软岩中复合隧道衬砌的承载能力：大规模模型试验

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Bearing capacity of composite tunnel lining in soft rocks: Large-scale model test

Composite lining's bearing capacity in soft rock is investigated through a 12.5 similarity scale large-scale model test. Three test conditions: tunnel without lining, composite lining, and dense composite lining are compared. Results show dense rock bolts increase designed bearing capacity by 21.6% and ultimate capacity by 40%, with mutual balance effect between primary and secondary linings. 复合衬砌在软岩中的承载能力通过相似比12.5的大型模型试验研究。对比无衬砌、普通复合衬砌和密集复合衬砌三种条件，发现密集锚杆使设计承载能力提升21.6%，极限承载能力提高40%，并揭示支护结构间的协同作用与力学平衡效应。

　　在隧道工程领域，复合衬砌作为一种常见且广泛应用的结构形式，因其优异的承载能力和适应性而受到重视。复合衬砌通常由初始支护、二次衬砌以及中间的防水隔离层组成，能够有效应对软岩环境下的复杂地质条件。然而，传统的模型试验方法在研究复合衬砌隧道的承载性能时存在一定的局限性，如模型尺寸过小导致的观测和测量困难，以及对支护结构性能的模拟不够全面。为了克服这些问题，本研究提出了一种新的模型试验方法，旨在更准确地模拟实际隧道工程中的复合衬砌结构，深入探讨其在软岩条件下的力学行为。

本研究以中国宜昌至郑万铁路连接段的隧道为原型，设计了一种大比例尺的模型试验系统，其相似比为12.5。通过这一比例，隧道模型的尺寸较大，便于更清晰地观察其破坏过程和支护结构的受力情况。模型试验过程中，采用多种测试方法确定了与原型结构相似的材料，包括围岩材料、锚杆材料、初衬材料和二次衬砌材料。这些材料的力学参数通过三轴试验、拉伸试验和拔出试验等手段进行测定，以确保其能够准确反映原型结构的性能。

研究还设计了一套完整的监测方案，用于获取围岩、锚杆、初衬和二次衬砌的应力和应变数据。该监测方案包括应变砖、土压力计、预制方块以及应变测量传感器等设备，能够在不同位置获取结构内部和外部的应变信息。通过这些数据，可以进一步分析锚杆和衬砌材料的受力情况，以及其在不同载荷下的力学响应。同时，研究还通过实际试验，观察了三种不同工况下的隧道破坏过程，包括无衬砌隧道、复合衬砌隧道和密集复合衬砌隧道，以全面评估复合衬砌的承载能力。

研究发现，无论是在无衬砌隧道还是复合衬砌隧道中，围岩材料所承受的总荷载在任意区域都大致相同。锚杆和初衬之间存在一种“相互平衡”的效应，即它们的轴向力在一定程度上相互影响。随着锚杆密度的增加，初衬和锚杆的轴向力显著提高，而二次衬砌的轴向力则相对减少。这一现象表明，锚杆的密集布置能够有效增强围岩的承载能力，同时也能改善初衬的受力状态。然而，二次衬砌的承载能力在锚杆密度增加后并未显著提升，这可能与其在试验中未发生明显的破坏有关。

此外，研究还对围岩材料的位移和应力变化进行了详细分析。在无衬砌隧道中，随着载荷的增加，围岩材料的位移迅速上升，最终导致整个隧道的坍塌。而在复合衬砌和密集复合衬砌隧道中，围岩的位移受到初衬和锚杆的约束，其增长速度明显减缓。特别是密集复合衬砌隧道，由于锚杆布置更加密集，其围岩材料的位移进一步减小，显示出更强的承载能力。同时，围岩材料的应力变化也呈现出不同的特征，例如在复合衬砌隧道中，其峰值径向应力和切向应力均显著高于无衬砌隧道，表明初衬和锚杆的共同作用能够有效提升围岩的抗压能力。

研究还对锚杆材料的轴向力分布进行了分析。结果显示，在复合衬砌隧道中，锚杆和初衬的轴向力在隧道拱顶和肩部较大，而在隧道腰部则较小。这一分布特征与不同位置的位移情况密切相关，拱顶和肩部由于承受较大的垂直荷载，因此需要更大的轴向力来限制围岩的变形。而在密集复合衬砌隧道中，虽然锚杆数量更多，但单个锚杆的轴向力反而有所减少，这是由于更密集的锚杆布置导致每个锚杆所承担的荷载减少，从而在整体上提高了围岩的承载能力。

在二次衬砌的应力分布方面，研究发现其轴向力分布与初衬相反。在复合衬砌和密集复合衬砌隧道中，二次衬砌的轴向力在拱顶到腰部的区域较小，而在腰部到倒拱部分则较大。这种分布特征表明，虽然初衬和锚杆的承载能力有所提高，但二次衬砌仍然承担了主要的长期荷载。当初衬和锚杆在某一区域发生破坏时，二次衬砌的轴向力相应增加，以维持隧道的整体稳定性。这种“相互平衡”的现象在不同区域均有体现，说明复合衬砌结构中的各部分在承载过程中相互作用，共同维持隧道的稳定性。

研究还探讨了锚杆密实度对复合衬砌整体性能的影响。结果表明，锚杆的密实布置显著提升了围岩的承载能力，同时减少了围岩材料的位移。然而，这种密实布置并未带来二次衬砌承载能力的明显提升，这可能是因为二次衬砌在试验过程中保持了较好的完整性。此外，密集复合衬砌隧道的承载能力比普通复合衬砌隧道提高了约30%，这说明锚杆的密实布置在提升隧道整体承载性能方面具有重要意义。

总体而言，本研究通过大比例尺的模型试验，系统地分析了复合衬砌隧道在软岩条件下的力学行为。研究结果不仅揭示了锚杆和衬砌材料的受力规律，还提供了关于锚杆密实度对隧道承载能力影响的直观证据。这些发现为今后在软岩条件下设计和施工复合衬砌隧道提供了重要的参考依据。同时，研究也指出了当前模型试验方法的一些不足之处，例如对支护结构性能的模拟不够全面，以及对锚杆和衬砌材料之间相互作用的分析仍需进一步深入。未来的研究可以考虑采用更先进的监测技术和模拟方法，以更全面地了解复合衬砌隧道的力学行为。