高地应力特大断面隧道模型试验

赵福涛; 刘远明; 何国华; 陈林全; 王义乾; 张金磊; 林涛; 刘洋会; 孙韩

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2502077

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (6) :2617-2626 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2502077

交通运输

高地应力特大断面隧道模型试验

赵福涛 ¹ ,
刘远明 ¹^,^* ,
何国华 ² ,
陈林全 ¹ ,
王义乾 ¹ ,
张金磊 ¹ ,
林涛 ¹ ,
刘洋会 ¹ ,
孙韩 ¹

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Experiment on High Geo-stress Large-section Tunnel Models

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摘要

高地应力环境下的特大断面隧道因地质构造和应力集中影响,围岩易发生变形与破裂,导致衬砌失稳、施工难度增加及安全隐患。为探讨高地应力对隧道施工的影响,通过模型试验研究了不同施工工法与地应力条件下的隧道围岩响应和初期支护结构内力特性。试验结果表明:在高地应力条件下,围岩均表现为内向挤压,应力演化分为扰动与稳定两个阶段,当开挖面距监测断面约1.5倍隧道直径时,应力趋于稳定;3种施工方法比较发现,初期支护的最大轴力和弯矩集中于拱顶和仰拱中心,建议加强其支护及预加固措施,及时完成初支闭合及二衬施工;模型试验揭示了初支破坏的4个阶段:拱顶、仰拱微裂纹萌生→裂缝拓展至拱脚→仰拱出现开裂错动→衬砌整体变形失稳。研究表明,需重点加强拱顶、仰拱和拱脚的支护措施,以确保隧道结构的安全稳定。

Abstract

Due to the influence of geological structure and stress concentration, the peripheral rock is prone to deformation and rupture in large cross-section tunnels under high geo-stress environment, which leads to lining instability, increased construction difficulty and safety hazards. In order to explore the influence of high geo-stress on tunnel construction, the response of tunnel surrounding rock and the internal force characteristics of the initial support structure under different construction methods and geo-stress conditions were investigated through model tests. The test results show as follows. Under high stress conditions, the surrounding rock shows inward extrusion, and the stress evolution is divided into two stages: disturbance and stability, and the stress tends to be stable when the excavation surface is about 1.5 times the diameter of the tunnel from the monitoring section. The comparison of the three methods of construction reveals that the maximum axial force and bending moment of the initial support are concentrated in the top of the arch and the centre of the superelevation arch, so it is recommended to strengthen the support and the pre-strengthening measures, and to complete the initial support closing and second lining construction in a timely manner. The model test reveals four stages of initial support damage: Microcracks sprouting in the arch and the back arch → cracks expanding to the foot of the arch → cracking and misalignment in the back arch → overall deformation and instability of the lining. The study shows that it is necessary to focus on strengthening the support measures for the vault, the back arch and the foot of the arch to ensure the safety and stability of the tunnel structure.

Graphical abstract

关键词

高地应力 / 特大断面隧道 / 模型试验 / 支护内力 / 围岩应力

Key words

high geo-stress / extra-large section tunnel / modelling tests / support internal forces / surrounding rock stress

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赵福涛, 刘远明, 何国华, 陈林全, 王义乾, 张金磊, 林涛, 刘洋会, 孙韩. 高地应力特大断面隧道模型试验[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(6): 2617-2626 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502077

ZHAO Fu-tao, LIU Yuan-ming, HE Guo-hua, CHEN Lin-quan, WANG Yi-qian, ZHANG Jin-lei, LIN Tao, LIU Yang-hui, SUN Han. Experiment on High Geo-stress Large-section Tunnel Models[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(6): 2617-2626 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502077

