变对长期稳定的影响。从板块运动、地应力 的产生，分析了对高地应力地区工程建设的影响，用封闭地应力概念解释了工程 中各种特殊现象，如岩爆等；从微观结构分析了膨胀岩的破坏机理。由此推动了 地下工程的研究、设计和施工水平，并丰富了隧道理论。 岩体开挖后，围岩发生破坏等力学效应，可以看成是原来聚集在岩体中的应 变位能释放而做功的结果。因此，从能量转化的角度来分析开洞引起的能量变化 是可行的。库克( n g w c o o k ) “1 和萨拉蒙( m d g s a l a m o n ) “1 曾把岩体视为均 质线弹性体进行了分析。萨拉蒙给出的能量守恒定律表示为： 膨十醣= y o + 砟( 1 2 ) 式中w o 是整个有关岩体体积内内应力因开洞而作的功，以是该洞开挖出的那 浙江大学博士学位论文 王成平2 0 0 4 部分岩体释放出的应变能，配为紧邻围岩因开洞而重新积累的应变能，胙为开洞过 程中损失的弹性能。 事实上洞室丌挖后在围岩中发生的物理、力学效应，一般都具有非线性和不 可逆性质。应力重分布达到一定程度后，由于岩体的粘性、塑性、脆性破裂以及 局部破坏等各种运动形式都要损耗能量，即损失一定的非弹性应变能蟛。如果在 开洞后某个时刻设置了支护结构，那么该构筑物也要吸收一部分能量孵。根据圣 维南局部性原理，可以认为围岩中释放的弹性能艇是近似不变的。至于u 。及肥更 是不变。由此可将式( 1 _ 2 ) 改写为： k + u 。= u 。+ 睨+ k + ， ( 1 3 ) 其中乩为在非完全弹性介质中开挖洞室时洞周重新积聚的弹性能。 基于前述理由，当在一个特定的地层中开挖一定大小的洞室时，蛾、以及孵 可以近似认为是不变的，则： u ：+ 既+ w r “常数 ( 1 4 ) 这个能量方程可看成是研究及控制地下岩洞稳定性所应遵循的个基本原 则。 王桂芳。1 利用共同变形理论研究了地基应力和变形的相互关系，分析了地下坑 道孔周变形规律，得到了简单截面位移的解析解。同时对隧道衬砌内力作了粘弹 性分析计算，推动了隧道计算理论的发展。 在隧道数值分析和理论研究方法上的积极探讨，汇集了现场施工和实测的诸 多经验”“”“。1 9 7 8 年刘怀恒丌发了“岩石力学平面非线性有限元分析程序 n c a 一2 d ”：1 9 8 2 年黄伟、杨林德开发了“锚喷支护地下洞室非线性有限元分析程序”； 1 9 8 5 年李世辉编制了“典型工程类比隧道力学分析边界元程序b m p 8 4 ”：1 9 9 7 年 朱合华推出了“地下工程施工模拟通用正反分析计算软件”：王泳嘉、刘连峰研制 了“3 d 离散元软件t r u d e c ”。 魏新江“”针对浅埋软弱围岩隧道通过地表锚固试验全面论述了浅埋软弱围岩 隧道的构筑方法及构筑过程中的一些关键技术问题，同时对锚杆的作用机理作了 深入的分析研究。詹美礼“”在软土流变试验的基础上建立了软岩隧道的流变分析 模型及长期流变荷载对支护结构的作用机理研究。李永盛“。采用粘弹塑性模型研 究了节理岩体洞室的蠕变特性等。这些研究无疑都丰富了隧道的构筑理论。 1 3 2 模型研究 米契兰罗( m i c h e l a n g e l o ) 曾富有诗意地说过：“模型是最神圣的财富，可以授 予每一位从事建筑的人”。 隧道构筑过程是一个极为复杂的过程，在设计上还停留在半经验状态，由于 浙江火学博士学位论文千戍平2 0 0 4 围岩的干差万别，存在各种非线性特征，围岩的应力与位移发展规律至今还未能 很好地掌握。理论研究结果也还只能定性地采用。 隧道模型试验是研究隧道科学的一个重要手段。