膨脹性圍巖中小凈距隧道濕度場模型試驗(yàn)研究.pdf

1、近年來，小凈距隧道在工程用地、工程投資以及施工工藝等方面展現(xiàn)了很大的優(yōu)勢，越來越受建筑部門的青睞。但在隧道建設(shè)中，由于地質(zhì)條件引起的工程事故逐漸增多，特別是膨脹巖地質(zhì)。膨脹巖具有遇水膨脹失水收縮的特性，其圍巖的應(yīng)力應(yīng)變受周圍水分和圍巖壓力的影響。目前，對膨脹性圍巖中隧道的圍巖應(yīng)力應(yīng)變等方面進(jìn)行了很多研究。但少有對圍巖水分變化進(jìn)行研究。膨脹性圍巖水分分布規(guī)律對于小凈距隧道的圍巖穩(wěn)定有大影響，探索水分的分布規(guī)律具有研究意義。通過室內(nèi)模型試驗(yàn)

2、能夠有效的對實(shí)際工程進(jìn)行模擬，對小凈距隧道工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析及施工具有指導(dǎo)意義。
　　本文首先對膨脹性相似材料進(jìn)行了試驗(yàn)研究。在膨脹巖相似材料配制過程中，以砂、膨潤土、石灰、外加劑（羥丙基甲基纖維素）和施工用水為材料，采用自由膨脹率和體積膨脹量為直接指標(biāo)，干燥飽和吸水率為間接指標(biāo)，并考慮單軸抗壓強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了四因素四水平的試驗(yàn)方案?？偣策M(jìn)行了16組不同配比的試驗(yàn)，得到了弱、中、強(qiáng)三種不同膨脹性的相似材料。
　　其次，對水分測試系

3、統(tǒng)進(jìn)行了研究。該測試系統(tǒng)由水分探頭和測試儀兩部分組成。水分探頭是以三氧化二鋁為感濕材料，普通銅絲為電極，結(jié)構(gòu)為同心圓柱型。該探頭屬于阻容復(fù)合式元件，其測量范圍是5％～35%，誤差值在±3%，重復(fù)使用率高（陶瓷可使用1000次），能夠在低高溫和其他惡劣環(huán)境中使用，擁有良好的適應(yīng)性。測試儀是依據(jù)放大電路，采用STM32為控制核心，芯片AD5933為測試核心，設(shè)計(jì)了32個(gè)通道，能夠同時(shí)對32個(gè)水分探頭進(jìn)行實(shí)時(shí)測試并記錄儲(chǔ)存探頭的阻容值。經(jīng)過檢

4、驗(yàn)，由水分探頭和測試儀共同組成的測試系統(tǒng)具有安全實(shí)用，測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定等良好特征。
　　最后，對小凈距隧道進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究。模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩種試驗(yàn)方案，在實(shí)際試驗(yàn)中增加了一組試驗(yàn)，總共進(jìn)行了三組試驗(yàn)。在模型試驗(yàn)中，假設(shè)的隧道單洞跨度為10.8米，拱高為8.5米，兩隧道間距為5.5米，隧道埋深850米。模型試驗(yàn)采用的相似比為1:50，模型填料利用自配的膨脹性相似材料，并將水分探頭埋入，通過測試儀對水分含量進(jìn)行監(jiān)測。在試驗(yàn)中考慮了高應(yīng)力

5、、仰拱滯后施工等因素的影響，進(jìn)行了三次模型試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：
　　模型初始含水量對模型內(nèi)部的水分變化規(guī)律有很大的影響，在高初始含水量的情況中，水分在自重作用下的滲透影響力大于相似材料的吸濕能力；在較低的初始含水量中開挖巷道，圍巖內(nèi)部的水分變化以膨脹性材料吸濕為主，同時(shí)表現(xiàn)出微弱的滲透及水分揮發(fā)的現(xiàn)象。
　　底板滯后施工對隧道內(nèi)部水分變化規(guī)律有影響，仰拱滯后的時(shí)間越長，底板積水的時(shí)間就越長，水分在圍巖內(nèi)部的發(fā)展范圍越廣?？梢?/p>

6、，在膨脹性圍巖中開挖隧道應(yīng)該及時(shí)施作仰拱，減少底板滯水時(shí)間。
　　圍巖的濕度分布規(guī)律是通過圍巖的水分等高線圖反映出來。在圍巖的濕度圖中能發(fā)現(xiàn)，初始階段水分分布基本均勻。在底板滯水時(shí)期，位于隧道上部分的巖層內(nèi)部水分影響較小，而在隧道下部分區(qū)域的內(nèi)部水分影響較大，通常會(huì)出現(xiàn)多個(gè)集聚區(qū)域，集聚區(qū)域先是出現(xiàn)在洞室邊幫下方及中間柱下方，隨時(shí)間的發(fā)展會(huì)形成一個(gè)集聚中心在中間柱下方的大集聚區(qū)域，其面積擴(kuò)大，中心位置下移，水分含量變高。在仰拱施工