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随着中国交通基础设施建设向中西部地区的持续推进,隧道工程呈现出隧道长度、断面尺寸和埋深显著增加,以及地质条件愈发复杂化的发展趋势^[1]。在此背景下,高地应力环境下特大断面隧道的建设需求不断增长。隧道的埋深和断面尺寸的增大显著加剧了围岩的受力复杂性,引发了诸多工程难题,例如围岩大变形、断面挤压压缩、衬砌结构产生裂缝及围岩坍塌等^[2]。具体而言,渭武高速木寨岭隧道、成兰铁路毛线隧道、在施工过程中均中出现了严重的围岩大变形问题^[3-4]。宁缠隧道、兰渝铁路高地应力隧道在施工中出现了初期支护开裂、局部脱落和钢拱架扭曲等问题^[5-6]。川藏铁路高地应力隧道面临突水突泥、塌方等问题^[7-8]。大凉山隧道、成兰铁路平安隧道都遭遇了岩爆等地质灾害^[9-10]。这些问题已经严重影响施工进度及施工人员的安全,针对上述存在的问题,工程实践中常采用不同开挖方式以减少对围岩的扰动,降低施工中存在的风险。然而,不同开挖方式对围岩的扰动效果存在明显不同,且这些效果在不同地应力条件下表现出显著的差异化^[11-12],使得高地应力隧道更容易诱发地质灾害。因此,确保高效、安全的施工,是高地应力特大断面隧道目前需要仍需解决的问题。

尽管已有研究对高地应力隧道展开了一定程度的探讨,但针对特大断面隧道在高地应力场条件下的系统性研究仍显不足,尤其在围岩变形机理、支护结构受力行为及施工方法优化等方面缺乏深入分析^[13]。现有研究成果尚难以完全满足工程实践的需求,亟需进一步深化研究以填补这些空白。

因此,现基于桐梓隧道高地应力段,进行3种隧道开挖方法的模型试验,通过对隧道围岩应力演化、衬砌内力分布以及超载破坏特征的监测和分析,研究高地应力特大断面隧道施工的围岩响应以及支护结构内力特征,探究衬砌的薄弱部位,以期为高地应力特大断面隧道的设计和施工提供参考。

1 工程背景

桐梓隧道地处黔北高原北部,是大娄山脉延伸偏转部位,山峦起伏,地形破碎,地势总体特征表现为中部高两端低,隧道地质纵断面图如图1所示。隧道掌子面宽16.81 m,高11.03 m,面积约为149.76 m²,为特大断面隧道。以桐梓隧道YK37+770~YK37+990段作为研究对象,该段长220 m,顶板埋深为570~640 m,洞身围岩为中风化泥岩、黑色炭质泥岩,岩质软,岩体较完整,围岩单轴抗压强度R_C=8 MPa,岩体完整性系数K_v=0.75,修正后的岩体基本质量指标[BQ]=224。该段地应力较大,初始应力状态影响修正系数K₃=0.5。在现场钻芯取样过程中观察到岩芯饼化现象,如图2所示。

2 模型试验准备

2.1 相似比

考虑到桐梓隧道断面尺寸以及模型箱几何参数,模型试验相似比确定为:几何相似比C_L=50,重度的相似比C_γ=1,根据相似原理^[14],各物理量相似比如表1所示。

2.2 试验装置

试验模型箱内部空间长200 cm,宽80 cm,高170 cm,模型箱由箱主体、竖直与水平反力架、地应力加载装置和吊装设备等主要部件组成。该模型箱可分别在垂直和水平方向施加荷载,以模拟不同埋深下的垂直地应力和水平构造应力。垂直应力由安装在反力架上的垂直千斤顶提供,而水平应力则由位于模型箱两侧的水平千斤顶施加。模型侧面为高强透明亚克力板,可直接观察围岩相似材料的变化过程,模型箱的结构示意图如图3所示。

2.3 试验工况

试验工况基于桐梓隧道高地应力段及其备用图纸,设计采用三台阶法、CD法及双侧壁导坑法进行隧道开挖模型试验。试验模型均置于80 cm宽的模型箱内。预设的循环进尺参数为4 cm。3种工法的具体试验工况参数如开挖台阶数量、台阶开挖长度等如表2 所示。开挖断面划分及施工示意图分别如图4所示。