模型试验与数值方法相比虽 有它的不足，如尺寸效应、试验难度大、费用高等。但是物理模型由于是真实的 物理实体，当它在基本满足相似原理的条件下，能避开数学和力学上的困难，真 实、全面、直观、准确地反映隧道开挖过程中围岩支护体系各方面的变化和影响。 一方面可以与数学模型相互验证，另一方面也为发现一些新的力学现象和规律， 为建立新的计算理论和数学模型提供重要的依据。 1 3 2 1 模型材料 模型试验成败的先决条件是模型的相似材料。研究满足相似关系的模型材料 是地质力学模型试验最主要的内容。要找到完全相似的模型材料十分困难，一般 根据要研究问题的性质，寻找满足主要参数相似的材料。 韩伯鲤等“”认为，选择合理的相似材料应满足以下7 项原则： ( 1 ) 相似材料应由散粒体组成，经胶结剂胶结并在模具内强压成具有定尺 寸的砌块，才能保证有致密的结构和较大的内摩擦角。 ( 2 ) 散粒体应选用大比重的物质，并由粗、细颗粒按最优级配组成，以获得 最大的容重和较小的孔隙率。 ( 3 ) 以柔性、弹性物质( 如橡胶溶液、柔性塑料等) 给散粒体中的粗颗粒加外 膜，以利于大幅度降低成型材料的变形模量。 ( 4 ) 采用弱胶结性的胶结剂，以降低成型材料的强度。 ( 5 ) 成型后的材料应具有较高的电气绝缘度，且不受温度和湿度变化的影响。 ( 6 ) 应采用价廉易得的原材料，以降低材料制作成本和模型试验经费。 ( 7 ) 材料制作工艺力求简化，成型后能快速干燥，以加快模型试验进程。 韩伯鲤“6 1 开发了一种新型的模型材料，该材料的粗骨料使用加膜铁粉和加膜 石英砂。加膜用的胶粘剂为氯丁橡胶溶剂细骨料为重晶石粉，胶结剂为松香酒 精溶液。该相似材料的变形模量的范围在6 0 3 0 0 m p a 之间，属于覆盖面较广的低 弹模材料。其容重y 的范围在2 2 4 0 k n m 3 之间，属于可调整的高容重材料。而泊 松比的变化范围为0 2 2 o 2 4 ，基本上保持不变，是一种较为理想的地质力学模 型相似材料，但价格较贵。 用光弹性材料来模拟岩体，主要有两种：一种是环氧树脂塑料，常用来研究 承受较大荷载的模型；另一种是琼脂甘油或明胶甘油制成的软胶。后一种材料的 光敏感性很高，是用来研究深埋隧道的模型试验( 此时自重应力场大) 。 e 富马加利“，左东启等“，陈兴华等“”介绍了大量国内外科研机构开发的 地质力学模型材料，其基材有p b o ，石膏。膨润土，p b ，o 。，砂，浮石，重晶石粉， 浙江大学博士学位论文 王戍平2 0 0 4 甘油，环氧树脂，硬化剂，钛铁矿粉，氧化铅，淀粉，水等，通过不同组合形成 不同抗压强度、弹性模量、泊桑比的模型材料( 有代表性的模型材料介绍见本文 3 5 2 ) 。 近年来隧道围岩模拟材料应用得最多的是重晶石粉、石英砂、甘油、水等基 材通过不同重量比的组合，这种材料具有以下特点： ( 1 ) 混合材料容重大； ( 2 ) 泊桑比基本满足软岩的要求； ( 3 ) 弹性模量低； ( 4 ) 力学性能稳定； ( 5 ) 可重复使用。 1 3 2 2 围岩特性及加固的模型试验研究 隧道围岩的性质是决定支护类型、支护时机以及支护的应力、应变状态的重 要影响因素，是分析隧道围岩的稳定性、选用隧道衬砌支护合理参数的基础。具 体的说，围岩的结构特征、完整状态、围岩强度、地下水作用、蠕变等因素使得 修筑隧道的地质环境千变万化，对各种围岩的特性进行研究是进行合理设计的基 础。 周德培。”采用平面应变试验分别对圆形衬砌隧道和直墙式隧道进行了研究， 分析了在有、无衬砌情况下的蠕变问题，得出以下结论： ( 1 ) 未衬砌的围岩发生自由蠕变。