2.4 实验材料

2.4.1 围岩相似材料

为模拟桐梓隧道Ⅴ级围岩的力学特性,本次试验依据隧道地勘报告及文献[15 -17],采用重晶石粉、石英砂和凡士林按质量比600∶420∶80的配合比配制相似材料。通过单轴抗压试验和直剪试验,测定了相似材料的弹性模量、黏聚力和内摩擦角等关键力学参数。结合几何相似比对试验数据进行换算,得出可有效模拟Ⅴ级围岩的力学参数,具体结果如表3所示。进一步通过与现场围岩参数的对比分析,验证了该相似材料配比的合理性及适用性。

2.4.2 初期支护

此次隧道模型试验采用预埋式开挖方法,将填土后的初期支护预先放置在了围岩相似材料中,在开挖并施作锚杆时需要对初期支护进行钻孔,会劣化其整体性,使得后续支护裂纹萌生集中在钻孔破坏点附近,与其完整形态下的破坏形式发生偏差。同时,参考相关研究试验流程^[18-19],发现均未制作锚杆,因此,此次模型试验没有考虑锚杆的支护作用。

隧道模型的初期支护采用石膏材料进行模拟。为确定满足相似比要求的最佳水膏比,考虑到不同水膏比制备的石膏在力学性能上存在显著差异,配制了水膏比为1∶1~1∶1.9的系列标准石膏试件。试件养护至设计强度后,开展了单轴抗压强度试验,并根据试验数据计算了不同水膏比下石膏试件的弹性模量,结果如图5所示。

对试验所得的初期支护相似材料弹性模量结果进行拟合,依据相似原理,最终确定用以模拟初期支护的石膏的水膏比为1∶1.4。初期支护同时受到弯曲和轴向变形的影响,初期支护受到弯矩作用的相似准则为

(1)h_m=

$\frac{{h}_{p}}{{C}_{L}}{\left[\frac{{E}_{p}(1-{\mu }_{m}^{2})}{{E}_{m}(1-{\mu }_{p}^{2})}\right]}^{1/3}$

式(1)中:h_p为实际衬砌的厚度;h_m为模型衬砌的厚度;E_p和E_m分别为原型和模型衬砌的弹性模量;μ_p和μ_m为衬砌的泊松比。

初期支护受到轴向力作用的相似准则为

(2)h_m=

$\frac{{h}_{p}}{{C}_{L}}\frac{{E}_{p}}{{E}_{m}}$

隧道衬砌结构类似于圆筒薄壁结构,其安全性主要受材料抗弯能力和弯曲应变的影响,因此模型设计以抗弯刚度作为主要控制参数^[20]。实际的初期支护厚度为30 cm,通过式(1)和式(2)计算可得隧道模型的初期支护厚度应为2 cm。

3 试验流程

3.1 填土

为减小模型箱边界摩擦对试验结果的干扰,需预先在其内壁均匀涂抹润滑油以降低边界效应。随后对养护完成的石膏衬砌进行预处理,在监测断面区域粘贴应变片,并在其内壁涂覆薄层黏合剂,随后分层填入围岩相似材料并逐层压实,确保材料与衬砌紧密接触;填筑完成后,在围岩顶部施加静载(静止重物)持续24 h,通过持续压缩消除内部空隙,避免因材料松散引发试验数据偏差。待围岩体系密实成型后,将其预埋至模型箱指定位置,并分层填筑外部土体至设计高度,每层填土后同步进行夯实,同时依据监测方案埋设土压力盒传感器。最后,将应变片及土压力盒接入数据采集装置,吊装压板至模型顶部,完成填土工作。填土过程如图6所示。

3.2 开挖

在模型试验正式开始前,首先需依据预先确定的相似比在隧道断面绘制开挖台阶,同时完成首次监测断面数据的采集,为后续的分步开挖提供初始基准。随后,按照试验工况中设定的施工方案实施分步开挖,直至隧道贯通为止。每个开挖循环均需严格遵循以下监测数据采集步骤:在开挖操作之前,采集监测断面数据,以明确当前土体的初始状态;开挖操作完成后,立即采集一次监测数据,记录土体瞬时响应;静置约10 min,使土体应力充分重分布后,再次采集监测数据,以捕捉土体应力的动态变化特征并保证数据的可靠性。各工法隧道开挖流程如图7所示。

3.3 加载

本次实验旨在研究隧道初期支护在不同垂直地应力条件下的破坏规律,仅考虑垂直地应力对隧道开挖的影响。结合地勘报告及研究段现场施工情况,根据相似原理计算,确定模拟实际埋深条件下的地层压力需由模型箱上方液压千斤顶施加193.4 kN的压力,对应千斤顶压力表读数为17.5 MPa,模拟的围岩应力为7.9 MPa。在完成填土后使相似材料静置12 h。由于压力读数会随土体压缩而逐渐降低,因此在静置期间需多次补充加载,直至压力变化趋于稳定。

隧道开挖完成后,为探明不同垂直地应力大小作用下的初期支护受力及破坏形式,通过逐级加载模拟不同垂直地应力大小。具体的加载方案如表4所示。

3.4 监测

本次试验旨在监测隧道外侧围岩压力、隧道初期支护内力以及加载后初期支护的破坏形态。试验过程中采用的监测仪器包括土压力盒、应变片、uT160静态应变仪及高清摄像机。在监测断面拱顶、拱底、左右拱腰布置了4个监测点,土压力盒用于测量隧道外侧围岩压力,应变片用于测量隧道初期支护的内力变化,二者的具体布设位置如图8所示。

4 模型试验结果

4.1 围岩压力

为揭示高地应力特大断面隧道不同施工工法下的围岩压力分布特性,通过模型试验获取了3种工法(三台阶法、CD法、双侧壁导坑法)的围岩应力数据。本次试验仅在垂直方向加载,因此,实验结果主要适用于以垂直应力占主导的隧道。

4.1.1 三台阶法

三台阶法施工下,拱顶和拱底的平均垂直应力约为58.08 kPa,两侧拱腰的平均水平应力约为20.96 kPa,围岩的侧压力系数约为0.36。监测断面拱顶、拱底垂直压力变化曲线图和左右拱腰的水平压力变化曲线图如图9和图10所示。

当最先行掌子面开挖至监测断面后2 cm(1个循环进尺长度)时,围岩应力变化率达到峰值。在隧道施工过程中,开挖后的围岩会立即进入应力重分布状态,在此时应及时施作支护,抑制应力重分布进程,从而降低隧道变形的风险。

当最先行掌子面开挖至监测断面后48 cm时(约为1.5倍隧道直径),此时围岩应力变化率趋近于零,开挖扰动引起的应力重分布进入稳定阶段。由此可以知,类似隧道的围岩稳定性恢复的临界距离为开挖断面直径的1.5倍。

待围岩完成应力重分布后,T1、T2、T3和T7、T8监测点的垂直应力释放率分别为32.6%、46.1%、56.1%、59.4%和98.8%;T4、T5、T6 和 T9、T10、T11 监测点的水平应力集中率分别为9.6%、4.4%、21.6%、30.8%、0.8%及10.7%。结果表明,靠近隧道初期支护的监测点位相较于远离初期支护的监测点位其应力变化率通常较大,说明靠近隧道初期支护的岩体通常产生更加剧烈的应力重分布现象。垂直应力释放率(均值58.6%)远超水平应力集中率(均值13.0%),表明开挖对拱顶-拱底轴线的扰动强度显著高于两侧拱腰区域。

4.1.2 CD法

监测断面拱顶、拱底垂直压力变化曲线图和左右拱腰的水平压力变化曲线图如图11和图12所示。CD法施工下,拱顶和拱底的垂直应力均值约为49.8 kPa,左右拱腰的水平应力均值约为9.21 kPa,侧压力系数约为0.19。当最先行掌子面开挖至监测断面后48 cm时(约为1.5倍隧道直径),围岩应力变化率趋近于零,开挖扰动引起的应力重分布进入稳定阶段。由此可以知,类似隧道的围岩稳定性恢复的临界距离为开挖断面直径的1.5倍。