蠕变是否趋于稳定，与原围岩的材料和应 力水平有关。当应力水平较低的时候，围岩具有定的自稳能力。 ( 2 ) 围岩周围的粘弹性区，随着原岩应力或时间推移，向围岩深处逐渐扩展， 使围岩的承载能力下降，围岩具有显著的时问效应。 节理是岩体中的裂隙，是没有明显位移的断裂。当今大多数地下工程都建造 在节理岩体中，全长粘结式锚杆或预应力锚杆常用于加固节理围岩。但是工程界 至今仍未对节理围岩的变形和破坏规律以及锚固效应认识清楚。任伟中等”采用 平面应力加载条件下的大比尺模型试验，依据两组工f 交节理的不同倾角和问距、 模拟地应力的不同围压以及洞周有无预应力锚杆支护等不同组合的十六种工况下 进行地下洞室分步开挖试验，来研究节理岩体中节理对洞室围岩变形和破坏的影 响及锚杆对节理围岩的锚固效应。 研究结果表明： ( 1 ) 围岩破坏区几何形状完全由开挖自由面与节理面的几何组合所控制。节 理倾角和间距直接影响围岩破坏机制和模式。 ( 2 ) 节理间距较小，则破坏区较大，围岩变形较大。岩体的变形大部分是由 节理变形引起的。 浙江大学博士学位论文千戍平2 0 0 4 ( 3 ) 当侧压系数为1 时，随着开挖，围岩不断向洞内位移；侧压系数大于1 时，开挖上层，围岩向洞内位移，中、下层开挖后，顶拱位移不断上抬回弹，侧 墙的收敛位移进一步增加，侧墙也有向上位移分量。当侧压系数由l 增加到2 或5 时，边墙位移增加约2 7 3 ，顶拱位移减小约1 2 7 。随着水平地应力的增加，顶 拱和底板部位变形减小，稳定性提高，边墙部位变形增加，对稳定不利。这与洞 室高宽比有关。在该试验中的节理倾角和问距情况下，由于围压较小，围压对围 岩的破坏影响甚微。 ( 4 ) 使用两端粘结式锚杆加固围岩时，顶拱向上的回弹位移比无锚时减少约 7 0 。锚杆支护属柔性支护，锚杆对于约束洞室围岩向上位移十分显著，但对指 向洞内的水平位移影响较小。 蒋树屏等。”通过对某工程二车道公路隧道在3 种不同围岩条件下的大型相似 模型实验。研究了二车道公路隧道围岩在隧道施工中的位移发展过程、隧道围岩 最终位移及围岩的稳定性，并对依托隧道工程施工进行了指导。 该试验中采用了公路隧道及围岩综合实验系统。该系统采用液压千斤顶在模 型顶部加载，以模拟上覆岩土层自重力。在模型两侧加载模拟围压。基于“先加 载，后挖洞”的思想，摒弃“先挖洞，后加载”的方法，用内置千斤顶及高精度 位移计模拟被开挖体应力响应及位移变化，所有千斤顶的荷载均由液压稳压器调 控，而测试压力和位移数据由与本系统配套的数据自动采集软件实现采集、存储 和分析。得到以下结论： ( 1 ) 隧道围岩位移随开挖阶段总体上呈现台阶式增长，原则上可划分为4 个 阶段，即开挖前、开挖时、开挖后第1 天、开挖后，以开挖时台阶增长幅度最大。 ( 2 ) 在外边界条件相同的情况下，采用分部开挖时的最终位移量小于全断面 开挖的位移量。 ( 3 ) 左线软弱围岩偏压段采用全断面开挖时的瞬间位移约占总位移的9 5 以 上，在隧道施工时非常容易导致隧道塌方；开挖时须采用分部开挖的方式。 预应力锚索在工程实践中获得了广泛应用，并取得了巨大成功。理论分析和 试验研究方面也引起了不少学者的注意。为了探索预应力锚索对洞室的加固作用 机理，顾金才等“”对不同类型的锚固洞室进行了地质力学模型试验，探讨了锚固 洞室与非锚圃洞室在受力特点上的区别以及锚索类型( 全长粘结式和张拉段自由 式) 、预应力大小对锚固效果的影响等等，获得了有关锚固洞室的多方信息。 