待围岩完成应力重分布后,T1、T2、T3和T7、T8监测点的垂直应力释放率分别为50.8%、59.7%、77.9%、91.0%和81.9%;T4、T5、T6 和 T9、T10、T11 监测点的水平应力集中率分别为9.9%、56.4%、137.7%、82.1%、18.8%及25.7%。结果表明,靠近隧道初期支护的监测点位相较于远离初期支护的监测点位其应力变化率通常较大,说明靠近隧道初期支护的岩体通常产生更加剧烈的应力重分布现象。垂直应力变化率(均值72.2%)远超水平应力变化率(均值55.1%),表明开挖对拱顶-拱底轴线的扰动强度显著高于两侧拱腰区域。

4.1.3 双侧壁导坑法

双侧壁导坑法施工下,拱顶和拱底的垂直应力均值约为92.16 kPa,左右拱腰的水平应力均值约为27.04 kPa,围岩侧压力系数约为0.29。监测断面拱顶、拱底垂直压力变化曲线图和左右拱腰的水平压力变化曲线图如图13和图14所示。

当最先行掌子面开挖至监测断面后56 cm时(约为1.5倍隧道直径),围岩应力变化率趋近于零,开挖扰动引起的应力重分布进入稳定阶段。

通过对比前两种工法的应力重分布特征发现,双侧壁导坑法维持其围岩稳定性所需的距离略高于三台阶法和CD法。这可能是由于双侧壁导坑法因分步开挖断面数量多,且Ⅰ台阶与Ⅵ台阶的空间间距最大,导致围岩扰动范围扩展,需更长的应力调整距离才能恢复稳定。由此可以知,类似隧道的围岩稳定性恢复的临界距离为开挖断面直径的1.66倍。

待围岩完成应力重分布后,T1、T2、T3和T7、T8监测点的垂直应力释放率分别为40.5%、43.2%、71.7%、64.5%和86.7%;T4、T5、T6和T9、T10、T11 监测点的水平应力集中率分别为18.1%、34.0%、28.1%、14.5%、10.4%及5.1%。结果表明,靠近隧道初期支护的监测点位相较于远离初期支护的监测点位其应力变化率通常较大,说明靠近隧道初期支护的岩体通常产生更加剧烈的应力重分布现象。垂直应力释放率(均值61.3%)远超水平应力集中率(均值18.4%),表明开挖对拱顶-拱底轴线的扰动强度显著高于两侧拱腰区域。

4.2 初期支护内力

通过信息采集系统收集到的初期支护模型的应变值,隧道初期支护的弯矩和轴力可以分别使用式(3)和式(4)计算^[21]。定义当隧道衬砌内部受拉时弯矩为正值,轴力则以衬砌沿纵向受拉时取正值。

(3)N=Aσ=$\frac{1}{2}$E(ε₁+ε₂)bh

(4)M=σW=$\frac{1}{12}$E(ε₁+ε₂)bh²

式中:E为结构的弹性模量;b为单位长度,取1 m;h为结构厚度;ε₂和ε₁分别为衬砌外侧和内侧的应变值;M为初期支护的弯矩;N为初期支护的轴力;A为截面面积;W为截面抗弯模量;σ为衬砌截面所受的应力。

初期支护的弹性模量E=0.65 GPa,厚度h=0.02 m。

如图15所示的监测断面衬砌轴力分布表明,3种工法施工时拱顶处均出现轴力极值(三台阶法11.6 kN,CD法20.3 kN,双侧壁导坑法21.8 kN),右侧拱腰的轴力次之。相较于三台阶法,CD法与双侧壁导坑法拱顶轴力分别提高75%和87.9%。如图16所示,监测断面弯矩分布呈现相同规律: 拱顶处弯矩最大(三台阶法 38.8 N·m,CD法 67.5 N·m,双侧壁导坑法 72.8 N·m),右侧拱腰次之。相较于三台阶法,CD法与双侧壁导坑法拱顶处弯矩分别提高74%和87.6%。这可能是由于CD法与双侧壁导坑法因多次开挖扰动,加剧了塑性区的累积发展,塑性区范围扩大导致形成更大范围的荷载传递至支护结构,造成拱顶处内力较大。相比之下,三台阶法仅分3步开挖,对围岩的扰动显著降低,其衬砌内力显著小于其他两种工法。