锚固洞室与非锚固洞室在开洞应变分布上的明显区别主要表现在：非锚固洞 室的开洞应变只在洞壁附近( r i 5 d ) 数值较大，离洞室较远处数值很小。这表明 开洞的影响范围只在r 1 5 d 以内。而锚固洞室的开洞应变不仅洞壁附近较大。 离洞室较远处也较大，其特点呈现先加固，后受力的洞室应变分布特征。 浙江大学博士学位论文王戍平2 0 0 4 此外，该模拟试验的结果还表明： ( 1 ) 锚固洞室与非锚固洞室在超载应变分布特征上基本相同，只是数值上大 小不等。一般地说，锚固洞室的超载应变偏小一些。 ( 2 ) 锚索预应力大小只影响开洞应变数值，不影响其分布规律。 ( 3 ) 对锚固洞室的超载受力分析可以近似地采用提高介质力学参数的方法进 行，不必考虑锚索尺寸、布置的具体细节。 锚喷手段是现代隧道施工设计中最重要的支护方式之一。尽管人们对锚喷支 护作用无可否认，但对锚喷的加固机理还不完全了解，在工程设计中仍主要依靠 工程类比并通过现场监测来修正设计。 肖勤学o ”通过模型试验研究了锚喷加固含软弱结构面的岩体的变形特征以及 加固机理，并着重讨论了软弱结构面方向、锚杆方向以及喷射混凝土对含有软弱 结构面岩体加固的影响等问题。锚杆对围岩加固的影响重大，试验的结果表明锚 杆布置最有效的方向是与软弱结构面正交。试验还得到以下一些结论： ( 1 ) 软弱围岩重锚杆的主要作用是提高了软弱结构面的抗剪切强度，这也是 软弱围岩重锚杆的作用机理。 ( 2 ) 砂浆锚杆灌浆不饱满时，有可能会破坏已有围岩的完整性，反而降低围 岩的稳定性。 ( 3 ) 喷射混凝土具有捆绑作用和改善围岩受力状态的作用。 彭立敏等“”以单线铁路隧道中的i 类围岩为对象，采用室内模型试验( 模型 的比尺1 ：1 0 ) ，熏点研究了在不同锚固间距条件下，锚杆与地层共同作用的效果。 试验结果表明锚杆的确起到了加强山体的整体坚固性，减少山体整体滑动趋 势，提高山体自承载能力的作用。结果同时也说明，锚杆的加固效果会随锚杆的 加固范围、锚杆的间距、锚杆的深度、安装锚杆时砂浆锚固孔大小等因素的变化 而变化。因此，合理选择好这些施工技术参数对保证加固效果具有至关重要的作 用。 复合式隧道衬砌是以新奥法为基础进行设计和施工的一种新型支护结构。近 几年来，在国内、外铁路、公路、地铁等地下工程中得到了广泛使用。 复合式隧道衬砌包括锚杆和二次衬砌的复合支护结构，加之防水层的存在以 及二次衬砌的不同材料的特性和支护时间的不同，其力学机理较单一支护形式要 复杂得多。复合式隧道村砌的作用机理、作用特点一直是隧道工程界研究的热点 之一。 张德等1 通过模型试验研究了按新奥法施工的隧道中，混凝土喷层、锚杆和 格栅拱的不同组合产生的不同力学效果，比较了不同的初期支护及其组合对提高 围岩承载能力的作用效果，得到了以下一些结论： 浙江大学博士学位论文千戍平2 0 0 4 ( 1 ) 毛洞情况下，围岩深部变形破坏严重，特别是隧道仰拱部位。而在格栅 拱+ 短锚轩+ 喷层支护和长锚杆+ 喷层支护两种情况下，围岩深部基本没有变形 破坏这说明及时支护对维护隧道围岩的稳定是非常重要的，同时表明，临时的 仰拱对维护开挖洞室的稳定性意义重大。 ( 2 ) 格栅拱+ 短锚杆+ 喷层支护的开裂荷载比长锚杆+ 喷层支护的开裂荷载 要小1 6 6 7 。这一结果说明，支护刚度大，承受的荷载大：支护刚度小，承受的 荷载小。 ( 3 ) 格栅拱+ 短锚杆+ 喷层支护的后期支护强度非常巨大，从出现开裂到最 后失稳，荷载增加了8 0 。而长锚杆+ 喷层支护，从支护出现开裂到最后失稳， 荷载也增加1 6 6 7 。