结果表明,在高地应力隧道中,衬砌的轴力及弯矩极值通常出现在拱顶处,应加强拱顶处支护设计。三台阶法由于开挖对围岩扰动最小,衬砌所受内力也最低,体现了其在高地应力条件下的优势。相比之下,CD法和双侧壁导坑法由于分部开挖次数多、扰动围岩较大,导致衬砌内力显著增加,这是两种工法在高地应力条件下的劣势。尤其是双侧壁导坑法,拱顶处衬砌内力最高,支护结构承受的荷载也最大。

4.3 超载破坏分析

本次模型试验仅考虑初期支护的作用。采用Ⅴ级围岩相似材料及石膏衬砌,通过四次分级加压,分别对比三台阶法、CD法及双侧壁导坑法的初期支护进行超载破坏试验,观察初期支护破坏形式,每次加载完后通过高清摄像机记录衬砌破坏情况。

4.3.1 三台阶法

图17展示了三台阶法施工完成后初期支护的超载破坏特征。在加载至19.5 MPa(对应实际地应力8.8 MPa)时,初期支护拱顶和仰拱处率先萌生大量微裂缝[图17(a)],表明这些区域出现显著的应力集中现象。在加载至21.5 MPa(对应实际地应力9.7 MPa)时,拱顶及仰拱处既有裂缝继续扩展, 拱脚处出现微裂缝并伴随衬砌内壁粉末脱落,如图17(b)所示。在加载至23.5 MPa(对应实际地应力10.6 MPa)时,既有裂缝继续扩展,拱顶处初支内壁发生掉块。仰拱处衬砌在剪应力作用下发生断裂和错动现象,拱顶处衬砌产生明显下沉导致断面变形,衬砌结构承载能力下降[图17(c)]。在加载至25.5 MPa(对应实际地应力11.5 MPa)时,隧道仰拱处衬砌多处发生严重断裂和错动,各处裂缝扩展得更为明显,隧道结构发生异变,衬砌丧失大部分承载能力[图17(d)]。

4.3.2 CD法

图18展示了CD法施工完成后初期支护的超载破坏特征。虽然加载方案相同,但CD法表现出差异化的衬砌破坏特征。在加载至19.5 MPa(对应实际地应力8.8 MPa)时,拱顶处出现大量裂缝,衬砌仰拱处出现了一条贯通性的纵向裂缝,如图18(a)所示,这可能是由于CD法相较于三台阶法,对围岩的扰动较大,导致围岩塑性区扩大,进而使衬砌内力显著增加所致。在加载至21.5 MPa(对应实际地应力9.7 MPa)时,既存裂缝继续延伸变宽,仰拱处出现新裂缝,拱脚处也出现了新的微裂缝,如图18(b)所示。在加载至23.5 MPa(对应实际地应力10.6 MPa)时,既存裂缝不断拓展,裂缝宽度明显增长,拱底处衬砌出现了显著隆起和错动现象,拱顶处衬砌产生明显下沉导致断面变形,衬砌结构承载能力下降,如图18(c)所示。在加载至25.5 MPa(对应实际地应力11.5 MPa)时,仰拱处衬砌发生多处的严重断裂和隆起现象,隧道断面发生显著变形,导致衬砌结构产生严重破坏,丧失了绝大部分承载能力,如图18(d)所示。