这说明，初期支护破坏不能用开裂作为判断基准，而应用位 移作为判断基准。 ( 4 ) 对于格栅拱+ 短锚杆+ 喷层支护的体系，拱顶相对位移应控制在1 2 7 9 ；而对于长锚杆+ 喷层支护体系，拱顶相对位移应控制在5 6 2 。 ( 5 ) 长锚杆对洞周位移的约束作用比格栅拱对洞周位移约束作用明显。试验 结果表明，格栅拱作用下的洞周位移将比长锚杆作用下的洞周位移大1 0 以上。 所以，在变形较大的软弱围岩中修建隧道时，应该将长锚杆和格栅拱结合起来使 用，用长锚杆控制围岩的位移发展，用格栅拱承受地压。 ( 6 ) 格栅拱+ 短锚杆+ 喷层支护的洞室承载能力比长锚杆+ 喷层支护的洞室 承载能力提高了2 8 5 7 。可见，格栅拱支护效果是非常明显的。因此，在地压较 大的软弱围岩中修建隧道时，应该采用格栅拱支护。 程桦等。7 1 用模型试验研究了软弱围岩直墙和曲墙复合式隧道衬砌的变形、承 载能力和破坏特征并进行了对比。试验研究得出了曲墙、直墙衬砌在不同施工阶 段的洞周切向应变的变化规律。对于曲墙式隧洞，在整个受力过程中，均表现为 压应变，其值随荷载增大而增大，最大值出现在墙中，底拱中最小，拱顶次之。 锚喷支护后，仍出现较大的蠕变，而施作二次衬砌后，应变速度则显著下降。表 明二次衬砌的施作可有效地抑制蠕变的发展。对于直墙式隧洞，在受力过程中。 除底拱切向应变出现拉应变外，其余各点均为压应变，且墙中最大。值得注意的 是，底拱拉应变随时间推移逐渐增大，锚喷支护后，仍出现较大的洞周切向蠕变， 而二次衬砌的施作，则大幅降低了洞周围岩体的切向蠕变。试验还表明： ( 1 ) 周绝对位移大小在侧压系数为1 3 时，依次为拱顶、边墙中、墙底。 ( 2 ) 复合式衬砌破坏均属塑性剪切破坏，其中曲墙式复合衬砌破坏部位在拱 肩至路底处，直墙式复合衬砌破坏部位在拱肩和墙底两处附近。 ( 3 ) 二次村砌的施作可明显提高支护结构承载能力。以抗裂极限为准，其承 载能力较锚喷支护可提高2 9 ，曲墙式复合衬砌承载能力是直墙式的1 7 6 倍。 浙江大学博士学位论文 王戍平2 0 0 4 ( 4 ) 侧压系数对衬砌承载能力有较大影响，试验得到侧压系数为l 3 时曲墙 式复合衬砌超载系数是侧压系数为l _ 5 时的2 0 7 倍。 朱敬民。”从加固围岩充分发挥围岩的自承能力的基本观点出发，结合重庆市 菜袁公路i i 号隧道设计方案，对层状岩体中的地下工程复合衬砌进行了模型试验 研究。试验的主要内容包括：层状岩体中深埋隧洞喷锚支护和二次衬砌的变形特 性和破坏特征；隧道围岩及支护系统的稳定性随时间的变化规律：开挖程序对围 岩稳定的影响等。研究表明： ( 1 ) 层状岩体中洞室的破坏属剪切破坏。当洞室位于软岩层中，裂纹不向邻 近的硬岩层延伸，岩住部分裂纹密集，上覆硬岩层起到深梁作用。 ( 2 ) 初期支护( 喷锚支护) 能提高围岩的承载能力，但二次模注衬砌不能提高 围岩的承载能力。围岩变形时间效应的测试结果表明，二次衬砌能约束围岩变形， 提高变形刚度，起到支护作用。 ( 3 ) 起拱点和墙脚处出现应力集中，并且在底板中点处出现拉应力。因此， 隧道横断面采用曲墙和仰拱形状更为合适。 软弱围岩中偏压隧洞围岩的变形破坏具有特殊性。钟新樵o ”以宝中线老头沟 隧道为原型，通过对偏压条件下不同开挖方法的对比试验，研究了不同情况下偏 压隧洞的变形破坏发展过程。试验中模拟了不同的开挖方式下锚喷后洞室变形破 坏发展的过程，试验发现在土质软弱围岩中开挖的洞室，在锚喷支护作用下，塑 性区的开始和发展与毛洞不同。洞顶山体下塌