4.3.3 双侧壁导坑法

图19展示了双侧壁导坑法施工完成后初期支护的超载破坏特征。双侧壁导坑法前两次加载阶段的衬砌破坏形式与前文类似,在加载至19.5 MPa(对应实际地应力8.8 MPa)时,拱顶和拱底出现许多微裂缝[图19(a)]。在加载至21.5 MPa(对应实际地应力9.7 MPa)时,区别与三台阶法和CD法,裂缝拓展且裂缝数量显著上升,主要分布于隧道拱顶和仰拱,且拱脚处也产生微裂缝[图19(b)]。在加载至23.5 MPa(对应实际地应力10.6 MPa)时,拱顶和仰拱处的裂缝进一步加宽,局部发生错动和断裂,拱脚处裂缝增多并伴有衬砌内表面的粉化脱落,衬砌断面产生变形逐渐趋于扁平[图19(c)]。加载至25.5 MPa(对应实际地应力11.5 MPa)时,仰拱处多处衬砌产生严重的错动断裂,隧道断面产生明显的扁平化,衬砌结构几乎完全破坏[图19(d)]。

以上3种开挖方法的模型试验结果表明,在以垂直地应力为主导的隧道中,初期支护的破坏模式具有一致性,均经历了“拱顶、仰拱微裂纹萌生→裂缝拓展至拱脚→仰拱出现开裂错动→衬砌整体变形失稳”的四个阶段。施工中应加强拱顶、仰拱及拱脚等薄弱部位的支护措施,及时施作仰拱闭合衬砌,减少应力集中现象,在初期支护完成后,应尽早施作二次衬砌,以分担围岩压力。

5 结论

在隧道施工领域,大多数研究集中于常规施工工法,高地应力和特大断面隧道的施工技术研究较为不足。以贵州省桐梓隧道为工程背景,该隧道穿越高地应力的软弱破碎围岩段。通过大型模型试验,实时监测围岩压力、初期支护应力与应变,逐级加载观察初支破坏形态,探讨了高地应力条件下特大断面隧道不同施工方法下隧道的围岩响应及其初期支护内力分布特征,为工程实践提供了参考,得出如下结论。

(1)高地应力作用下围岩呈现显著挤压效应,其应力演化呈现两阶段特征:掌子面推进至监测断面时触发扰动阶段,表现为拱顶-拱底应力松弛与拱腰应力集中;当掌子面距离监测断面≥1.5D(D为洞径)时,应力场进入动态平衡阶段。

(2)对比三种施工方法的初期支护内力结果,发现拱顶位置最大轴力和弯矩表明显著的应力集中现象。应加强拱顶支护,进行预加固,并及时完成初支闭合与二衬施工,以提高结构安全性。

(3)模型试验分级加载揭示了初支破坏的4个阶段:拱顶、仰拱微裂纹萌生→裂缝拓展至拱脚→仰拱出现开裂错动→衬砌整体变形失稳。在隧道施工中应加强拱顶、仰拱及拱脚的支护措施,预防衬砌裂缝的产生。

6 展望

尽管通过模型试验为高地应力条件下特大断面隧道施工方法提供了相关数据和理论依据,但试验设计仍存在一些不足,需进一步优化。

(1)未考虑水平应力的影响。实际隧道施工中,水平应力对围岩变形和应力分布起着关键作用,尤其在高地应力环境下,可能导致与垂直应力不同的应力集中效应。未来研究应考虑将水平应力纳入试验,以更全面地模拟实际工况。

(2)采用预埋法模拟围岩应力变化,虽然有效控制了开挖扰动,但可能导致初期围岩应力分布与实际情况不符。因此,未来研究可探索直接开挖法等更接近实际施工的模拟方式,以验证不同方法下应力演化的差异。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

贵州省重大科技专项(黔科合重大专项字[2018]3011)

贵阳城市轨道交通科研项目(GD3-FW-YJ-05-2020-13-ZB)

贵州省自然科学基金(黔科合基础-ZK[2022]一般082,黔科合基础[2019]1057号)

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Received	Published	Revised
2025-03-26	2026-02-28	2025-12-02
Online Date
2026-05-30

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